انکودر افزایشی چیست؟

انکودر افزایشی، عنصری کلیدی در سیستم‌های کنترل حرکت است که با تولید پالس‌های دیجیتال، اطلاعات دقیقی درباره موقعیت و سرعت یک محور چرخشی یا خطی ارائه می‌دهد. این دستگاه‌ها به دلیل دقت بالا، سرعت پاسخ‌گویی سریع و قابلیت اطمینان بالا، در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی از جمله رباتیک، ماشین‌کاری CNC و سیستم‌های کنترل استفاده می‌شوند. در این مقاله، به بررسی اصول کارکرد و روش‌های انتخاب انکودر افزایشی مناسب خواهیم پرداخت. اگر می‌خواهید به‌طور دقیق بدانید که انکودر افزایشی چیست، با ما همراه باشید.

ساختمان داخلی انکودر افزایشی

انکودرهای افزایشی، قلب تپنده بسیاری از سیستم‌های کنترل حرکت هستند. این دستگاه‌ها با تبدیل حرکت مکانیکی به سیگنال‌های الکتریکی، اطلاعات دقیقی درباره موقعیت و سرعت یک محور چرخشی یا خطی ارائه می‌دهند. اما این دستگاه‌ها چگونه کار می‌کنند؟ برای پاسخ به این سوال، به بررسی ساختمان داخلی آن‌ها می‌پردازیم.

ساختمان اصلی انکودرهای افزایشی شامل چندین بخش کلیدی است:

• دیسک مدرج: این دیسک، قلب تپنده انکودر است. روی این دیسک، الگوهای خاصی از شکاف‌ها یا برجستگی‌ها به صورت دایره‌ای حکاکی شده است. این الگوها به صورت تناوبی نور را عبور یا مسدود می‌کنند.
• منبع نور: یک منبع نور (معمولا LED) در مقابل دیسک مدرج قرار دارد. نور ساطع شده از این منبع از شکاف‌های دیسک عبور می‌کند و به سنسورهای نوری می‌تابد.
• سنسورهای نوری: این سنسورها، نور عبوری از شکاف‌های دیسک را دریافت کرده و آن را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. سیگنال‌های خروجی این سنسورها، نشان‌دهنده موقعیت زاویه‌ای دیسک و در نتیجه، موقعیت شفت متصل به آن است.
• مدار الکترونیکی: این مدار، سیگنال‌های خروجی سنسورهای نوری را پردازش کرده و آن‌ها را به فرمتی قابل استفاده برای سیستم کنترل تبدیل می‌کند.

تفاوت انکودر مطلق (absolute) و انکودر افزایشی (incremental)

حال که داستیم انکودر افزایشی چیست، باید بگوییم که انکودرها به عنوان حسگرهای موقعیت، نقش مهمی در سیستم‌های کنترل حرکت ایفا می‌کنند. این دستگاه‌ها با تولید سیگنال‌های الکتریکی، اطلاعات دقیقی در مورد موقعیت و حرکت یک محور چرخشی یا خطی ارائه می‌دهند. دو نوع اصلی انکودر، مطلق و افزایشی، با وجود شباهت‌های ظاهری، تفاوت‌های اساسی در ساختار، عملکرد و کاربرد دارند.

انکودر افزایشی

انکودر افزایشی، موقعیت را به صورت نسبی و با شمارش پالس‌هایی که از یک نقطه مرجع مشخص ایجاد می‌شود، تعیین می‌کند. به عبارت دیگر، این انکودر‌ها تغییرات موقعیت را اندازه‌گیری می‌کنند و برای تعیین موقعیت مطلق، نیاز به یک نقطه شروع مشخص دارند. اگر سیستم خاموش و روشن شود، برای تعیین موقعیت اولیه، باید یک فرآیند کالیبراسیون انجام شود. از آنجایی که انکودر افزایشی فقط تغییرات موقعیت را اندازه‌گیری می‌کنند، ساختار ساده‌تر و هزینه کمتری نسبت به انکودرهای مطلق دارند.

انکودر مطلق

انکودر مطلق، در مقابل، موقعیت دقیق را در هر لحظه و به صورت مستقل مشخص می‌کند. هر موقعیت به یک کد منحصربه‌فرد اختصاص دارد و حتی پس از قطع برق، موقعیت فعلی حفظ می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که انکودرهای مطلق در سیستم‌هایی که به دقت بالا و اطلاعات لحظه‌ای نیاز دارند، مانند رباتیک و ماشین‌های CNC، بسیارکاربردی باشند. ساختار داخلی انکودر مطلق پیچیده‌تر است و معمولاً از یک کدکننده چندین بیتی برای نمایش موقعیت استفاده می‌کنند.

کاربردهای انکودرهای افزایشی

کاربردهای انکودرهای افزایشی، عبارت‌اند از:

کاربرد انکودر افزایشی در صنعت

انکودرهای افزایشی به‌عنوان حسگرهای دقیق موقعیت، نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. این دستگاه‌ها، با اندازه‌گیری تغییرات موقعیت، امکان کنترل دقیق و موثر دستگاه‌ها و فرایندهای صنعتی را فراهم می‌آورند. از جمله کاربردهای گسترده انکودرهای افزایشی می‌توان به کنترل حرکت دقیق روبات‌ها، ماشین‌کاری CNC، سیستم‌های بسته‌بندی، تجهیزات پزشکی، توربین‌های بادی و بسیاری از صنایع دیگر اشاره کرد.

با استفاده از انکودرهای افزایشی، می‌توان به دقت بالایی در کنترل سرعت، موقعیت و جهت حرکت دستگاه‌ها دست یافت و به این ترتیب، کیفیت محصولات تولیدی را بهبود بخشید و هزینه‌های تولید را کاهش داد.

سیگنال های انکودر افزایشی

حال که می‌دانیم انکودر افزایشی چیست، باید بگوییم که انکودرهای افزایشی با تولید پالس‌های دیجیتال، اطلاعات دقیقی درباره موقعیت و سرعت یک محور چرخشی یا خطی ارائه می‌دهند. سیگنال‌های خروجی این انکودرها معمولا شامل دو کانال A و B است که اختلاف فاز ۹۰ درجه‌ای بین آن‌ها وجود دارد. این اختلاف فاز، به سیستم کنترل اجازه می‌دهد تا جهت چرخش محور را تشخیص دهد. علاوه‌بر این، برخی از انکودرهای افزایشی دارای یک کانال اضافی به نام کانال Z هستند که برای تعیین موقعیت مرجع یا صفر استفاده می‌شود.

تعداد پالس‌هایی که در هر دور چرخش محور تولید می‌شود، رزولوشن انکودر را تعیین می‌کند. رزولوشن بالاتر به معنای دقت بیشتر در اندازه‌گیری موقعیت است. سیگنال‌های خروجی انکودرها می‌توانند به صورت TTL یا خطی باشند. سیگنال‌های TTL دارای سطح ولتاژ مشخص و منطقی هستند و برای ارتباط با دستگاه‌های دیجیتال مانند PLC و میکروکنترلرها مناسب هستند. سیگنال‌های خطی دارای دامنه ولتاژی متناسب با سرعت چرخش محور هستند و برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری سرعت دقیق دارند، مناسب‌تر هستند.

انواع انکودرهای افزایشی

انکودرهای افزایشی (Incremental Encoders) یکی از انواع مهم انکودرها هستند که به‌ویژه در کاربردهای صنعتی و مهندسی نقش مهمی ایفا می‌کنند. این انکودرها برای اندازه‌گیری موقعیت، سرعت، و جهت حرکت اشیاء به کار می‌روند و از نوعی سیستم شمارش پالس برای ارائه خروجی‌های خود استفاده می‌کنند. در ادامه، به معرفی انواع انکودرهای افزایشی پرداخته می‌شود:

1. انکودرهای نوری (Optical Incremental Encoders)

انکودرهای نوری رایج‌ترین نوع انکودرهای افزایشی هستند. در این انکودرها، یک دیسک شفاف یا نیمه‌شفاف وجود دارد که بر روی آن الگوهای شفاف و غیرشفاف به‌صورت دایره‌ای قرار گرفته‌اند. این دیسک بین یک منبع نوری (مانند LED) و یک سنسور نوری (مانند فوتودیود) قرار می‌گیرد.

با چرخش دیسک، پالس‌های نوری مورد تولید قرار می‌گیرند که توسط سنسور شناسایی و به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شوند. این سیگنال‌ها، برای شمارش و اندازه‌گیری سرعت و موقعیت به کار می‌روند. دقت بالای این نوع انکودرها، آن‌ها را برای کاربردهایی مانند روباتیک، سیستم‌های کنترل حرکت و ابزارهای دقیق مناسب کرده است.

2. انکودرهای مغناطیسی (Magnetic Incremental Encoders)

این انکودرها، از یک دیسک مغناطیسی استفاده می‌کنند که دارای قطب‌های مغناطیسی مثبت و منفی به‌صورت متناوب است. با چرخش دیسک، یک سنسور مغناطیسی مانند سنسور Hall اثر تغییرات در میدان مغناطیسی را شناسایی کرده و سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌کند. انکودرهای مغناطیسی به‌ویژه در محیط‌هایی که نیاز به مقاومت در برابر گرد و غبار، رطوبت یا تغییرات دما دارند، بسیارمناسب هستند. از این رو، این انکودرها در کاربردهای صنعتی سنگین و شرایط سخت محیطی به کار می‌روند.

3. انکودرهای خازنی (Capacitive Incremental Encoders)

این نوع انکودرها از تغییرات ظرفیت خازنی برای تولید پالس استفاده می‌کنند. در انکودرهای خازنی، دو صفحه خازن به شکل یک دیسک یا شفت دوار قرار دارند. با چرخش دیسک، فاصله بین صفحات خازنی تغییر می‌کند و این تغییرات ظرفیت خازنی به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شود. انکودرهای خازنی به دلیل عدم نیاز به تماس فیزیکی و مقاومت بالا در برابر شوک و لرزش، برای کاربردهایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات با دقت بالا مناسب هستند.

4. انکودرهای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Incremental Encoders)

پس از این‌که دانستیم انکودر افزایشی چیست، باید گفت که این انکودرها بر اساس القای الکترومغناطیسی عمل می‌کنند. یک دیسک فلزی که دارای دندانه‌ها یا شیارهای منظم است، در نزدیکی یک سیم‌پیچ قرار دارد. با چرخش دیسک، تغییرات در میدان مغناطیسی ناشی از حرکت دندانه‌ها یا شیارها در نزدیکی سیم‌پیچ باعث تولید ولتاژ در سیم‌پیچ می‌شود. این ولتاژ به عنوان سیگنال خروجی انکودر استفاده می‌شود. انکودرهای الکترومغناطیسی، معمولاً در محیط‌های صنعتی و ماشین‌آلات سنگین کاربرد دارند.

5. انکودرهای خطی (Linear Incremental Encoders)

این نوع انکودرها، برای اندازه‌گیری حرکت خطی به کار می‌روند. برخلاف سایر انکودرهای افزایشی که برای اندازه‌گیری چرخش طراحی شده‌اند، انکودرهای خطی به جای دیسک چرخان، از نوارهای خطی استفاده می‌کنند. این نوارها، ممکن است نوری، مغناطیسی یا خازنی باشند. از این انکودرها در ماشین‌ابزارهای دقیق، CNCها و ماشین‌آلات با نیاز به اندازه‌گیری دقیق طول استفاده می‌شود.

در کل، انتخاب نوع مناسب انکودر افزایشی به عواملی چون محیط کاربری، دقت مورد نیاز، و شرایط محیطی وابسته است. هر نوع انکودر، دارای مزایا و محدودیت‌های خاص خود است که باید با نیازهای کاربردی متناسب باشد.

مزایای و معایب انکودر افزایشی

مزایا و معایب انکودرهای افزایشی، به‌شرح زیر هستند:

درباره روش Quadrature در انکودر

روش Quadrature، در انکودرهای افزایشی یک تکنیک پیشرفته برای اندازه‌گیری دقیق‌تر موقعیت و جهت چرخش است. در این روش، دو سیگنال خروجی به نام‌های A و B تولید می‌شوند که با یکدیگر اختلاف فاز 90 درجه‌ای دارند. این اختلاف فاز، سبب می‌شود که سیستم بتواند جهت چرخش را تشخیص دهد؛ به این صورت که اگر سیگنال A جلوتر از سیگنال B باشد، چرخش در یک جهت (مثلا ساعت‌گرد) و اگر سیگنال B جلوتر از سیگنال A باشد، چرخش در جهت مخالف (مثلاً پادساعت‌گرد) است.

علاوه‌بر تشخیص جهت، روش Quadrature قابلیت افزایش دقت اندازه‌گیری را نیز فراهم می‌کند. با استفاده از این روش، هر سیکل کامل (از 0 تا 360 درجه) به چهار مرحله تقسیم می‌شود، زیرا در هر سیکل، چهار وضعیت مختلف برای سیگنال‌های A و B وجود دارد: (1) A بالا، B پایین؛ (2) A بالا، B بالا؛ (3) A پایین، B بالا؛ و (4) A پایین، B پایین. این بدان معناست که برای هر پالس تولید شده توسط انکودر، چهار اندازه‌گیری مجزا صورت می‌گیرد که دقت اندازه‌گیری موقعیت را تا چهار برابر افزایش می‌دهد.

روش Quadrature در انکودرها، به‌ویژه در کاربردهایی که نیاز به دقت بالا و تشخیص جهت حرکت دارند، بسیار مفید است. این روش در روباتیک، ماشین‌آلات CN و سیستم‌های کنترل حرکت به‌طور گسترده به‌کار می‌رود. به دلیل توانایی بالا در تشخیص جهت و افزایش دقت، انکودرهای مجهز به روش Quadrature در بسیاری از کاربردهای صنعتی و مهندسی به‌عنوان گزینه‌ای محبوب و کارآمد شناخته می‌شوند.

درباره وضوح (Resolution) انکودر چرخشی

وضوح (Resolution) در انکودرهای چرخشی، به تعداد پالس‌هایی گفته می‌شود که در هر دور کامل چرخش محور تولید می‌شود. به عبارت دیگر، وضوح نشان‌دهنده میزان دقت اندازه‌گیری موقعیت توسط انکودر است. هرچه تعداد پالس‌ها در هر دور بیشتر باشد، وضوح بالاتر است و اندازه‌گیری موقعیت دقیق‌تر خواهد بود.

تأثیر وضوح بر عملکرد انکودر افزایشی چیست؟

وضوح بالا، به معنای آن است که انکودر می‌تواند تغییرات بسیار کوچک در موقعیت را تشخیص دهد. این ویژگی، در کاربردهایی که نیاز به دقت بسیار بالا دارند، مانند ماشین‌کاری CNC، رباتیک و تجهیزات پزشکی، بسیار مهم است. همچنین، وضوح بالا به بهبود عملکرد سیستم‌های کنترل حرکت کمک می‌کند و سبب افزایش سرعت و دقت آن‌ها می‌شود.

انتخاب وضوح مناسب

انتخاب وضوح مناسب برای یک انکودر، به کاربرد مورد نظر بستگی دارد. اگر کاربردی نیاز به دقت بسیار بالا داشته باشد، باید از انکدری با وضوح بالا استفاده کرد. اما از طرف دیگر، افزایش وضوح سبب افزایش هزینه و پیچیدگی سیستم می‌شود. بنابراین، باید تعادلی بین دقت و هزینه برقرار کرد. به‌عنوان مثال، در کاربردهایی که دقت متوسطی مورد نیاز است، می‌توان از انکودرهایی با وضوح پایین‌تر استفاده کرد.

درباره Pulses Per Revolution (PPR) پالس بر دور

پالس بر دور (Pulses Per Revolution یا PPR) یکی از مهم‌ترین مشخصات انکودرهای چرخشی است که نشان می‌دهد در هر دور کامل چرخش محور، چند پالس دیجیتال توسط انکودر تولید می‌شود. به عبارت ساده‌تر، PPR میزان دقت اندازه‌گیری موقعیت توسط انکودر را تعیین می‌کند. هرچه مقدار PPR بالاتر باشد، انکودر قادر به تشخیص تغییرات کوچکتری در موقعیت محور خواهد بود و دقت اندازه‌گیری افزایش می‌یابد.

تأثیر PPR بر عملکرد سیستم انکودر افزایشی چیست؟

مقدار PPR، به طور مستقیم بر عملکرد سیستم‌های کنترلی که از انکودر استفاده می‌کنند، تاثیر می‌گذارد. یک PPR بالا به سیستم اجازه می‌دهد تا حرکت محور را با دقت بیشتری کنترل کند و به این ترتیب، کیفیت محصول نهایی را بهبود بخشد. همچنین، PPR بالا به سیستم اجازه می‌دهد تا با سرعت بیشتری حرکت کند بدون اینکه دقت خود را از دست بدهد. از طرف دیگر، افزایش PPR باعث افزایش هزینه و پیچیدگی سیستم می‌شود. بنابراین، انتخاب مقدار مناسب PPR به کاربرد مورد نظر و نیازهای سیستم بستگی دارد.

درباره Counts Per Revolution (CPR) شمارش بر دور

شمارش بر دور (CPR) اصطلاح دیگری است که برای بیان تعداد پالس‌های تولید شده توسط یک انکودر چرخشی در هر دور کامل استفاده می‌شود. در واقع، CPR معادل PPR است و هر دو به یک مفهوم اشاره دارند. این اصطلاح به طور گسترده‌ای در صنعت اتوماسیون و کنترل مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اهمیت CPR در سیستم‌های کنترل

مقدار CPR به‌طور مستقیم بر دقت و رزولوشن سیستم‌های کنترلی که از انکودر استفاده می‌کنند، تاثیر می‌گذارد. یک CPR بالا به این معنی است که سیستم قادر است تغییرات بسیار کوچکی در موقعیت محور را تشخیص دهد و به این ترتیب، کنترل دقیق‌تری بر روی حرکت محور اعمال کند. با افزایش CPR، دقت سیستم افزایش می‌یابد و امکان انجام عملیات‌های پیچیده‌تر و با سرعت بالاتر فراهم می‌شود. انتخاب یک CPR مناسب برای یک کاربرد خاص به عوامل مختلفی مانند دقت مورد نیاز، سرعت حرکت، و هزینه سیستم بستگی دارد.

تفاوت کاربرد ساعتگرد و پادساعت گرد در انکودر افزایشی

در انکودرهای افزایشی، جهت چرخش محور (ساعتگرد یا پادساعت‌گرد) نقش مهمی در تعیین جهت افزایش یا کاهش مقدار شمارش دارد. این تفاوت در کاربردهای مختلف، اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.

جهت چرخش و جهت شمارش

هنگامی که محور انکودر به صورت ساعتگرد می‌چرخد، مقدار شمارش به طور معمول افزایش می‌یابد. برعکس، با چرخش پادساعت‌گرد محور، مقدار شمارش کاهش پیدا می‌کند. این رابطه بین جهت چرخش و جهت شمارش، در طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های کنترلی مبتنی بر انکودر بسیار مهم است. برای مثال، در یک موتور پله‌ای، جهت چرخش موتور با توجه به جهت افزایش یا کاهش شمارش انکودر تعیین می‌شود.

کاربردهای مختلف و جهت چرخش

در برخی کاربردها، جهت چرخش مشخصی برای محور انکودر تعریف می‌شود. برای مثال، در دستگاه‌های بسته‌بندی، جهت چرخش محور انکودر برای بسته‌بندی محصولات به صورت مشخص تعیین می‌شود. همچنین، در ربات‌ها، جهت چرخش مفصل‌ها با توجه به جهت حرکت دستورات داده شده به ربات تعیین می‌شود. در برخی موارد، جهت چرخش انکودر می‌تواند قابل تغییر باشد و با توجه به نیاز سیستم تنظیم شود.

درباره سیگنال های خروجی انکودر افزایشی

انکودرهای افزایشی، اطلاعات دقیق و لحظه‌ای درباره موقعیت و جهت حرکت یک محور چرخشی یا خطی را ارائه می‌دهند. این اطلاعات به صورت سیگنال‌های الکتریکی تولید شده و به سیستم کنترل منتقل می‌شوند. سیگنال‌های خروجی انکودرها معمولا شامل دو کانال A و B است که اختلاف فاز ۹۰ درجه‌ای بین آن‌ها وجود دارد. این اختلاف فاز به سیستم کنترل اجازه می‌دهد تا جهت چرخش محور را تشخیص دهد.

علاوه بر این که دانستیم انکودر افزایشی چیست، باید گفت که برخی از انکودرهای افزایشی دارای یک کانال اضافی به نام کانال Z هستند که برای تعیین موقعیت مرجع یا صفر استفاده می‌شود.

• سیگنال‌های خروجی انکودرها می‌توانند به صورت TTL یا خطی باشند.
• سیگنال‌های TTL دارای سطح ولتاژ مشخص و منطقی هستند و برای ارتباط با دستگاه‌های دیجیتال مانند PLC و میکروکنترلرها مناسب‌اند.
• سیگنال‌های خطی دارای دامنه ولتاژی متناسب با سرعت چرخش محورند و برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری سرعت دقیق دارند، مناسب‌تر تلقی می‌شوند.

تعداد پالس‌هایی که در هر دور چرخش محور تولید می‌شود، رزولوشن انکودر را تعیین می‌کند. رزولوشن بالاتر، به معنای دقت بیشتر در اندازه‌گیری موقعیت است.

جمع‌بندی

انکودر افزایشی چیست؟ در این مقاله از وبسایت پیمان الکتریک به صورت کامل به این پاسخ جواب داده‌ایم، انکودرهای افزایشی دستگاه‌هایی هستند که برای اندازه‌گیری حرکت دورانی یا خطی به کار می‌روند. این دستگاه‌ها با تولید پالس‌های دیجیتال، اطلاعات دقیقی از موقعیت و سرعت حرکت یک محور را فراهم می‌کنند. سیگنال‌های خروجی این انکودرها معمولا شامل دو کانال A و B با اختلاف فاز ۹۰ درجه و گاهی یک کانال Z برای تعیین موقعیت مرجع است. جهت چرخش محور (ساعتگرد یا پادساعت‌گرد) نیز بر جهت افزایش یا کاهش مقدار شمارش تاثیر می‌گذارد.

سوالات متداول

1. تفاوت اصلی بین انکودر افزایشی و مطلق چیست؟

انکودر افزایشی اطلاعاتی در مورد تغییر موقعیت نسبت به یک نقطه مرجع اولیه ارائه می‌دهد، در حالی که انکودر مطلق موقعیت دقیق را در هر لحظه و بدون نیاز به یک مرجع اولیه مشخص می‌کند.

2. چرا از انکودرهای افزایشی در سیستم‌های کنترل حرکت استفاده می‌شود؟

انکودرهای افزایشی به دلیل سادگی، هزینه پایین و قابلیت تولید پالس‌های با فرکانس بالا، برای اندازه‌گیری سرعت و موقعیت در سیستم‌های کنترل حرکت بسیار مناسب هستند.

3. چه عواملی بر دقت اندازه‌گیری یک انکودر افزایشی تأثیر می‌گذارند؟

وضوح (تعداد پالس‌ها در هر دور)، نویز الکتریکی، تلرانس‌های مکانیکی، دما و سرعت چرخش محور از جمله عواملی هستند که بر دقت اندازه‌گیری یک انکودر افزایشی تاثیر می‌گذارند.