📘 วิกิเอนโค้ดเดอร์
อธิบายพารามิเตอร์สำคัญของเอนโคเดอร์
เพื่อให้สามารถประเมินและเลือกเอนโค้ดเดอร์ได้อย่างถูกต้อง จำเป็นต้องเข้าใจพารามิเตอร์หลักที่มีผลต่อความแม่นยำในการวัด ช่วงความเร็ว ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม และอายุการใช้งาน บทความนี้จะอธิบายพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า กลไก และสิ่งแวดล้อมของเอนโค้ดเดอร์แต่ละชนิดอย่างละเอียดและเป็นมืออาชีพ
1. ความละเอียด (Resolution)
1.1 คำจำกัดความและรูปแบบการแสดงผล
- เอนโค้ดเดอร์แบบอินเครเมนทัล: แสดงโดย PPR (Pulses Per Revolution) หรือ CPR (Counts Per Revolution) เช่น 1000, 2500, 5000 PPR หากใช้การคูณสัญญาณสี่เท่า จำนวนการนับจะเป็น 4×PPR
- เอนโค้ดเดอร์แบบแอบโซลูท: แสดงด้วยจำนวนบิต (bits) ต่อรอบ เช่น 13 bits = 8192 ตำแหน่ง หรือ “บิตหลายรอบ + บิตต่อรอบ” เช่น 25 bits แบบหลายรอบ
- เอนโค้ดเดอร์เชิงเส้น: ใช้ LPI (Lines Per Inch), CPI (Counts Per Inch) หรือ “µm/พัลส์” เป็นตัวบ่งชี้
1.2 ความละเอียดกับประสิทธิภาพระบบ
- ความละเอียดสูงขึ้นจับการเคลื่อนไหวที่ละเอียดขึ้นได้ ให้การควบคุมตำแหน่งและความเร็วที่แม่นยำกว่า
- ความละเอียดสูงเกินไปต้องรองรับด้วยคอนโทรลเลอร์และซีพียูประมวลผลความเร็วสูง มิฉะนั้นอาจเกิดการหลุดพัลส์หรือดีเลย์
- ในงานความเร็วสูง ความละเอียดสูงทำให้ความถี่พัลส์สูงขึ้น ต้องมั่นใจว่าทั้งสายสัญญาณและไดรเวอร์รองรับแบนด์วิดท์ได้
1.3 รายละเอียดเพิ่มเติม
- เอนโค้ดเดอร์บางรุ่นรองรับ เทคนิคการอินเตอร์โพลเลชัน (Interpolation) เพื่อเพิ่มความละเอียดภายใน
- ควรแยกแยะระหว่าง ความละเอียดเชิงกล (จำนวนเส้นจริงบนดิสก์) กับ ความละเอียดเชิงอิเล็กทรอนิกส์ (หลังอินเตอร์โพลเลชัน)
2. ความแม่นยำ (Accuracy)
2.1 ความแม่นยำกว้างและความแม่นยำแคบ
- ความแม่นยำกว้าง: ค่าสูงสุดของความแปรปรวนระหว่างเอาต์พุตและตำแหน่งจริง เกิดจากหลายปัจจัย เช่น ความผิดพลาดของดิสก์ การติดตั้งเชิงกล การสั่นของแบริ่ง
- ความแม่นยำแคบ: ผู้ผลิตบางรายให้ข้อมูลเฉพาะความแม่นยำของเส้นหรือเซนเซอร์ ไม่รวมการติดตั้งหรือแบริ่ง
2.2 หน่วยวัดทั่วไป
- เอนโค้ดเดอร์เชิงมุม: arcsec (วินาที), arcmin (นาที), องศา (°) หรือเปอร์เซ็นต์ความละเอียด
- เอนโค้ดเดอร์เชิงเส้น: µm/m, ppm หรือมาตรฐานอื่น ๆ
2.3 แหล่งที่มาของความคลาดเคลื่อน
- ความผิดพลาดการผลิตดิสก์/กราติง: ความไม่สม่ำเสมอของร่องหรือความเยื้องศูนย์
- ความไม่เชิงเส้นของเซนเซอร์: การบิดเบือนที่ขอบของอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทริกหรือแมกเนติก
- ความผิดพลาดการติดตั้งเชิงกล: การเยื้องศูนย์, ความคลอนของแบริ่ง, แฟลนซ์ไม่ตรง
- อิทธิพลสิ่งแวดล้อม: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ, การสั่นสะเทือน, สิ่งสกปรกติด
2.4 การปรับปรุงและชดเชยความแม่นยำ
- เลือกใช้ดิสก์เกรดสูงหรืออุปกรณ์โฟโต/แมกเนติกความแม่นยำสูง
- ใช้ เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ทำการสอบเทียบทดสอบและสร้างตารางชดเชย
- เพิ่มความแข็งแกร่งของแบริ่ง ลดการกระดกทั้งรัศมีและแกน
3. ความซ้ำ (Repeatability)
3.1 แนวคิด
- ความซ้ำวัดความสม่ำเสมอเมื่อกลับไปยังตำแหน่งเดิมหลายครั้ง ไม่เกี่ยวกับความคลาดเคลื่อนเบื้องต้น
- แม้ความแม่นยำไม่สูง แต่หากความซ้ำดีสามารถชดเชยด้วยซอฟต์แวร์เพื่อให้ได้ตำแหน่งแม่นยำ
3.2 ปัจจัยที่มีผล
- แบคแล็ชเชิงกล: ช่องว่างหรือการยืดตัวของเกียร์, คัปปลิง, บอลสกรู
- จิตเตอร์สัญญาณ: เซนเซอร์ตรวจจับขอบไม่เสถียร
- การรบกวนสิ่งแวดล้อม: อุณหภูมิ, EMI, การสั่นสะเทือน
3.3 มาตรการปรับปรุง
- ปรับโซ่ส่งกำลัง คัปปลิงคุณภาพดีเพื่อรักษาแกนร่วม
- ซ้ำการสุ่มตัวอย่างหลายครั้งและกรองเพื่อค่าเฉลี่ย
- ลดแหล่งสั่นสะเทือนและการรบกวน
4. ความเร็วสูงสุดและการตอบสนองความถี่ (Max Speed & Frequency Response)
4.1 ความเร็วสูงสุด
- เอนโค้ดเดอร์แบบหมุน: แสดงเป็น RPM (revolutions per minute) เช่น 6000 RPM
- เอนโค้ดเดอร์เชิงเส้น: แสดงเป็น m/s หรือ mm/s
- เกินความเร็วสูงสุดอาจเกิดการสูญเสียสัญญาณหรือบิดเบือน
4.2 การตอบสนองความถี่
- ความสามารถในการรักษารูปสัญญาณเต็มรูปแบบและนับพัลส์ได้ถูกต้องเมื่อความเร็วเพิ่ม
- พัลส์โฟรควency กับ PPR คำนวณได้จาก RPM × PPR / 60
- สำหรับเอนโค้ดเดอร์แอบโซลูท ขึ้นกับอัตราการสื่อสารหรืออัตราการรีเฟรช
4.3 ข้อควรระวัง
- คอนโทรลเลอร์ต้องรองรับนับพัลส์ความเร็วสูงหรือประมวลผลซีเรียลความเร็วสูง
- สายสัญญาณและวงจรรับควรออกแบบให้เหมาะสมกับแบนด์วิดท์ ป้องกันการสูญเสียและสัญญาณรบกวน
5. แรงดันไฟเลี้ยงและการใช้พลังงาน (Supply Voltage & Power Consumption)
5.1 ช่วงแรงดันไฟเลี้ยง
- TTL: 5 V DC; HTL: 10~30 V DC; รุ่นหรูรองรับ 4.5~30 V
- เอนโค้ดเดอร์อุตสาหกรรมอีเธอร์เน็ตมักเข้ากันกับระบบ 24 V
5.2 การประเมินการใช้พลังงาน
- โฟโตอปติคัลมีแหล่งกำเนิดแสงในตัว จึงใช้พลังงานมากกว่า
- แมกเนติก/Capacitive ใช้พลังงานต่ำ อาจต้องอุ่นล่วงหน้าในสภาพหนาวจัด
- ความเร็วสูงและความละเอียดสูงเพิ่มการใช้พลังงานของซีพียูและไดรเวอร์ภายใน
5.3 ความเข้ากันได้และความเสถียร
- ริบเบิลไฟหรือไฟดรอปชั่วขณะอาจรีเซ็ตเอนโค้ดเดอร์หรือสูญเสียพัลส์
- ระบบหลายแกนใหญ่ต้องคำนึงถึงแรงดันตกคร่อมสายไฟและขนาดสาย
6. รูปแบบเอาต์พุตและระดับสัญญาณ (Output Types & Signal Levels)
6.1 เอาต์พุตแบบอินเครเมนทัล
- สี่เหลี่ยม A/B/Z: TTL, HTL, RS422 เป็นต้น
- เอาต์พุตซายน์ (1 Vpp): สำหรับเอนโค้ดเดอร์ความละเอียดสูง สามารถอินเตอร์โพลเลชันเพื่อขยายความละเอียด
6.2 เอาต์พุตแบบแอบโซลูท
- แบบขนาน: ใช้หลายบิตขนาน (Gray Code, Binary ฯลฯ)
- แบบซีเรียล: SSI, BiSS, EnDat ช่วยลดสายและเพิ่มความต้านทานต่อรบกวน
- บัส/อีเธอร์เน็ต: CANopen, Profibus, EtherCAT, Profinet สำหรับการควบคุมหลายโหนดบนเครือข่าย
6.3 เอาต์พุตแอนะล็อก
- แรงดัน (0~5 V, 0~10 V) หรือกระแส (4~20 mA) เหมาะกับระบบควบคุมแอนะล็อกเดิม
- ความแม่นยำขึ้นกับริปเบิลไฟและความต้านทานของสาย
7. ระดับการป้องกัน (IP Rating)
7.1 มาตรฐาน IP
- IP65: ป้องกันฝุ่นและแรงดันน้ำต่ำ
- IP67: กันน้ำชั่วคราว
- IP68: ดำน้ำลึกได้นาน
7.2 กลยุทธ์การเลือก
- งานภายนอก อุตสาหกรรมอาหาร หรือสภาพแวดล้อมชื้น/ฝุ่นสูงต้อง IP สูง
- IP สูงกว่ามักมีต้นทุนสูงขึ้น ต้องพิจารณาการระบายความร้อนและแรงเสียดทานแบริ่งด้วย
8. ภาระแบริ่งและอายุการใช้งานเชิงกล (Bearing Load & Mechanical Life)
8.1 ชนิดแบริ่งและภาระ
- มักใช้บอลแบริ่งความแม่นยำหรือแบริ่งสัมผัสแบบมุม
- ภาระรัศมี: แรงตั้งฉากกับแกน; ภาระแกน: แรงตามแกน
8.2 อายุและการบำรุงรักษา
- ความเร็วสูง ภาระหนัก หรืออุณหภูมิสุดขั้วจะลดอายุแบริ่ง
- รุ่นหรูอาจใช้แบริ่งเซรามิกหรือจาระบีพิเศษเพื่อเพิ่มความทนทาน
8.3 ข้อควรระวังในการติดตั้ง
- ใช้คัปปลิงยืดหยุ่นหรือขาตั้งภายนอกช่วยรับภาระรัศมี
- ต้องรักษาแกนร่วมให้ตรง ลดแรงบิดหรือการสั่นสะเทือน
9. พารามิเตอร์สิ่งแวดล้อม (Environment Parameters)
9.1 ช่วงอุณหภูมิ
- อุณหภูมิใช้งาน: –20 °C ถึง +85 °C เพื่อรักษาความแม่นยำ
- อุณหภูมิจัดเก็บ: กว้างกว่าแต่ระวังความร้อนจัดหรือเย็นจัดทำให้โฟโตหรือจาระบีเสื่อม
9.2 ความชื้น จุดน้ำค้าง และการกัดกร่อน
- สภาพชื้นหรือมีจุดน้ำค้างต้องเพิ่มการซีลและป้องกันสนิม
- สภาพกัดกร่อน (กรด ด่าง เกลือ) เลือกตัวถังสเตนเลสหรือเคลือบทนกรด-ด่าง
9.3 การต้านทานการสั่นและแรงกระแทก
- กำหนดเป็น g หรือ m/s² สำหรับค่าสูงสุดที่ทนได้ งานเครื่องจักรหรือรถยนต์ทดสอบต้องใช้สเปกสูง
- แผ่นยางกันสั่นหรือขาตั้งช่วยลดแรงกระแทก
9.4 การรบกวน EMC/ESD
- สภาพแวดล้อม EMI สูงต้องใช้สายชีลด์และการต่อดินที่เหมาะสม
- อุปกรณ์ป้องกัน ESD เช่น แหวนกราวด์ TVS ช่วยปกป้องวงจรภายใน
10. ความปลอดภัยเชิงฟังก์ชันและการสำรอง (Functional Safety & Redundancy)
10.1 ระดับความสมบูรณ์ของความปลอดภัย (SIL / PL)
- SIL: ตาม IEC 61508, IEC 62061; PL: ตาม ISO 13849
- สำหรับ AGV ลิฟต์ หุ่นยนต์โคบอท ฯลฯ แนะนำ SIL2 หรือ SIL3
10.2 การออกแบบซ้ำซ้อน
- หัวอ่านสองชุดหรือสองช่องทาง: ตรวจสอบข้ามข้อมูลหรือสำรองอัตโนมัติเมื่อเกิดข้อผิดพลาด
- ลดความเสี่ยงการหยุดระบบเมื่อเซนเซอร์ล้มเหลว
10.3 การตรวจสอบตัวเองภายใน
- เตือนเมื่อพบการเสื่อมของแสง ความผิดปกติเกี่ยวกับแม่เหล็ก หรืออุณหภูมิสูงเกิน
- มีลอจิก “ปิดเครื่องปลอดภัย” หรือ “ชะลอความเร็ว” เพื่อเพิ่มความปลอดภัย
11. ความเป็นเชิงเส้นและการสอบเทียบ (Linearity & Calibration)
11.1 แหล่งที่มาของความผิดพลาดเชิงเส้น
- การแจกแจงช่วงร่องไม่สม่ำเสมอของดิสก์หรือแม่เหล็ก
- การเปลี่ยนแปลงช่องว่างหรือมุมระหว่างหัวอ่านกับสเกล
11.2 การสอบเทียบและชดเชย
- งานความแม่นยำสูง (เซมิคอนดักเตอร์, การวัดละเอียด) ใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์สร้างกราฟอัตราความผิดพลาดและตารางชดเชย
- เอนโค้ดเดอร์บางรุ่นเก็บตารางชดเชยในตัวและปรับแก้อัตโนมัติก่อนส่งออก
11.3 การชดเชยเฉพาะพื้นที่และการรวมระบบ
- หากช่วงการเคลื่อนไหวจำกัด ให้โฟกัสสอบเทียบในช่วงนั้น
- ร่วมกับความซ้ำดีจะได้ความแม่นยำสูงมาก
12. แนวทางการเลือกและการรวมระบบ
12.1 ความต้องการใช้งาน
- ประเภทการเคลื่อนไหว: หมุน/เชิงเส้น, ช่วงความเร็ว, ลักษณะเร่ง/เบรก
- ความแม่นยำระบบ: ความละเอียด, ความแม่นยำ, ความซ้ำ
- ข้อจำกัดสิ่งแวดล้อม: ระดับ IP, ช่วงอุณหภูมิ, ฝุ่น/ไอน้ำ, การสั่นสะเทือน
12.2 การเชื่อมต่อเชิงกลและไฟฟ้า
- ตรวจสอบขนาดเพลา รูปแฟลนซ์ และภาระแบริ่งให้เข้ากับระบบกลไก
- แรงดันไฟเลี้ยง ระดับสัญญาณ โปรโตคอลการสื่อสารต้องเข้ากับคอนโทรลเลอร์
- ประมาณความยาวสาย แรงดันตก และการอับสัญญาณ เลือกสายชีลด์หรือสายบิดเกลียวตามความเหมาะสม
12.3 การติดตั้ง การจูน และบำรุงรักษา
- รักษาแกนร่วมให้ตรง หลีกเลี่ยงแรงรัศมีหรือแกนเกินพิกัด
- แนะนำคัปปลิงยืดหยุ่นช่วยชดเชยการเยื้องเล็กน้อย
- ตรวจสอบซีลภายนอก รักษาความแน่นของฝาครอบ ฝาครอบฝุ่น สายและขั้วต่อเป็นระยะ
13. สรุป
การเข้าใจพารามิเตอร์สำคัญของเอนโค้ดเดอร์จะช่วยให้สามารถเลือกและรวมระบบได้อย่างเหมาะสม ส่งผลให้ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมมีประสิทธิภาพและความปลอดภัยยิ่งขึ้น พารามิเตอร์หลักได้แก่:
- ความละเอียด·ความแม่นยำ·ความซ้ำ: กำหนดความแม่นยำในการควบคุมตำแหน่งและความนุ่มนวลของการเคลื่อนไหว
- ความเร็วสูงสุด·การตอบสนองความถี่: ป้องกันการหลุดพัลส์และบิดเบือนสัญญาณในงานความเร็วสูง
- ระดับ IP·ภาระแบริ่ง: รับประกันอายุการใช้งานที่เสถียรในสภาพแวดล้อมท้าทายและภาระสูง
- ความเข้ากันได้ทางไฟฟ้า·อินเทอร์เฟซการสื่อสาร: เชื่อมต่อกับไดรเวอร์ PLC และเครือข่ายอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น
- ความปลอดภัยเชิงฟังก์ชัน·การสำรอง: ตอบสนองความต้องการความน่าเชื่อถือด้านความปลอดภัยในงานวิกฤต
การเข้าใจความหมายและมาตรฐานการทดสอบของพารามิเตอร์เหล่านี้จะช่วยให้ตัดสินใจเลือก ติดตั้ง และบำรุงรักษาเอนโค้ดเดอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัยสูงสุด