انکودرهای چرخشی افزایشی

شکل 1: رمزگذار افزایشی چرخشی. 

یک رمزگذار چرخشی افزایشی، حرکت زاویه ای یا موقعیت شفت را به کد آنالوگ یا دیجیتال تبدیل می کند. رمزگذارهای افزایشی اغلب در سیستم های بازخورد استفاده می شوند. این رمزگذارها حرکت چرخشی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و امکان کنترل دقیق‌تر سیستم‌های خودکار را فراهم می‌کنند. 

دو نوع اصلی رمزگذار چرخشی وجود دارد: افزایشی و مطلق. رمزگذارهای افزایشی می توانند فاصله، موقعیت و سرعت را اندازه گیری کنند. آنها را می توان در کاربردهای سبک یا سنگین استفاده کرد و معمولاً در موتورهای سروو استفاده می شود. آنها با رمزگذارهای مطلق که موقعیت مطلق را به عنوان یک زاویه اندازه گیری می کنند، متفاوت هستند. در عوض، رمزگذارهای چرخشی افزایشی تغییر موقعیت را گزارش می کنند. آنها با چرخش دستگاه پالس های متناوب بالا و پایین تولید می کنند که نشان دهنده سرعت و جهت چرخش است.

سطح مورد نیاز از دقت در کنترل سرعت یا موقعیت، بخش مهمی از انتخاب رمزگذار است. از آنجایی که نیازهای سیستم بسیار متفاوت است، انواع بسیاری از رمزگذارهای چرخشی افزایشی وجود دارد که از فناوری‌های مختلف استفاده می‌کنند.

نمایش تمام سازندگان رمزگذارهای چرخشی افزایشی

تکنولوژی

فن آوری های مختلفی وجود دارد که امکان رمزگذاری افزایشی را فراهم می کند. هر فناوری مزایا و معایبی دارد و انتخاب باید بر اساس موارد استفاده خاص یا نیازهای سیستم باشد.

نوری

رمزگذارهای نوری شامل یک LED است که نور را از طریق یک دیسک با مسیرهای متحدالمرکز با منافذ بریده شده در آن عبور می دهد. پنجره‌های مسیرها ممکن است به گونه‌ای تنظیم شوند که هر چرخش یک الگوی روشن و تاریک متفاوت ایجاد کند. در طرف دیگر انکودر چرخشی ماسکی قرار دارد که با آهنگ ها و دهانه ها شیار شده است. یک LED نور را از طریق دیسک متحرک به روی ماسک رمزگذار چرخشی نوری روی سنسور می تابد.

برای جلوگیری از مسدود شدن LED ها و فتودیودها، انکودرهای نوری نیاز دارند که سیستم عاری از خاک و آلودگی باشد. این انکودرها به طول عمر LED ها محدود می شوند و طول عمر LED در دماهای بالا کاهش می یابد. انکودرهای نوری در کاربردهای صنعتی بسیار رایج هستند و اغلب از وضوح و دقت بالاتری نسبت به سایر فناوری های رمزگذار برخوردار هستند. این نوع رمزگذار همچنین می تواند یک دنباله مربعی ایجاد کند.

مکانیکی

یک رمزگذار مکانیکی به کنتاکت های مکانیکی متکی است که اتصالات الکتریکی را ایجاد یا قطع می کنند. یک برس فلزی به اجزای دوار متصل می شود و تماس دوره ای با یک جزء ثابت مجاور در کنار محور مرکزی برقرار می کند.

این راه حل غیرفعال است اما ممکن است از نظر مکانیکی پیچیده باشد. انکودرهای مکانیکی در محیط های کثیف یا خشن عملکرد خوبی ندارند و مستعد آب و هوا هستند. آنها همچنین به زمان‌بندی جهش نیاز دارند. تحت عملکرد عادی، کنتاکت های مکانیکی دچار سایش می شوند که عمر رمزگذارهای چرخشی مکانیکی را محدود می کند. پیکربندی های مکانیکی برای سرعت های عملیاتی بالا مناسب نیستند.

مغناطیسی

انکودرهای چرخشی افزایشی دندانه دنده مغناطیسی از سنسور مغناطیسی با چرخ دنده فرومغناطیسی با دندانه استفاده می کنند. دندانه هایی که از کنار سنسور عبور می کنند، میدان مغناطیسی را تغییر می دهند و یک پالس ولتاژ تولید می کنند. از این داده ها می توان برای تعیین سرعت چرخش استفاده کرد. وضوح خروجی با تعداد دندانه‌های چرخ دنده با وضوح معمولی به 120 یا 240 پالس در هر دور محدود می‌شود.

یک رمزگذار مغناطیسی مقاومتی از یک آهنربای دایره ای با چندین قطب شمال و جنوب استفاده می کند. وضوح انکودر با تعداد قطب ها و سنسورها تعیین می شود. حسگرها تغییرات میدان مغناطیسی را هنگام چرخش دیسک تشخیص می دهند و این داده ها را به موج سینوسی تبدیل می کنند. سنسورها ممکن است دستگاه‌های اثر هال باشند و تغییرات ولتاژ را حس کنند. تعداد جفت قطب ها، تعداد سنسورها و ویژگی های مدار الکتریکی وضوح انکودرهای مغناطیسی را تعیین می کند. 

رمزگذارهای مغناطیسی ارزان، فشرده و قابل اعتماد هستند. آنها همچنین می توانند بدون تماس باشند و حسگرها می توانند الکترونیکی حالت جامد باشند. میدان های مغناطیسی می توانند از طریق مواد نفوذ کنند و تحت تأثیر آلاینده های رایج قرار نگیرند. مدارهای الکتریکی را می توان از محیط نیز آب بندی کرد. هنگامی که رمزگذارهای دوار مغناطیسی محصور می شوند، به عنوان یک جزء بسیار قوی هستند و می توانند دماهای مختلف عملیاتی، شوک و لرزش را تحمل کنند. از آنجایی که حسگر ورودی و سیگنال خروجی اساسا دیجیتال هستند، دقت افزایش نویز کمی وجود دارد. 

این نوع رمزگذار معمولاً در کارخانه های خمیر و کاغذ و در تنظیمات تولید فولاد استفاده می شود.

شکل 2: تولید لوله.

فیبر نوری

انکودرهای فیبر نوری در مواردی استفاده می شوند که رمزگذارها و حل کننده های الکترونیکی معمولی کافی نیستند. آنها برای تشخیص حرکت و سرعت شفت موتور استفاده می شوند. انکودرهای چرخشی فیبر نوری برای استفاده در محیط هایی طراحی شده اند که نیاز به انتقال در فواصل طولانی و مقاومت در برابر نویز بالا دارند. پیوند فیبر نوری معمولاً می تواند مسافت هایی تا دو مایل و حتی بیشتر را بپوشاند.

طرح ها

حلقه

انکودرهای حلقه ای انکودرهای چرخشی با قطر بزرگ هستند. با توجه به اندازه آنها، رمزگذارهای افزایشی حلقه اغلب برای قطعات با قطر زیاد استفاده می شود. بسیاری از رمزگذارهای حلقه از فناوری نوری استفاده می کنند. توری حلقه ای شکل نوری نسبت به یک حسگر نوری که در کنار حلقه ثابت است می چرخد. این نوع انکودرها برای کاربردهای با دقت بالا در محیط های مساعد به خوبی کار می کنند. رمزگذارهای مغناطیسی حلقه ای برای محیط های سخت مناسب تر هستند. 

بی تحمل 

این نوع رمزگذار اطلاعات زاویه، موقعیت و سرعت را بدون تماس فیزیکی با شفت چرخان تولید می کند. در نتیجه، یاتاقان در رمزگذار مورد نیاز نیست. رمزگذارهای بدون بلبرینگ معمولاً با فناوری حسگر مغناطیسی طراحی می شوند و در برابر محیط های سخت مقاوم هستند. این نوع رمزگذار برای کاربردهای سنگین با دماهای شدید، لرزش شوک و آلاینده ها مناسب است. ساختار منحصر به فرد آنها به آنها اجازه می دهد تا در شرایطی که انواع دیگر رمزگذارها نمی توانند مقاومت کنند. 

رمزگذارهای بدون بلبرینگ امکان عملکرد بدون سایش را فراهم می کنند زیرا خواص مغناطیسی اجازه می دهد تا واحد حسگر و عناصر اندازه گیری به صورت مکانیکی از هم جدا شوند. عدم سایش فیزیکی می تواند عمر قطعه را افزایش دهد.

شفت توخالی

رمزگذارهای شافت توخالی می توانند مستقیماً روی شفت موتور سوار شوند. آنها به تراز شفت موتور مطابق با رمزگذار نیاز ندارند.

مینیاتور

رمزگذارهای چرخشی افزایشی برای استفاده در فضاهای تنگ ممکن است از نظر طراحی مینیاتوری باشند. انکودرهای چرخشی مینیاتوری در کاربردهایی با محدودیت های عمده در وزن و فضای مجاز انکودر استفاده می شوند. آنها اغلب در مفاصل روباتیک و کاربردهای کنترل سروو استفاده می شوند.

خروجی سیگنال

نبض و جهت

شکل 3: نمودار فاز یک رمزگذار چرخشی افزایشی.

روتورهای افزایشی مقدار مشخصی پالس را در طول یک چرخش رمزگذار تولید می کنند. با یک کانال سیگنال، خروجی یکسان خواهد بود، چه رمزگذار در جهت عقربه‌های ساعت بچرخد یا در خلاف جهت عقربه‌های ساعت. با دو کانال، جهت چرخش را می توان با هدایت کانال A یا B تعیین کرد. اختلاف فاز بین کانال های A و B جهت حرکت را نشان می دهد.

ربع

هنگامی که جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت باید از هم متمایز شوند، باید از دو خروجی رمزگذار با فاصله فاز استفاده شود. به این خروجی چهار بیتی می گویند. همانطور که هر جفت قطب از کنار رمزگذار عبور می کند، چهار شرایط خروجی منحصر به فرد وجود دارد. علاوه بر این، افست فاز 90 درجه (تربیع) حاشیه‌های بین هر حالت را به حداکثر می‌رساند و به کاهش خطاهای ناشی از تلرانس‌های مکانیکی، دقت سنسور، لرزش و نویز کمک می‌کند.

تک کانال

اگر فقط یک جهت چرخش اندازه گیری شود، از یک رمزگذار با یک کانال استفاده می شود.

ویژگی ها

قطعنامه

وضوح انکودرهای چرخشی افزایشی تعداد واحدهای اندازه گیری در یک دور شفت است. رزولوشن ها معمولاً تا 10000 پالس در هر دور (PPR) در دسترس هستند. وضوح بالاتر لزوماً دقت سیستم را بهبود نمی بخشد.

رزولوشن رمزگذار باید با توجه به نیازهای کنترل کننده سیستم انتخاب شود. اگر رزولوشن کافی وجود نداشته باشد، بازخورد مؤثری را به کنترل کننده ارائه نمی دهد. رزولوشن افزایشی رمزگذار با حداکثر RPM و فرکانس کاری رمزگذار محاسبه می شود.

دقت موقعیت

دقت رمزگذارهای چرخشی افزایشی، اندازه گیری خطا بین مقداری است که توسط رمزگذار گزارش می شود در مقایسه با مقدار فیزیکی واقعی که اندازه گیری می شود. دقت در دقیقه قوس یا ثانیه قوس اندازه گیری می شود. دقت بالا معمولاً 20 دقیقه قوسی یا بهتر است، اگرچه بسیاری از رمزگذارهای با دقت بالاتر با 5 ثانیه قوسی یا بهتر وجود دارند.

قابل برنامه ریزی

رمزگذارهای چرخشی قابل برنامه ریزی به کاربران این امکان را می دهند که وضوح را با نیازهای سیستم تطبیق دهند. این ویژگی انعطاف‌پذیری را اضافه می‌کند و معمولاً به مصرف‌کنندگان در صرفه‌جویی در هزینه‌ها کمک می‌کند. انکودرهای قابل برنامه ریزی در طرح ها و مشخصات مختلف موجود هستند و برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب هستند.

ذاتا ایمن

رمزگذارهای ذاتا ایمن در مناطق خطرناکی که ممکن است مایعات، گازها و گرد و غبار قابل احتراق وجود داشته باشد، استفاده می شود. برخی از کاربردهای صنعتی رایج عبارتند از اکتشاف نفت و گاز، تولید مواد شیمیایی و سیلوهای غلات. رمزگذارهای ذاتا ایمن همراه با یک دستگاه محدود کننده انرژی که به عنوان سد IS نیز شناخته می شود، استفاده می شود. این امر از داشتن انرژی کافی برای احتراق مواد خطرناک توسط قوس یا جرقه جلوگیری می کند.

دمای عملیاتی

برای بسیاری از محیط‌های صنعتی، انتخاب رمزگذار چرخشی افزایشی باید شرایط محیطی مانند رطوبت، وجود رطوبت و دما را در نظر بگیرد. انبساط حرارتی مواد و اجزای انکودر در انکودرهای مناسب برای دماهای بالا محاسبه می شود. برای رمزگذارهایی که در دماهای پایین کار می کنند، انقباض حرارتی و گشتاور راه اندازی اولیه هنگام تعیین محدوده عملیاتی در نظر گرفته می شود.

رتبه بندی لرزش و شوک

شوک و لرزش ملاحظات رایج برای انتخاب رمزگذار چرخشی افزایشی هستند زیرا محیط های صنعتی اغلب این خطرات را به همراه دارند. لرزش می تواند بر عملکرد رمزگذار تأثیر منفی بگذارد و به دستگاه آسیب برساند. مواد انکودر نیز بر میزان لرزش و شوک تاثیر می گذارد. برخی از موتورهای حسگر بیشتر در معرض آسیب های ناشی از ضربه و لرزش هستند.

برای بسیاری از محیط‌های سخت، رمزگذارهای مغناطیسی ممکن است بهترین انتخاب در مقایسه با رمزگذارهای نوری باشند. رمزگذارهای مغناطیسی غیر تماسی هستند و برخی از آنها با شکاف‌های هوای وسیع طراحی شده‌اند که آنها را برای محیط‌های با لرزش بالا مناسب می‌سازد.

منبع

globalspec