بررسی شفت انکودر افزایشی

در دنیای پویای اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های کنترل حرکت دقیق، سنسورها نقش محوری ایفا می‌کنند. انکودرها به عنوان ابزارهای حیاتی، اطلاعات مربوط به موقعیت زاویه‌ای، سرعت و حتی جهت چرخش را با تبدیل حرکت مکانیکی به سیگنال‌های الکتریکی فراهم می‌سازند.

در میان انواع گوناگون انکودرها، شفت انکودرها که مستقیماً به محور چرخان ماشین آلات متصل می‌شوند، کاربرد گسترده‌ای دارند. این انکودرها به دو دسته اصلی افزایشی (Incremental) و مطلق (Absolute) تقسیم می‌شوند. مقاله حاضر به بررسی جامع و تخصصی شفت انکودرهای افزایشی، اصول عملکرد، اجزاء، مزایا و محدودیت‌های آن‌ها اختصاص دارد. مجموعه تکنیل به عنوان ارائه دهنده تخصصی انواع انکودر، راهکارهای متنوعی را برای کاربردهای مختلف صنعتی ارائه میدهد.

شفت انکودر افزایشی چیست؟

شفت انکودر افزایشی یک حسگر موقعیت و سرعت دورانی است که با اتصال به محور چرخان موتورها یا مکانیزم‌ها، حرکت مکانیکی را به پالس‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. این پالس‌ها توسط سیستم کنترل (مانند PLC یا کنترلر حرکت) شمارش شده و اطلاعات مربوط به میزان چرخش (موقعیت نسبی) و سرعت (فرکانس پالس‌ها) محور را فراهم می‌سازند. کاربرد اصلی این انکودرها در سیستم‌های کنترل فیدبک برای تنظیم دقیق سرعت و ردیابی موقعیت است.

برخلاف انکودرهای مطلق که موقعیت منحصربه‌فردی را برای هر زاویه ارائه می‌دهند، انکودرهای افزایشی تنها تغییرات موقعیت را نسبت به یک نقطه مرجع مشخص گزارش می‌کنند. این بدان معناست که پس از هر بار روشن شدن سیستم یا وقوع اختلال، نیاز به انجام یک فرآیند “هومینگ” (Homing) یا یافتن نقطه صفر اولیه برای تعیین موقعیت دقیق وجود دارد. سادگی ساختار و هزینه مقرون‌به‌صرفه، آن‌ها را به انتخابی رایج در بسیاری از کاربردهای صنعتی تبدیل کرده است.

اصول عملکرد کلی

اصل عملکرد شفت انکودرهای افزایشی بر اساس تشخیص تناوبی یک الگو روی یک دیسک چرخان استوار است. این دیسک که به شفت مورد نظر متصل می‌شود، دارای الگوهایی مانند شکاف‌های نوری، قطب‌های مغناطیسی، یا نواحی با ظرفیت خازنی متفاوت است. یک سنسور ثابت، عبور این الگوها را هنگام چرخش دیسک تشخیص داده و بر اساس آن، سیگنال‌های الکتریکی پالسی تولید می‌کند.

سیگنال‌های پالسی تولید شده توسط سنسور نشان‌دهنده گام‌های کوچک حرکت چرخشی هستند. تعداد پالس‌ها در واحد زمان (فرکانس) متناسب با سرعت چرخش است و تعداد کل پالس‌های شمارش شده پس از یک نقطه شروع، نشان‌دهنده میزان جابجایی زاویه‌ای یا موقعیت نسبی است. سیستم‌های کنترل از این پالس‌ها برای محاسبه دقیق سرعت، شتاب و موقعیت لحظه‌ای شفت استفاده می‌کنند.

انواع انکودرهای افزایشی بر اساس تکنولوژی سنسور

انکودرهای افزایشی بسته به روش فیزیکی که برای تشخیص الگوی روی دیسک و تولید پالس استفاده می‌کنند، در انواع مختلفی تولید می‌شوند. این تنوع امکان انتخاب انکودر متناسب با شرایط محیطی و نیازهای کاربرد را فراهم می‌آورد. سه تکنولوژی اصلی در ساخت انکودرهای افزایشی شامل نوری، مغناطیسی و خازنی هستند که هر کدام مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند.

انتخاب تکنولوژی سنسور تأثیر مستقیمی بر عملکرد انکودر در محیط‌های مختلف دارد. به عنوان مثال، در محیط‌های تمیز و کنترل شده، انکودرهای نوری به دلیل دقت بالا و وضوح عالی ترجیح داده می‌شوند، در حالی که در شرایط سخت صنعتی با وجود گرد و غبار، رطوبت یا ارتعاش بالا، انکودرهای مغناطیسی به دلیل مقاومت بیشتر، انتخاب مناسب‌تری هستند. انکودرهای خازنی نیز ترکیبی از دقت و مقاومت محیطی را ارائه می‌دهند.

انکودرهای نوری (Optical)

انکودرهای نوری رایج‌ترین نوع انکودر افزایشی هستند و بر اساس عبور یا مسدود شدن نور از طریق شکاف‌های روی یک دیسک کدگذاری شده عمل می‌کنند. یک منبع نوری (مانند LED) در یک طرف دیسک قرار دارد و یک سنسور نوری (مانند فتودیود یا فتوتزانزیستور) در طرف دیگر. چرخش دیسک باعث می‌شود که شکاف‌ها نور را به سنسور برسانند (پالس بالا) یا بخش‌های مات نور را مسدود کنند (پالس پایین)، و این تغییرات، سیگنال‌های مربعی ایجاد می‌کند.

دقت و وضوح بالا از مهم‌ترین ویژگی‌های انکودرهای نوری است که آن‌ها را برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق حرکت در گام‌های بسیار کوچک دارند، ایده‌آل می‌کند. با این حال، این انکودرها نسبت به آلودگی‌هایی مانند گرد و غبار، روغن، یا چربی بسیار حساس هستند، زیرا این مواد می‌توانند شکاف‌ها را مسدود کرده یا مسیر نور را منحرف کنند و باعث از دست رفتن پالس یا خطا در اندازه‌گیری شوند.

انکودرهای مغناطیسی (Magnetic)

انکودرهای مغناطیسی از تغییرات میدان مغناطیسی برای تولید سیگنال‌های پالسی استفاده می‌کنند. دیسک کدگذاری شده در این انکودرها دارای نواحی مغناطیسی با قطبیت‌های متناوب (شمال و جنوب) است. یک سنسور مغناطیسی مانند سنسور اثر هال (Hall effect) یا مگنتورزیستیو (Magnetoresistive) که در نزدیکی دیسک قرار دارد، هنگام چرخش دیسک و عبور قطب‌های مغناطیسی، تغییرات میدان را تشخیص داده و سیگنال الکتریکی متناظر تولید می‌کند.

مزیت اصلی انکودرهای مغناطیسی مقاومت بالای آن‌ها در برابر شرایط محیطی سخت است. گرد و غبار، رطوبت، روغن و لرزش تأثیر کمتری بر عملکرد آن‌ها نسبت به انکودرهای نوری دارند، که آن‌ها را برای استفاده در محیط‌های صنعتی خشن مناسب می‌سازد. اگرچه ممکن است در گذشته دقت آن‌ها کمی پایین‌تر از انکودرهای نوری بسیار بالا بود، اما تکنولوژی‌های جدید مغناطیسی به سرعت در حال پیشرفت بوده و وضوح‌های بسیار بالایی را ارائه می‌دهند.

انکودرهای خازنی (Capacitive)

انکودرهای خازنی از اصول تغییرات ظرفیت الکتریکی برای تشخیص موقعیت شفت استفاده می‌کنند. این انکودرها معمولاً شامل یک دیسک فرستنده، یک روتور با الگوی خاص، و یک گیرنده هستند. چرخش روتور باعث تغییر الگوی پوشش بین فرستنده و گیرنده می‌شود که این تغییر به نوبه خود، ظرفیت الکتریکی بین آن‌ها را تغییر می‌دهد. سنسورهای داخلی این تغییرات ظرفیت را به سیگنال‌های دیجیتال پالسی تبدیل می‌کنند.

انکودرهای خازنی مزایایی از هر دو نوع نوری و مغناطیسی را ارائه می‌دهند؛ آن‌ها می‌توانند دقت نسبتاً بالایی داشته باشند و در عین حال مقاومت خوبی در برابر برخی آلودگی‌ها از خود نشان می‌دهند. ساختار آن‌ها می‌تواند در برابر گرد و غبار و رطوبت مقاوم باشد. اگرچه کمتر از دو نوع دیگر در کاربردهای عمومی صنعتی رایج هستند، اما در برخی تجهیزات خاص مانند تجهیزات پزشکی یا کاربردهایی که نیاز به تعادلی بین دقت و مقاومت محیطی دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیگنال‌های خروجی و کانال‌ها

انکودرهای افزایشی اطلاعات حرکت را به صورت سیگنال‌های الکتریکی پالسی در چندین کانال خروجی ارائه می‌دهند. این سیگنال‌ها عموماً به شکل امواج مربعی هستند و توسط کنترلر برای محاسبه سرعت، جهت و مسافت طی شده پردازش می‌شوند. کانال‌های اصلی و استاندارد شامل کانال‌های A، B و در برخی موارد کانال Z (ایندکس) می‌باشند.

• کانال A و B: این دو کانال پالس‌هایی با اختلاف فاز ۹۰ درجه الکتریکی نسبت به یکدیگر تولید می‌کنند. این اختلاف فاز امکان تشخیص جهت چرخش را فراهم می‌آورد؛ اگر سیگنال A جلوتر از B باشد، جهت در یک سو است و اگر B جلوتر از A باشد، جهت معکوس است. فرکانس پالس‌ها در هر یک از این کانال‌ها نیز نشان‌دهنده سرعت چرخش است.
• کانال Z (ایندکس): این کانال یک پالس تکی در هر دور کامل چرخش (۳۶۰ درجه مکانیکی) تولید می‌کند. این پالس معمولاً در یک نقطه خاص و تکرار شونده از چرخش (مانند نقطه صفر درجه) ظاهر می‌شود و به عنوان نقطه مرجع برای کالیبراسیون یا تعیین موقعیت اولیه (هومینگ) سیستم استفاده می‌شود.
• سیگنال‌های مکمل (Differential): برای افزایش مقاومت در برابر نویز، بسیاری از انکودرها علاوه بر سیگنال‌های A، B و Z، سیگنال‌های معکوس آن‌ها (Ā، B̄، Z̄) را نیز ارائه می‌دهند. استفاده از این سیگنال‌های تفاضلی با گیرنده‌های مناسب، امکان حذف نویزهای مشترک در مسیر کابل را فراهم کرده و قابلیت اطمینان انتقال داده را در فواصل طولانی یا محیط‌های پر نویز بالا می‌برد.

کانال A و B

کانال‌های A و B دو خروجی اصلی هر انکودر افزایشی هستند که اساس اندازه‌گیری سرعت و جهت را تشکیل می‌دهند. این دو کانال به طور همزمان پالس‌های مربعی تولید می‌کنند، اما سیگنال یکی (مثلاً B) به اندازه یک‌چهارم سیکل (۹۰ درجه الکتریکی) نسبت به دیگری (A) عقب‌تر یا جلوتر است. این اختلاف فاز ۹۰ درجه قلب تشخیص جهت حرکت است.

کنترلر با نظارت بر ترتیب تغییر حالت (لبه‌های بالا رونده یا پایین رونده) سیگنال‌های A و B، می‌تواند تعیین کند که شفت در کدام جهت در حال چرخش است. به عنوان مثال، اگر هنگام بالا رفتن سیگنال A، سیگنال B در سطح پایین باشد، جهت چرخش در یک سمت است و اگر در سطح بالا باشد، جهت مخالف است. شمارش لبه‌ها در این دو کانال (که می‌تواند تا چهار برابر PPR انکودر برای افزایش وضوح به کار رود) مبنای محاسبه دقیق موقعیت نسبی است.

کانال Z (Index)

کانال Z، که گاهی به آن کانال مرجع یا ایندکس نیز گفته می‌شود، نقش حیاتی در تعیین نقطه صفر یا موقعیت خانه در سیستم‌های مبتنی بر انکودر افزایشی ایفا می‌کند. این کانال در هر دور کامل چرخش شفت انکودر، تنها یک پالس تولید می‌کند. این پالس معمولاً بسیار باریک‌تر از پالس‌های A و B بوده و در یک موقعیت زاویه‌ای مشخص و ثابت از هر چرخش ظاهر می‌شود.

کاربرد اصلی پالس Z در فرآیندهای هومینگ (Homing) یا کالیبراسیون است. پس از روشن شدن سیستم یا پس از وقوع خطا، سیستم کنترل شفت را به چرخش در می‌آورد تا زمانی که پالس Z شناسایی شود. این نقطه به عنوان موقعیت مرجع یا صفر سیستم تنظیم می‌گردد و تمام اندازه‌گیری‌های موقعیت بعدی نسبت به این نقطه انجام می‌شوند. این پالس همچنین می‌تواند برای شمارش دقیق تعداد دورهای کامل چرخش استفاده شود.

سیگنال‌های مکمل (Differential)

سیگنال‌های مکمل (معمولاً به صورت Ā و B̄ و Z̄ نشان داده می‌شوند) نسخه‌های معکوس یا ناتمام سیگنال‌های اصلی A، B و Z هستند. به این معنی که وقتی سیگنال A بالا است، Ā پایین است و برعکس. این سیگنال‌ها معمولاً در کنار سیگنال‌های اصلی از طریق کابل‌های مجزا (معمولاً زوج سیم‌های تابیده شده) ارسال می‌شوند و برای پیاده‌سازی ارتباط تفاضلی (Differential Signaling) به کار می‌روند.

مزیت اصلی استفاده از سیگنال‌های مکمل، مقاومت فوق‌العاده بالای آن‌ها در برابر نویزهای الکتریکی محیطی است. در محیط‌های صنعتی که میدان‌های الکترومغناطیسی و نویزهای مختلف وجود دارند، هر دو سیم حامل سیگنال اصلی و مکمل به طور مشابه تحت تأثیر نویز قرار می‌گیرند (نویز Common-Mode). گیرنده تفاضلی با مقایسه ولتاژ بین سیگنال و مکمل آن، می‌تواند نویز مشترک را حذف کرده و تنها تفاوت ولتاژ واقعی (که همان سیگنال مورد نظر است) را تشخیص دهد. این روش امکان انتقال مطمئن سیگنال‌ها در فواصل طولانی کابل را فراهم می‌کند.

وضوح (Resolution) انکودر افزایشی

وضوح یا رزولوشن (Resolution) انکودر افزایشی یک مشخصه کلیدی است که دقت اندازه‌گیری آن را تعیین می‌کند. وضوح مشخص می‌کند که انکودر در هر چرخش کامل شفت یا در هر واحد طول (برای انکودرهای خطی)، چه تعداد پالس خروجی تولید می‌کند. هرچه وضوح بالاتر باشد، تعداد پالس‌ها بیشتر و در نتیجه گام‌های اندازه‌گیری کوچک‌تر و دقیق‌تر خواهند بود.

واحد اصلی وضوح برای شفت انکودرهای افزایشی PPR (Pulses Per Revolution) است. این عدد نشان‌دهنده تعداد پالس‌هایی است که انکودر در یک دور کامل ۳۶۰ درجه مکانیکی شفت خروجی می‌دهد (معمولاً تعداد پالس‌های کانال A یا B در یک دور). برای مثال، یک انکودر با وضوح ۱۰۰۰ PPR، هر ۳۶۰ درجه چرخش را به ۱۰۰۰ پالس تقسیم می‌کند، که معادل گام‌های ۰.۳۶ درجه برای هر پالس است.

PPR (Pulses Per Revolution)

PPR مستقیماً به تعداد خطوط یا الگوهایی روی دیسک کدگذاری شده در انکودر نوری یا مغناطیسی اشاره دارد که توسط سنسور در یک دور کامل شناسایی می‌شوند و منجر به تولید پالس در یکی از کانال‌های A یا B می‌شوند. به عبارت دیگر، هر PPR یک “تیغ” یا “خط” روی دیسک را نشان می‌دهد که عبور آن از مقابل سنسور، یک پالس ایجاد می‌کند.

انتخاب PPR مناسب به نیاز کاربرد برای دقت اندازه‌گیری بستگی دارد. در کاربردهایی که نیاز به کنترل حرکت بسیار دقیق یا اندازه‌گیری موقعیت در گام‌های بسیار ریز است (مانند ماشین‌آلات CNC دقیق یا رباتیک)، انکودرهایی با PPR بالا (مانند ۵۰۰۰، ۱۰،۰۰۰ یا حتی بیشتر) مورد نیاز هستند. در حالی که برای اندازه‌گیری‌های سرعت عمومی یا کنترل موقعیت درشت‌تر (مانند نوار نقاله‌ها)، PPR های پایین‌تر نیز کفایت می‌کنند.

LPI (Lines Per Inch/Increment)

LPI واحدی است که عمدتاً برای انکودرهای خطی افزایشی به کار می‌رود و نشان‌دهنده تعداد خطوط یا پالس‌هایی است که سنسور به ازای هر اینچ حرکت خطی تشخیص می‌دهد. اگرچه این مقاله بر شفت انکودرهای دورانی متمرکز است، اما مفهوم LPI ریشه در همان اصل اندازه‌گیری افزایشی دارد: شمارش گام‌های کوچک برای تعیین جابجایی کلی.

در زمینه انکودرهای افزایشی به طور کلی، درک LPI کمک می‌کند تا مفهوم “وضوح” به عنوان تقسیم حرکت (چه دورانی با PPR و چه خطی با LPI) به گام‌های قابل شمارش درک شود. برای انکودرهای دورانی شفت، تمرکز اصلی بر PPR است که معادل LPI در دنیای حرکت خطی افزایشی محسوب می‌شود و دقت اندازه‌گیری زاویه‌ای را مستقیماً مشخص می‌کند.

انواع خروجی الکترونیکی

سیگنال‌های پالسی تولید شده توسط بخش سنسور انکودر باید به فرم الکتریکی مناسبی تبدیل شوند تا توسط سیستم کنترل دریافت و پردازش گردند. انواع مختلفی از مدارهای خروجی الکترونیکی در انکودرهای افزایشی وجود دارد که با ولتاژهای تغذیه مختلف (مانند 5V TTL، 12V، 24V) کار کرده و ویژگی‌های جریان‌دهی و مقاومت در برابر نویز متفاوتی دارند. انتخاب نوع خروجی باید با ورودی کنترلر یا درایو مطابقت داشته باشد.

سه نوع خروجی رایج در انکودرهای افزایشی شامل خروجی کلکتور باز (Open Collector)، خروجی پوش-پول (Push-Pull) و خروجی لاین درایور (Line Driver) هستند. هر یک از این انواع خروجی برای شرایط خاصی از نظر مسافت کابل‌کشی، سطح نویز محیط و نوع ورودی دستگاه دریافت کننده مناسب هستند. درک تفاوت‌های این خروجی‌ها برای اطمینان از سازگاری الکتریکی و عملکرد مطمئن انکودر ضروری است.

کلکتور باز (Open Collector)

خروجی کلکتور باز یکی از ساده‌ترین انواع خروجی انکودر است. در این نوع خروجی، خروجی ترانزیستور در داخل انکودر به صورت “باز” باقی می‌ماند و برای تکمیل مدار و کشیدن سیگنال به سطح ولتاژ بالا، نیاز به یک مقاومت Pull-Up خارجی دارد. این مقاومت معمولاً در سمت دستگاه دریافت کننده (کنترلر) قرار می‌گیرد و خروجی را به ولتاژ تغذیه متصل می‌کند.

وقتی ترانزیستور خروجی انکودر روشن می‌شود، مسیر جریان به سمت زمین باز می‌شود و ولتاژ خروجی به سمت صفر ولت کشیده می‌شود (سطح پایین). وقتی ترانزیستور خاموش است، مقاومت Pull-Up ولتاژ خروجی را به سمت ولتاژ تغذیه بالا می‌کشد (سطح بالا). این نوع خروجی برای فواصل کابل‌کشی کوتاه و محیط‌های کم نویز مناسب است و امکان انعطاف‌پذیری در انتخاب ولتاژ Pull-Up را فراهم می‌کند.

پوش-پول (Push-Pull / Totem-Pole)

خروجی پوش-پول که گاهی به آن Totem-Pole نیز گفته می‌شود، از دو ترانزیستور یا ماسفت در پیکربندی مکمل برای هدایت سیگنال استفاده می‌کند. یکی از ترانزیستورها سیگنال را به سمت ولتاژ تغذیه “فشار” می‌دهد (سطح بالا) و دیگری سیگنال را به سمت زمین “کشیده” (سطح پایین). این ساختار امکان هدایت فعال جریان در هر دو جهت را فراهم می‌کند.

برخلاف خروجی کلکتور باز، خروجی پوش-پول نیازی به مقاومت Pull-Up خارجی ندارد، زیرا خودش می‌تواند سیگنال را به هر دو سطح بالا و پایین برساند. این نوع خروجی سیگنال‌های قوی‌تری نسبت به کلکتور باز تولید می‌کند و برای فواصل کابل‌کشی متوسط و محیط‌هایی با سطح نویز معمولی مناسب‌تر است. سرعت سوئیچینگ آن‌ها نیز معمولاً بالاتر از کلکتور باز است.

لاین درایور (Line Driver)

خروجی لاین درایور پیچیده‌ترین و مقاوم‌ترین نوع خروجی در برابر نویز است و معمولاً از استاندارد ارتباطی RS422 تبعیت می‌کند. این نوع خروجی همیشه از سیگنال‌های تفاضلی (A/Ā, B/B̄, Z/Z̄) استفاده می‌کند و سیگنال را به صورت اختلاف ولتاژ بین یک زوج سیم ارسال می‌کند. در سمت گیرنده، یک لاین رسیور تفاضلی این سیگنال را دریافت و بازسازی می‌کند.

لاین درایور به دلیل ماهیت تفاضلی، مقاومت بسیار بالایی در برابر نویزهای محیطی دارد، زیرا نویزهای مشترک که هر دو سیم زوج را تحت تأثیر قرار می‌دهند، توسط گیرنده تفاضلی حذف می‌شوند. این ویژگی باعث می‌شود که لاین درایور برای انتقال سیگنال انکودر در فواصل کابل‌کشی طولانی (تا صدها متر) و در محیط‌های صنعتی با سطح نویز الکتریکی بالا، ایده‌آل باشد. استفاده از کابل‌های زوج سیم تابیده شده و شیلدینگ مناسب در کنار لاین درایور، حداکثر اطمینان را فراهم می‌آورد.

مزایا و معایب انکودرهای افزایشی

انتخاب شفت انکودر افزایشی برای یک کاربرد خاص مستلزم درک مزایا و محدودیت‌های ذاتی این نوع انکودر است. مزایای آن‌ها اغلب شامل سادگی، هزینه کمتر و قابلیت اطمینان در شرایط عملکرد عادی است، که آن‌ها را برای طیف وسیعی از کاربردهای اتوماسیون صنعتی مناسب می‌سازد.

با این حال، معایبی نیز وجود دارند که باید در نظر گرفته شوند. اصلی‌ترین محدودیت، عدم حفظ موقعیت مطلق پس از قطع برق یا از دست دادن پالس است که نیاز به فرآیندهای بازیابی موقعیت را ضروری می‌سازد. همچنین، در محیط‌های بسیار پرنویز بدون استفاده از خروجی‌های تفاضلی، امکان خطا در شمارش پالس‌ها وجود دارد.

مزایا

یکی از برجسته‌ترین مزایای انکودرهای افزایشی، ساختار نسبتاً ساده و در نتیجه هزینه کمتر آن‌ها در مقایسه با انکودرهای مطلق با وضوح مشابه است. این موضوع آن‌ها را به گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای بسیاری از کاربردهای صنعتی تبدیل کرده است. همچنین، انکودرهای افزایشی عموماً قادر به عملکرد در سرعت‌های دورانی بالا هستند و زمان پاسخگویی سریعی دارند که برای کاربردهای کنترل سرعت دینامیک اهمیت دارد.

مزیت دیگر قابلیت دسترسی آن‌ها در وضوح‌های بسیار متنوع و بالا (خصوصاً در انواع نوری) است. این امکان اندازه‌گیری حرکت در گام‌های بسیار کوچک را فراهم کرده و برای کنترل موقعیت و سرعت دقیق در کاربردهایی که نیاز به ظرافت بالایی دارند، مناسب است. نصب و راه‌اندازی اولیه آن‌ها نیز معمولاً ساده‌تر از انکودرهای مطلق پیچیده است.

معایب

بزرگترین نقطه ضعف انکودرهای افزایشی، از دست دادن اطلاعات موقعیت مطلق در صورت قطع برق یا هرگونه وقفه در دنباله پالس‌ها است. اگر منبع تغذیه انکودر یا کنترلر قطع شود، یا اگر به دلیل نویز شدید یا خرابی، تعدادی پالس از دست برود، کنترلر دیگر نمی‌داند شفت دقیقاً در چه موقعیتی قرار دارد و باید فرآیند “هومینگ” (یافتن نقطه مرجع Z یا یک سنسور خارجی) برای بازیابی موقعیت انجام شود.

عیب دیگر پتانسیل تجمع خطاست. اگر به هر دلیلی (مثلاً نویز) پالس‌ها به درستی شمارش نشوند (چه اضافه شمارش و چه کم شمارش)، خطای کوچکی در محاسبه موقعیت رخ می‌دهد که این خطا می‌تواند با گذشت زمان تجمع یافته و منجر به انحراف موقعیت شود. این امر نیازمند استفاده از روش‌های مناسب برای محافظت از سیگنال و اطمینان از شمارش دقیق پالس‌ها است.

کاربردهای شفت انکودر افزایشی

شفت انکودرهای افزایشی به دلیل توانایی خود در ارائه فیدبک دقیق سرعت و موقعیت نسبی، در طیف بسیار وسیعی از کاربردهای صنعتی و اتوماسیون استفاده می‌شوند. از ماشین‌آلات تولیدی سنگین گرفته تا تجهیزات دقیق آزمایشگاهی و رباتیک، حضور این انکودرها برای کنترل دقیق حرکت و بهبود عملکرد سیستم حیاتی است.

این انکودرها در هر جایی که نیاز به دانستن سرعت چرخش یک موتور، میزان جابجایی یک محور دوار یا کنترل دقیق همگام‌سازی چندین بخش متحرک باشد، کاربرد دارند. سادگی، تنوع در رزولوشن و انواع خروجی، و همچنین قیمت مناسب آن‌ها، باعث شده تا به یکی از پرکاربردترین انواع سنسور در حوزه اتوماسیون صنعتی تبدیل شوند.

صنایع رباتیک

در حوزه رباتیک، شفت انکودرهای افزایشی نقش حیاتی در کنترل دقیق حرکت بازوها، مفاصل و پایه‌های ربات ایفا می‌کنند. آن‌ها با ارائه فیدبک لحظه‌ای سرعت و موقعیت نسبی موتورهای هر مفصل، به کنترلر ربات امکان می‌دهند تا موقعیت دقیق هر بخش از ربات را محاسبه کرده و مسیرهای حرکتی پیچیده را با دقت دنبال کند.

فیدبک حاصل از انکودرها برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های کنترل پیشرفته موتور در ربات‌ها ضروری است. این اطلاعات به کنترلر اجازه می‌دهد تا سرعت موتور را با دقت تنظیم کند، شتاب و کاهش سرعت را کنترل کند و از رسیدن به موقعیت‌های هدف با حداقل خطا اطمینان حاصل کند. مقاومت در برابر لرزش و قابلیت اطمینان بالا در این کاربردها اهمیت ویژه‌ای دارد.

ماشین آلات CNC

ماشین‌آلات CNC (کنترل عددی کامپیوتری) که برای فرآیندهای دقیق مانند برش، حکاکی، فرزکاری و تراشکاری استفاده می‌شوند، به شدت به اندازه‌گیری دقیق حرکت محورهای خود متکی هستند. شفت انکودرهای افزایشی به طور گسترده‌ای برای ارائه فیدبک موقعیت و سرعت برای موتورهایی که میز کار یا ابزار برش را حرکت می‌دهند، به کار می‌روند.

در این ماشین‌آلات، انکودر متصل به موتور هر محور، تعداد پالس‌هایی متناسب با میزان حرکت خطی یا دورانی محور را تولید می‌کند. سیستم کنترل CNC این پالس‌ها را شمارش کرده و بر اساس آن‌ها، سرعت و موقعیت دقیق لحظه‌ای هر محور را در زمان واقعی محاسبه می‌کند. این فیدبک برای اجرای دقیق کدهای G و دستیابی به تلرانس‌های ماشین‌کاری مورد نظر ضروری است، هرچند برای حفظ موقعیت در شرایط خاص ممکن است از انکودرهای مطلق یا ترکیب با لیمیت سوییچ‌ها استفاده شود.

سیستم‌های نوار نقاله

در سیستم‌های نوار نقاله، انکودرهای افزایشی معمولاً به شفت موتور محرک نوار یا یک غلطک ایده‌آل متصل می‌شوند تا سرعت حرکت نوار نقاله را با دقت اندازه‌گیری کنند. این اطلاعات برای کاربردهای مختلفی مانند حفظ سرعت ثابت، همگام‌سازی سرعت چندین نوار نقاله، کنترل فاصله بین محصولات یا تخمین میزان مواد جابجا شده استفاده می‌شود.

فیدبک سرعت از انکودر به کنترلر موتور (مانند درایو فرکانس متغیر یا VFD) ارسال می‌شود تا سرعت موتور و در نتیجه سرعت نوار نقاله در مقدار تنظیم شده حفظ شود، حتی در مواجهه با تغییرات بار. در برخی کاربردهای ساده‌تر، شمارش پالس‌های انکودر می‌تواند برای تخمین موقعیت یک محصول روی نوار یا اندازه‌گیری طول مواد عبوری نیز به کار رود.

موتورهای الکتریکی

یکی از کاربردهای اصلی و بنیادین شفت انکودرهای افزایشی، استفاده از آن‌ها به عنوان سنسور فیدبک در سیستم‌های کنترل موتور الکتریکی، به ویژه در درایوهای کنترل سرعت حلقه بسته (مانند کنترل برداری) و سیستم‌های سروو موتور است. انکودر مستقیماً به شفت موتور کوپل می‌شود تا اطلاعات دقیق سرعت و موقعیت آن را به کنترلر موتور ارائه دهد.

اطلاعات فیدبک از انکودر (فرکانس پالس‌ها برای سرعت و شمارش پالس‌ها برای موقعیت) به کنترلر امکان می‌دهد تا سرعت و موقعیت لحظه‌ای موتور را با مقادیر هدف مقایسه کرده و سیگنال کنترلی موتور را برای اصلاح هرگونه انحراف تنظیم کند. این حلقه فیدبک بسته برای دستیابی به کنترل سرعت بسیار دقیق، پاسخ دینامیکی سریع، و در سیستم‌های سروو، کنترل دقیق موقعیت شفت ضروری است.

تجهیزات پزشکی

در صنعت تجهیزات پزشکی، دقت، قابلیت اطمینان و تکرارپذیری حرکت بسیار حیاتی است. شفت انکودرهای افزایشی در انواع دستگاه‌های پزشکی که نیاز به حرکت دقیق و کنترل شده دارند، مانند اسکنرهای تصویربرداری (MRI, CT), پمپ‌های تزریق دقیق، ربات‌های جراحی، و سیستم‌های آزمایشگاهی خودکار، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در این کاربردها، انکودرها فیدبک لازم را برای کنترل موقعیت و سرعت اجزای متحرک دستگاه فراهم می‌کنند تا عملیات با دقت مورد نیاز انجام شود. به عنوان مثال، در یک اسکنر تصویربرداری، انکودر ممکن است حرکت دقیق هد اسکنر یا موقعیت تخت بیمار را کنترل کند. انتخاب انکودر در این حوزه علاوه بر دقت، نیازمند توجه به استانداردها و ملاحظات خاص تجهیزات پزشکی است.

نصب و راه‌اندازی

نصب صحیح شفت انکودر افزایشی تأثیر مستقیمی بر عملکرد و طول عمر آن دارد. هم جنبه‌های مکانیکی نصب (اتصال فیزیکی به شفت و بدنه) و هم جنبه‌های الکتریکی (سیم‌کشی و اتصال به کنترلر) باید با دقت انجام شوند. یک نصب نادرست می‌تواند منجر به خرابی زودهنگام انکودر، تولید پالس‌های نامنظم یا از دست رفتن سیگنال شود.

رعایت دستورالعمل‌های سازنده برای نصب مکانیکی و الکتریکی انکودر ضروری است. این شامل استفاده از کوپلینگ مناسب برای اتصال شفت، اطمینان از تراز بودن و عدم وجود فشار شعاعی یا محوری بیش از حد بر شفت انکودر، و همچنین انجام سیم‌کشی با رعایت نکات مربوط به شیلدینگ، زمین کردن، و تطابق ولتاژ و نوع خروجی است.

نکات مهم نصب مکانیکی

نصب مکانیکی شامل اتصال فیزیکی انکودر به شفت موتور یا دستگاه و محکم کردن بدنه آن است. استفاده از کوپلینگ مناسب بین شفت موتور و شفت انکودر بسیار مهم است؛ کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر می‌توانند عدم انطباق‌های کوچک زاویه‌ای یا محوری را جذب کرده و از وارد آمدن تنش به بلبرینگ‌های انکودر جلوگیری کنند. اطمینان از محکم بودن اتصالات و عدم لرزش بیش از حد در محل نصب نیز حیاتی است.

همچنین باید اطمینان حاصل شود که انکودر در محیطی نصب می‌شود که با درجه حفاظت (IP Rating) آن سازگار است، به خصوص در مورد انکودرهای نوری حساس به آلودگی. از وارد آمدن ضربه به بدنه یا شفت انکودر باید خودداری شود. در انکودرهای هالو شفت، نصب صحیح بوش یا آداپتور و محکم کردن آن به شفت موتور یا بدنه دستگاه اهمیت ویژه‌ای دارد تا انکودر به طور مطمئن در جای خود ثابت شود.

اتصالات الکتریکی

اتصالات الکتریکی شامل اتصال سیم‌های تغذیه (مثبت و منفی)، زمین و کانال‌های سیگنال (A، B، Z و مکمل‌ها) به دستگاه دریافت کننده (کنترلر، درایو یا شمارنده) است. رعایت رنگ‌بندی استاندارد سیم‌ها و تطابق آن‌ها با ترمینال‌های ورودی دستگاه، گام اول است. استفاده از کابل‌های شیلددار (Shielded Cables) اکیداً توصیه می‌شود، به خصوص در محیط‌های صنعتی با نویز الکتریکی بالا.

شیلد کابل باید فقط در یک انتها (معمولاً در سمت کنترلر) به زمین مناسب متصل شود تا به عنوان یک محافظ در برابر تداخلات الکترومغناطیسی عمل کند. تطابق ولتاژ تغذیه انکودر با ولتاژ تغذیه در دسترس و اطمینان از توانایی ورودی کنترلر در دریافت نوع خروجی انکودر (کلکتور باز، پوش-پول، لاین درایور) نیز برای عملکرد صحیح ضروری است. سیم‌کشی باید از مسیرهای حاوی کابل‌های قدرت و منابع نویز دور نگه داشته شود.

مقایسه انکودر افزایشی و مطلق

انتخاب بین انکودر افزایشی و مطلق یکی از تصمیمات کلیدی در طراحی سیستم‌های کنترل حرکت است. تفاوت اصلی آن‌ها در نحوه گزارش موقعیت است: انکودر افزایشی تغییرات موقعیت را از یک نقطه مرجع گزارش می‌دهد، در حالی که انکودر مطلق یک کد باینری یا گری منحصربه‌فرد برای هر موقعیت زاویه‌ای در یک دور کامل فراهم می‌کند و موقعیت مطلق را بدون نیاز به هومینگ گزارش می‌دهد.

انکودرهای افزایشی عموماً ساده‌تر، سریع‌تر (برای سرعت بالا) و ارزان‌تر هستند و برای کاربردهایی که نیاز به دقت سرعت بالا دارند یا امکان انجام فرآیند هومینگ وجود دارد، مناسبند. انکودرهای مطلق موقعیت خود را حتی پس از قطع برق حفظ می‌کنند و نیازی به هومینگ ندارند، که آن‌ها را برای کاربردهایی که ایمنی یا بازیابی سریع پس از قطع برق اهمیت دارد، مناسب می‌سازد. با این حال، آن‌ها معمولاً پیچیده‌تر، گران‌تر و ممکن است در سرعت‌های بسیار بالا محدودیت داشته باشند.

عیب یابی رایج

هنگام بروز مشکل در سیستم‌های مبتنی بر انکودر افزایشی، چند مرحله عیب یابی رایج وجود دارد که می‌توانند به شناسایی علت کمک کنند. علائم مشکل ممکن است شامل عدم دریافت پالس، دریافت پالس‌های نامنظم، شمارش نادرست موقعیت، یا خطا در تشخیص جهت چرخش باشد.

اولین گام‌ها شامل بررسی اتصالات الکتریکی، اطمینان از وجود ولتاژ تغذیه صحیح در ترمینال‌های انکودر، و بررسی سلامت کابل است. سپس باید نصب مکانیکی انکودر بررسی شود تا از محکم بودن، تراز بودن و عدم وجود آسیب فیزیکی اطمینان حاصل گردد. استفاده از ابزارهایی مانند اسیلوسکوپ برای مشاهده شکل موج سیگنال‌های خروجی A، B و Z می‌تواند برای تشخیص وجود پالس‌ها، شکل صحیح آن‌ها و اختلاف فاز ۹۰ درجه بین A و B بسیار مفید باشد. بررسی تمیز بودن دیسک کدگذاری (خصوصاً در انکودرهای نوری) نیز اهمیت دارد.

ملاحظات انتخاب انکودر افزایشی

انتخاب بهینه یک شفت انکودر افزایشی برای یک کاربرد خاص نیازمند در نظر گرفتن چندین فاکتور کلیدی است تا اطمینان حاصل شود که انکودر مورد نظر نیازهای عملکردی و محیطی را برآورده می‌کند. اولین و مهم‌ترین معیار، تعیین وضوح (PPR) مورد نیاز بر اساس دقت لازم برای اندازه‌گیری موقعیت یا کنترل سرعت است. هرچه دقت بیشتری نیاز باشد، PPR بالاتری لازم است.

عوامل دیگر شامل حداکثر سرعت دورانی شفت است که انکودر باید بتواند در آن سرعت بدون از دست دادن پالس کار کند. نوع خروجی الکترونیکی (کلکتور باز، پوش-پول، لاین درایور) باید بر اساس فاصله کابل‌کشی و مقاومت مورد نیاز در برابر نویز انتخاب شود. شرایط محیطی مانند دما، رطوبت، وجود گرد و غبار، روغن، مواد شیمیایی و سطح لرزش، نوع تکنولوژی سنسور (نوری یا مغناطیسی) و درجه حفاظت (IP Rating) انکودر را تعیین می‌کنند. همچنین، ابعاد فیزیکی، نوع نصب (شفت دار، هالو شفت) و سازگاری الکتریکی با کنترلر مورد استفاده نیز ملاحظات مهمی هستند.

پایان بندی

در نهایت، شفت انکودرهای افزایشی به عنوان اجزای کلیدی در سیستم‌های کنترل حرکت و اتوماسیون صنعتی، ابزاری قدرتمند برای اندازه‌گیری دقیق سرعت و موقعیت نسبی محسوب می‌شوند.

با تولید دنباله‌ای از پالس‌های الکتریکی متناسب با چرخش شفت، اطلاعات لازم برای کنترل فیدبک را فراهم می‌آورند. شناخت انواع مختلف این انکودرها بر اساس تکنولوژی ساخت (نوری، مغناطیسی) و نوع خروجی الکترونیکی (کلکتور باز، پوش-پول، لاین درایور)، همراه با درک مفهوم رزولوشن و سیگنال‌های خروجی (A, B, Z)، امکان انتخاب مناسب‌ترین گزینه را برای هر کاربرد خاص فراهم می‌آورد. با وجود محدودیت‌هایی نظیر نیاز به نقطه مرجع پس از هر بار روشن شدن سیستم، مزایای آن‌ها از جمله سادگی، هزینه مقرون‌به‌صرفه و عملکرد قابل اطمینان در بسیاری از سناریوها، جایگاه آن‌ها را تثبیت کرده است.

انتخاب صحیح انکودر افزایشی بر اساس الزامات دقت، سرعت، محیط و سازگاری با کنترل‌کننده، گامی اساسی در طراحی سیستم‌های اتوماسیون کارآمد است.