انکودر چیست و کاربرد آن در کجاست؟

اگر در حوزه برق صنعتی، کنترل حرکت یا اتوماسیون صنعتی فعالیت می‌کنید، احتمالاً این سؤال برای شما پیش آمده است که انکودر چیستو چه نقشی در این سیستم‌ها ایفا می‌کند؟

تعریف انکودر

انکودر (Encoder)نوعی حسگر یا مبدل الکترومکانیکی است که وظیفه داردحرکت مکانیکی— چه به صورتخطیو چهچرخشی— را بهسیگنال الکتریکیتبدیل کند. این سیگنال‌ها می‌توانند دیجیتال یا آنالوگ باشند و به سیستم‌های کنترلی مانندPLC،اینورتریاسرو درایوارسال می‌شوند تا اطلاعاتی مانند:

• سرعت چرخش
• موقعیت دقیق شفت
• جهت حرکت

را برای پردازش و تصمیم‌گیری ارائه دهند.

برخی ازخروجی دیجیتال تولید می‌کنند (پالس‌های صفر و یک)، در حالی که برخی دیگر سیگنال‌های آنالوگ با ولتاژ 0 تا 10 ولت یا جریان 4 تا 20 میلی‌آمپر ارائه می‌دهند

معرفی انواع انکودرها

1– از لحاظ ساختمان

•  خطی
•  چرخشی و یا دورانی

2 از لحاظ عملکرد و ساختمان داخلی

•  نوری
•  مغناطیسی
•  خازنی

3–انکودرها از نظر نوع خروجی سیگنال

•  مطلق
•  افزایشی

کاربرد انکودر چیست

در صنعت نقش بسیار کلیدی دارند. در ادامه چند مورد ازکاربردهای مهم را بررسی می‌کنیم:

1. اندازه‌گیری سرعت موتور

فرض کنید شما قصد دارید سرعت یکموتور الکتریکیرا با استفاده از اینورتر کنترل کنید. اگرچه می‌توان سرعت موتور را افزایش یا کاهش داد، اما برایحفظ دقیق سرعت در مقدار مشخصنیاز به یک سیستم بازخورد (فیدبک) دارید. اینجا دقیقاً جایی است که انکودر وارد عمل می‌شود. انکودر با ارسال اطلاعات لحظه‌ای از سرعت واقعی موتور، به کنترلر کمک می‌کند تا سرعت را روی عدد دلخواهثابت نگه دارد.

2. کنترل و اندازه‌گیری موقعیت

در بسیاری از ماشین‌آلات صنعتی ماننددستگاه‌های بسته‌بندی، چاپ، CNC یا نوار نقاله‌هانیاز است که یک قطعه یا محصول، دقیقاً تا یک نقطه خاص حرکت کند و در همان‌جا متوقف شود. در این موارد،  با اندازه‌گیری میزان چرخش و در نظر گرفتن نسبت گیربکس و کوپلینگ، موقعیت دقیق را مشخص می‌کند. به این فرایندکنترل موقعیتگفته می‌شود.

3. تشخیص جهت چرخش

یکی دیگر از وظایف مهم  مشخص‌کردنجهت چرخش شفتاست. این موضوع به‌ویژه در سیستم‌های دقیق مانندرباتیک، آسانسور یا سرو موتورهای دوطرفهبسیار اهمیت دارد.

کاربرد شفت انکودر به زبانی ساده

فرض کنید می‌خواهیدسرعت یک موتور الکتریکیرا کنترل کنید. اگر تنها از طریق یکاینورترفرمان افزایش یا کاهش سرعت را به موتور بدهید، در ظاهر سرعت را کنترل کرده‌اید. اما مشکل زمانی بروز می‌کند که بخواهید سرعت موتور راروی یک مقدار دقیق و ثابتنگه دارید. در این شرایط، نیاز بهفیدبک (بازخورد)از موتور دارید. چرا که باید بدانید آیا سرعت واقعی موتور همان مقداری است که شما تنظیم کرده‌اید یا خیر. اینجاست کهیکی از مهم‌ترین کاربردهای انکودر، یعنی اندازه‌گیری سرعت واقعی موتوراهمیت پیدا می‌کند.

از طرف دیگر، در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند خطوط بسته‌بندی، لازم است یکنوار نقاله یا قطعه مکانیکیبه اندازه‌ای مشخص حرکت کرده و دقیقاً در نقطه‌ای مشخص متوقف شود. برای دستیابی به چنین دقتی، از انکودر استفاده می‌شود.  با اندازه‌گیری تعداد پالس‌ها و در نظر گرفتن ضرایبی مثلگیربکس و کوپلینگ، میزان حرکت یامسافت طی‌شدهرا محاسبه می‌کند. به این نوع کنترل،کنترل موقعیت (Position Control)گفته می‌شود که یکی از رایج‌ترین کاربردهای  در صنعت، به‌ویژه در دستگاه‌هایپرکن، بسته‌بندی و ماشین‌آلات دقیقاست.

انواع انکدرها یا انکودرها

انکدرهای نوری در واقع یک فرستنده و گیرنده LED هستند که با قطع نور به ازای چرخش شفت انکدر در خروجی تولید پالس های الکتریکی می کنند که از همین قانون برای انکدر های خازنی و مغناطیسی هم استفاده می شود.

1– انکدرهای چرخشی افزایشییا Incremental rotary encoders

انکدرهای افزایشییکی از رایج‌ترین انواع چرخشی هستند که در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد این نوع انکدر به این صورت است کهتا زمانی که شفت انکدر در حال چرخش باشد، در خروجی پالس‌های دیجیتالی تولید می‌شود. این پالس‌ها توسط کنترلر یا سیستم خوانش (مانند PLC یا درایو) شمارش می‌شوند تا اطلاعاتی مانندسرعت، جهت چرخش و موقعیت نسبیبه دست آید.

ویژگی‌های انکدر افزایشی

• در این مدل ،مقدار موقعیت دقیق به صورت مستقیم در خروجی وجود ندارد؛ بلکه باشمارش تعداد پالس‌هامی‌توان موقعیت را تشخیص داد.
• اگر کنترلر خاموش شود (مثلاً به‌دلیل قطع تغذیه)، با روشن شدن دوباره،موقعیت قبلی ااز دست می‌رود، چرا که موقعیت به‌صورت نسبی بوده و در حافظه انکودر ذخیره نمی‌شود.
• به همین دلیل، پس از راه‌اندازی مجدد سیستم، باید موقعیت جدیداز صفر یا نقطه مرجع (Home Position)مجدداً محاسبه شود.

مزایا و معایب انکودر افزایشی

مزیت اصلیانکودرهای افزایشی،ساختار ساده و قیمت مقرون‌به‌صرفهآن‌هاست. امایکی از معایب مهماین انکودرها این است که نمی‌توانندموقعیت مطلق و دقیقرا پس از خاموشی حفظ کنند. به همین خاطر در سیستم‌هایی که نیاز به موقعیت‌یابی دقیق حتی پس از قطع برق دارند، از مطلق (Absolute Encoder)استفاده می‌شود.

2– انکدرهای چرخشی مطلقیا Absolute rotary encoders

انکدرهای مطلقنوعی از  چرخشی هستند که بر خلاف  افزایشی، درهر لحظه موقعیت دقیق شفت را به صورت منحصربه‌فرد مشخص می‌کنند. در این نوع انکدر، برای هر زاویه از چرخش شفت،یک کد یا مقدار یونیکتعریف شده است. بنابراین، وقتی شفت در یک موقعیت خاص قرار دارد،سیگنال خروجی انکدر دقیقاً نمایانگر همان موقعیت است، بدون نیاز به شمارش پالس‌ها.

عملکرد انکدرهای مطلق

در  مطلق، موقعیت با استفاده از یک کد دیجیتال چندبیتی (مثل باینری، گری یا باینری منعکس‌شده) به خروجی منتقل می‌شود. این بدان معناست که:

• حتی پس از قطع و وصل شدن تغذیه یا ریست شدن کنترلر،موقعیت شفت حفظ می‌شود.
• نیازی به مرجع‌گیری مجدد یا شمارش از صفر نیست.
• در هر لحظه می‌توان با خواندن سیگنال خروجی،مکان دقیق شفترا مشخص کرد.

تفاوت انکدر مطلق و افزایشی

در حالی که انکدرهای افزایشی فقطتغییرات موقعیترا با پالس‌های متوالی نمایش می‌دهند، انکدرهای مطلقمقدار موقعیت مطلق و دقیق را بدون وابستگی به حرکت یا شمارش قبلیارائه می‌دهند.

مزایا و معایب انکدر مطلق

مزایا:

• حفظ موقعیت حتی پس از قطع برق یا ریست سیستم
• دقت و اطمینان بالا در کنترل موقعیت
• مناسب برای کاربردهایی که به ایمنی و موقعیت‌یابی دقیق نیاز دارند

3– انکدرهای چرخشی مغناطیسییا Magnetic rotary encoders

انکدرهای چرخشی مغناطیسییکی دیگر از انواع رایج انکدرها در صنعت هستند که عملکردی مشابه انکدرهای افزایشی دارند، اما با یک تفاوت کلیدی در نحوه تولید پالس‌ها. در این نوع انکدر، به‌جای استفاده از حسگرهای نوری، ازسنسورهای اثر هال (Hall Effect Sensors)برای تشخیص موقعیت و تولید پالس استفاده می‌شود.

عملکرد انکدر مغناطیسی

در انکدرهای مغناطیسی، یکآهن‌ربای دائمیروی شفت نصب می‌شود و با چرخش آن، میدان مغناطیسی تغییر می‌کند. این تغییر توسط سنسورهای اثر هال تشخیص داده شده و بهپالس‌های الکتریکیتبدیل می‌شود. این سیگنال‌ها همانند انکدرهای افزایشی، برایاندازه‌گیری سرعت، جهت حرکت و موقعیت نسبیمورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزایا و ویژگی‌ها

• اندازه‌گیری قابل‌اطمینان حتی در شرایطی که انکدرهای نوری ممکن است دچار اختلال شوند
• مقاومت بالا در برابر گرد و غبار، رطوبت و لرزشبه دلیل عدم استفاده از قطعات نوری
• مناسب برایمحیط‌های صنعتی سخت و خشن

انکودر مغناطیسی چرخشیانتخابی ایده‌آل برای صنایعی است که شرایط محیطی نامناسب دارند. این نوع انکدر با استفاده از فناوری اثر هال، عملکردی پایدار و دقیق در اندازه‌گیری‌های حرکتی فراهم می‌کند، هرچند از نظر دقت ممکن است نسبت به انکدرهای نوری در برخی کاربردهای حساس، پایین‌تر باشد.

4– انکدر چرخشی سینوسی-کسینوسی یا رزولور (Resolver)

انکدرهای سینوسی و کسینوسیکه با نام تخصصی‌تررزولور (Resolver)نیز شناخته می‌شوند، نوعی از انکدرهای چرخشی هستند که با انکدرهای افزایشی و مطلق تفاوت اساسی دارند. اصلی‌ترین تفاوت آن‌ها در نحوه تولید سیگنال خروجی است.

عملکرد انکدر سینوسی-کسینوسی

بر خلاف انکدرهای افزایشی یا مطلق کهخروجی دیجیتال(پالس‌های ۰ و ۱) تولید می‌کنند، انکدرهای سینوسی-کسینوسیسیگنال‌های آنالوگ سینوسی و کسینوسیرا در خروجی ارسال می‌کنند. با تحلیل این سیگنال‌ها می‌توان به اطلاعات زیر دست یافت:

• موقعیت دقیق شفتبا دقت بالا
• سرعت چرخشبا اندازه‌گیری فرکانس سیگنال‌ها
• جهت حرکتبا بررسی اختلاف فاز بین سیگنال‌های سینوس و کسینوس

ویژگی‌ها و کاربردها

• دقت بالا در اندازه‌گیری، مخصوصاً در کاربردهایی با نویز زیاد یا نیاز به کنترل دقیق موقعیت
• مقاومت بالا در برابر شرایط سخت محیطی (گرما، لرزش، گردوغبار)
• استفاده گسترده درسیستم‌های سروو، صنایع هوافضا، تجهیزات نظامی و ماشین‌آلات دقیق

تفاوت رزولورها با انکدرهای دیجیتال

• خروجی آنالوگبه‌جای دیجیتال
• قابلیت عملکرد دقیق درشرایط سخت‌ترنسبت به انکدرهای نوری یا مغناطیسی
• نیاز بهمبدل‌های خاص (Resolver-to-Digital Converter)برای تبدیل سیگنال‌ها به داده‌های قابل‌استفاده در کنترلر

5– انکدر خطی افزایشی یا Linear Incremental Encoder

انکدرهای افزایشی خطیعملکردی مشابه با انکدرهای چرخشی افزایشی دارند، با این تفاوت که به‌جای حرکت دورانی،برای اندازه‌گیری حرکت به‌صورت خطی طراحی شده‌اند. این نوع انکدرها در سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که نیاز بهاندازه‌گیری موقعیت یا سرعت در یک مسیر مستقیموجود دارد.

عملکرد انکدر خطی افزایشی

در این انکدرها، با حرکت خطی حسگر بر روی یک نوار یا مقیاس خطی (که می‌تواند نوری، مغناطیسی یا نوار فلزی با کدگذاری خاص باشد)،پالس‌های دیجیتالتولید می‌شود. این پالس‌ها مانند انکدر چرخشی افزایشی برای محاسبه:

• میزان جابجایی خطی
• سرعت حرکت
• جهت حرکت

مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ویژگی‌ها و کاربردها

• ساده، دقیق و مقرون‌به‌صرفهبرای اندازه‌گیری‌های خطی
• استفاده در دستگاه‌های CNC، پرینترهای صنعتی، ماشین‌آلات بسته‌بندی، خطوط تولید اتوماتیک و تجهیزات اندازه‌گیری
• قابلیت اندازه‌گیری حرکت در فواصل کوتاه تا بلند بسته به نوع طراحی

تفاوت با انکدر چرخشی

• نوع حرکت: خطی به‌جای دورانی
• ظاهر: طراحی کشیده و خطی به جای طراحی دایره‌ای یا شفت‌محو