โค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่า
โค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่า (Incremental Encoder) เป็นหนึ่งในเซ็นเซอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบควบคุมการเคลื่อนที่ ทั้งในงานอุตสาหกรรมอัตโนมัติ เครื่องจักร CNC หุ่นยนต์ และระบบตรวจสอบอัตโนมัติ บทความนี้จะอธิบายรายละเอียดของโค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่า ได้แก่ ความหมาย หลักการทำงาน ลักษณะสัญญาณขาออก พารามิเตอร์ประสิทธิภาพ การจำแนกโครงสร้าง มาตรฐานอุตสาหกรรม การเปรียบเทียบเชิงเทคนิค ปัญหาการบำรุงรักษาที่พบบ่อยพร้อมวิธีแก้ไข และแนวทางการเลือกใช้งาน
โค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่าคืออะไร (What is an Incremental Encoder)
โค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่า คือเซ็นเซอร์ที่แปลงการเคลื่อนที่ทางกลเป็นสัญญาณพัลส์แบบเป็นระยะ เมื่อเพลาหรือวัตถุหมุนหรือเลื่อนตามมุมหรือระยะทางที่กำหนด จะสร้างพัลส์ไฟฟ้าจำนวนตามอัตราส่วนการเคลื่อนที่ พัลส์เหล่านี้จะถูกนับโดยตัวนับภายนอกหรือคอนโทรลเลอร์ เพื่อวัดตำแหน่งเชิงสัมพันธ์ (relative position)
สัญญาณขาออกหลักของโค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่าประกอบด้วย
- เฟส A
- เฟส B (สัญญาณ quadrature เพื่อบอกทิศทาง)
- เฟส Z (พัลส์อ้างอิงศูนย์ให้ 1 ครั้งต่อรอบ)
เนื่องจากโค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่าให้ข้อมูลตำแหน่งเชิงสัมพันธ์เท่านั้น เมื่อตัดไฟ ข้อมูลตำแหน่งจะหายไป จึงมักใช้อุปกรณ์ตั้งจุดศูนย์ (zero reference) แบบกลไกหรือไฟฟ้ามาช่วย
หลักการทำงานของโค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่า (Working Principle of Incremental Encoders)
โค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่าเชิงแสง
ใช้หลอด LED ส่องแผ่นลาย (grating) บนดิสก์ที่หมุนไปมา บนดิสก์มีบริเวณโปร่งและทึบสลับกัน เมื่อหมุนผ่านตัวตรวจจับแสง (photodetector) จะเกิดสัญญาณไฟฟ้าเป็นระยะ ไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นพัลส์คลื่นสี่เหลี่ยมมาตรฐาน
โค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่าทางแม่เหล็ก
ใช้เซ็นเซอร์แม่เหล็ก (ทั้งฮอลล์และแม็กเนโตเรซิสทีฟ) ตรวจจับการเปลี่ยนขั้วสนามแม่เหล็กบนเพลาเมื่อหมุน และสร้างพัลส์ไฟฟ้าเป็นระยะ
การตรวจจับทิศทางและจุดศูนย์
สัญญาณเฟส A และ B มีการเลื่อนเฟสไฟฟ้า 90° ช่วยบอกทิศทางหมุน ส่วนเฟส Z ให้พัลส์อ้างอิงศูนย์หนึ่งครั้งต่อรอบ ใช้ตั้งตำแหน่งศูนย์
ลักษณะสัญญาณขาออก (Signal Characteristics)
| ข้อกำหนด | รายละเอียด |
|---|---|
| ชนิดสัญญาณ | พัลส์คลื่นสี่เหลี่ยม (TTL/HTL/RS422) หรือสัญญาณแอนะล็อก sin/cos |
| ระดับแรงดัน | TTL (5 V), HTL (10–30 V), RS422 แบบ differential |
| ย่านความถี่ | ตั้งแต่หลายร้อย kHz ถึงหลาย MHz |
| ความละเอียด (PPR) | ปกติ 100–10 000 PPR, เพิ่มได้ด้วยการอินเตอร์โพลเลชัน |
| มุมเลื่อนเฟส | 90° ± 10° ระหว่างเฟส A และ B |
| ระยะส่งสัญญาณ | RS422 differential ส่งได้ไกลกว่า 100 ม. |
เปรียบเทียบโค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่าและโค้ดเดอร์แบบแอ็บโซลูต (Incremental vs Absolute Encoder)
| ตัวชี้วัด | โค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่า | โค้ดเดอร์แบบแอ็บโซลูต |
|---|---|---|
| ข้อมูลตำแหน่ง | เชิงสัมพันธ์ ต้องใช้ตัวนับภายนอก | เชิงสัมบูรณ์ มีหน่วยความจำในตัว |
| ต้นทุน | ต่ำ | สูง |
| ความซับซ้อนของระบบ | ต้องจัดการจุดศูนย์และตัวนับภายนอก | เรียบง่าย ไม่ต้องใช้ตัวนับภายนอก |
| การกู้คืนหลังไฟดับ | ไม่กู้คืนอัตโนมัติ | กู้คืนตำแหน่งอัตโนมัติ |
| การใช้งานทั่วไป | ควบคุมความเร็ว/ตำแหน่งทั่วไป | ระบบตำแหน่งความแม่นยำสูง |
พารามิเตอร์ประสิทธิภาพหลัก (Key Specifications)
- ความละเอียด (PPR): พัลส์ต่อรอบ กำหนดความแม่นยำการวัด
- ความเร็วสูงสุด (RPM): ความเร็วรอบสูงสุดที่อนุญาต
- ระดับการป้องกัน (IP): เช่น IP50–IP68 กำหนดสภาพแวดล้อมใช้งาน
- ช่วงอุณหภูมิทำงาน: มาตรฐาน –20 °C ถึง +85 °C; ขยาย –40 °C ถึง +100 °C
- ความทนทานต่อการสั่นสะเทือน/กระแทก: สั่นสะเทือน 10–20 g; กระแทก 50–200 g
การใช้งานตัวอย่าง (Typical Applications)
- อุตสาหกรรมอัตโนมัติ: รีพอร์ทความเร็วมอเตอร์, ตรวจจับตำแหน่งสายการผลิต
- เครื่อง CNC: ตำแหน่งซาเล้ง, ควบคุมความเร็วสปินเดิล
- เครื่องบรรจุภัณฑ์และพิมพ์: ควบคุมความยาววัสดุ, ระบบลงทะเบียน
- อุปกรณ์ทางการแพทย์: แพลตฟอร์มหมุน CT, ควบคุมการเคลื่อนที่ของเครื่องมือ
- โลจิสติกส์อัจฉริยะ: นำทาง AGV, ระบบลำเลียง
- ลิฟต์และเครน: ตำแหน่งห้องโดยสาร, ควบคุมการยก
มาตรฐานและข้อกำหนดอุตสาหกรรม (Industry Standards and Norms)
- ISO 13849-1: ความปลอดภัยเชิงฟังก์ชันสำหรับระบบควบคุมเครื่องจักร
- IEC 61000-6-2: ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม
- IEC 60068-2: การทดสอบความทนทานต่อสภาพแวดล้อม (สั่นสะเทือน/กระแทก)
- IEC 60529: เกรดการป้องกันฝุ่นและน้ำ (รหัส IP)
การบำรุงรักษาและแก้ไขปัญหา (Maintenance and Troubleshooting)
การบำรุงรักษาประจำ
- ตรวจสอบการยึดจับชิ้นส่วนกลไก (เพลา, คัปปลิง, แปลน) เป็นประจำ
- ทำความสะอาดพื้นผิวโค้ดเดอร์ โดยเฉพาะรุ่นเชิงแสง ป้องกันฝุ่นและน้ำมันสะสม
- ตรวจสอบสายเคเบิลและขั้วต่อ ป้องกันการสึกหรอ หรือการหลวม
ปัญหาทั่วไปและวิธีแก้ไข
- ไม่มีสัญญาณขาออก: ตรวจสอบแหล่งจ่ายไฟและสายเชื่อมต่อ, ยืนยันเซ็นเซอร์ไม่เสีย
- สัญญาณขาดหรือกระตุก: ตรวจสอบความมั่นคงของการติดตั้งกลไก, ใช้สายชิลด์เพื่อลดสัญญาณรบกวน
- สัญญาณสั่นผิดปกติ: ตรวจสอบแบริ่งและคัปปลิง, เปลี่ยนเมื่อจำเป็น; ยืนยันโหลดอยู่ในขอบเขตที่กำหนด
แนวทางการเลือกใช้งาน (Selection Guide)
- กำหนดความต้องการ: ประเภทการเคลื่อนที่ (หมุน/เส้นตรง), ความแม่นยำ และช่วงความเร็ว
- จับคู่ PPR และความถี่: เลือกความละเอียดให้สอดคล้องกับความถี่ขาเข้า PLC/คอนโทรลเลอร์
- ประเภทอินเทอร์เฟซและระดับสัญญาณ: ตรวจสอบความเข้ากันได้กับ TTL/HTL/RS422 ในระบบควบคุม
- เงื่อนไขสิ่งแวดล้อม: เลือกระดับ IP และวัสดุตามอุณหภูมิ ฝุ่น และความชื้น
- ข้อกำหนดการติดตั้งกลไก: ยืนยันเส้นผ่านศูนย์กลางเพลา วิธียึด และภาระให้ตรงกับการใช้งานจริง
ด้วยความเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงหลักการทำงาน ลักษณะสัญญาณ ข้อกำหนดการใช้งาน มาตรฐาน และวิธีการบำรุงรักษาของโค้ดเดอร์แบบเพิ่มค่า วิศวกรจะสามารถบูรณาการระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพและเลือกอุปกรณ์ได้อย่างแม่นยำ เพิ่มความเชื่อถือได้และประสิทธิภาพของเครื่องจักรได้อย่างเด่นชัด