📘 Wiki Enkodéra
Rotačný enkóder
Rotačné enkódre sú senzory, ktoré premieňajú mechanický rotačný pohyb na digitálne alebo analógové signály a široko sa používajú v priemyselnej automatizácii, robotike, CNC strojoch, zdravotníckych zariadeniach a dopravných systémoch. Detekciou uhlového posunu, rýchlosti a smeru poskytujú presnú spätnú väzbu riadiacim systémom. Tento článok podrobne vysvetľuje definíciu, princípy činnosti, klasifikácie, technické parametre, porovnania, aplikačné scenáre, priemyselné normy a rady pri výbere rotačných enkóderov.
Čo je rotačný enkóder
Rotačný enkóder je snímač polohy alebo zariadenie spätnej väzby motora určené na meranie uhlového posunu, rýchlosti a smeru otáčania hriadeľa. Jeho hlavnou funkciou je prevádzať rotačný pohyb na elektrické signály, ktoré riadiaci systém dekóduje na určenie aktuálnej polohy a stavu pohybu. Rotačné enkódre sa zvyčajne delia na inkrementálne enkódre, ktoré vydávajú pulzné signály, a absolútne enkódre, ktoré poskytujú jedinečné pozičné informácie (jednootáčkové alebo viacotáčkové).
Princípy fungovania
Optická detekcia
- Svetelný zdroj osvetľuje mriežkový disk so striedajúcimi sa priehľadnými a nepriehľadnými úsekmi.
- Počas rotácie disku fotodetektory generujú kvadratúrne signály (A/B) a voliteľný referenčný impulz (Z).
Magnetická detekcia
- Využíva Hallove snímače, magnetorezistívne (AMR) alebo gigantické magnetorezistívne (GMR) prvky na detekciu zmien magnetických pólov magnetického prstenca alebo pásky.
Induktívna / kapacitná detekcia
- Meria zmeny indukčnosti alebo kapacitancie medzi vzorovanými prvkami, vhodná do náročných prostredí (znečistenie, vibrácie, kondenzát).
Logika výstupného signálu
- Inkrementálne: fázy A a B (kvadratúra) pre smer a rýchlosť; Z ako nulový/referenčný impulz.
- Absolútne: jedinečné multi-bitové kódy (napr. Grayov kód) prenášané paralelne alebo cez sériové rozhrania.
Typy
✓ Podľa výstupného signálu
- Inkrementálny: pulzné signály; vhodný na detekciu rýchlosti a smeru.
- Absolútny: jedinečné pozičné informácie; jednootáčkový alebo viacotáčkový.
✓ Podľa mechanickej štruktúry
- Plný hriadeľ (solid shaft)
- Dutý hriadeľ (through hollow shaft)
- Slepý dutý hriadeľ (blind hollow shaft)
✓ Podľa technológie detekcie
- Optické enkódery
- Magnetické enkódery
- Induktívne enkódery
- Kapacitné enkódery
✓ Podľa priemyselného rozhrania / protokolu
- TTL / HTL / RS-422
- Sin/Cos (1 Vpp)
- SSI, BiSS-C, EnDat
- PROFIBUS, PROFINET, EtherCAT, CANopen
Technické špecifikácie
| Parameter | Rozsah / Detaily |
|---|---|
| Rozlíšenie | 1 až 4 194 304 PPR (inkrementálny) alebo 8–24 bitov (absolútny) |
| Maximálna rýchlosť | 3 000–12 000 RPM, špeciálne modely až ~20 000 RPM |
| Stupeň krytia (IP) | IP50 až IP68 |
| Prevádzková teplota | −40 °C až +105 °C |
| Napájanie / odber | 5 V alebo 10–30 V; typický odber < 100 mA |
| Vibrácie / šok | IEC 60068-2: ~10–20 g (vibrácie), ~50–200 g (šok) |
| Výstupné rozhrania | TTL, HTL, RS-422, Sin/Cos, SSI, BiSS-C, EnDat, PROFINET, EtherCAT |
Výhody a obmedzenia
Výhody
- Vysoké rozlíšenie, opakovateľnosť a nízka chyba jemného delenia (SDE).
- Rýchla odozva pre dynamické riadenie pohybu.
- Široká paleta rozhraní a priemyselných protokolov.
- Varianty odolné voči EMC pre náročné prostredia.
Obmedzenia
- Optické typy sú citlivé na znečistenie a nesprávnu montážnu vôľu.
- Modely s extrémnym rozlíšením sú nákladnejšie.
- Niektoré technológie degradujú pri extrémnych teplotách či vibráciách.
Porovnanie s inými uhlovými snímačmi
| Typ | Presnosť | Cena | Odolnosť voči rušeniu | Typické použitie |
|---|---|---|---|---|
| Potenciometer | Nízka | Nízka | Slabá | Jednoduché, nízkonákladové systémy |
| Rezolver | Stredná | Stredná | Vysoká | Vysoké teploty, vysoké vibrácie |
| Rotačný enkóder | Vysoká (až ~24 bitov) | Stredná/Vysoká | Vysoká | Väčšina priemyselných a robotických systémov |
Oblasti aplikácie
- Priemyselná automatizácia: spätná väzba servopohonov, robotické ramená.
- CNC stroje: spätná väzba polohy vretena a osí posuvu.
- Robotika: riadenie kĺbov a spätná väzba trajektórie.
- Zdravotníctvo: pozicionovanie stolov a manipulátorov, rotácia CT gantry.
- Výťahy a doprava: polohovanie kabíny, spätná väzba dverových mechanizmov.
- Veterná a solárna energetika: uhol lopatiek a systémy sledovania slnka.
Priemyselné normy
- IEC 61800-5-2:2016 – Funkčná bezpečnosť pohonov.
- ISO 13849-1:2015 – Bezpečnosť riadiacich systémov strojov.
- IEC 60529:2020 – Stupeň krytia (IP kód).
- IEC 60068-2 – Testovanie vibrácií a šokov.
- ISO 9001:2015 – Systémy manažérstva kvality výroby.
Bežné problémy a riešenie
| Problém | Možná príčina | Riešenie |
|---|---|---|
| Žiadny výstup signálu | Chýbajúce napájanie, chyba v zapojení, poškodený snímač | Skontrolovať napájanie a káblovanie, vymeniť poškodené diely |
| Fluktuácia alebo strata signálu | EMC rušenie, starnutie kábla, voľné mechanické časti | Overiť uzemnenie, vymeniť káble, dotiahnuť upevnenia |
| Chybná alebo nestála poloha | Optické znečistenie, magnetické rušenie, degradácia elektroniky | Vyčistiť optiku, odstrániť zdroje rušenia, vymeniť komponenty |
| Zmeškané impulzy / strata krokov | Nesprávny protokol, nekompatibilita rozhrania, limity rýchlosti | Overiť protokol, skontrolovať zapojenie, upraviť nastavenia riadiaceho systému |
Príručka výberu
- Požiadavky aplikácie – poloha, rýchlosť, smer.
- Typ enkódera – inkrementálny vs. absolútny (jednootáčkový/viacotáčkový).
- Technológia detekcie – optická, magnetická, induktívna, kapacitná.
- Rozlíšenie a rozhranie – potrebná presnosť a kompatibilné signály/protokoly.
- Prostredie – IP krytie, vibrácie/šoky, teploty.
- Mechanické rozhranie – priemer hriadeľa, spôsob montáže, prípustné radiálne/axiálne zaťaženie.
- Kompatibilita komunikácie – súlad s PLC a systémami riadenia pohybu.
- Normy a bezpečnosť – uprednostniť zariadenia spĺňajúce IEC, ISO, UL a príslušné funkčné bezpečnosti.
Referencie
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- IEC 60068-2 (séria)
- ISO 9001:2015
Podrobným pochopením štruktúry, princípov fungovania, výkonových parametrov a aplikácií rotačných enkóderov môžu inžinieri a systémoví integrátori dosiahnuť presný výber a integráciu, optimalizujúc kontrolu pohybu a spoľahlivosť systému.