مقدمه

در سیستم‌های کنترل حرکتی، سرووموتورها نقشی حیاتی ایفا می‌کنند. این موتورها برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالا، پاسخ سریع و کنترل موقعیت دقیق دارند، استفاده می‌شوند. اما برای اینکه بتوان موقعیت، سرعت و جهت حرکت شفت سرووموتور را به‌دقت کنترل کرد، نیاز به ابزاری به نام انکودر (Encoder) داریم. انکودرها به عنوان حسگر بازخورد (feedback sensor)، داده‌های حیاتی برای سیستم کنترل فراهم می‌کنند. در این مقاله به معرفی انکودر، انواع آن، نحوه عملکرد و نقش آن در سرووموتورها می‌پردازیم.

انکودر چیست؟

انکودر یک حسگر الکترومکانیکی است که حرکت مکانیکی (چرخش یا جابجایی خطی) را به سیگنال الکتریکی دیجیتال یا آنالوگ تبدیل می‌کند. این سیگنال‌ها می‌توانند توسط کنترلر یا درایور برای اندازه‌گیری موقعیت، سرعت یا جهت استفاده شوند. انکودر در اصل چشم سرووموتور است؛ زیرا بدون انکودر، موتور نمی‌تواند بفهمد که در چه موقعیتی قرار دارد یا با چه سرعتی در حال حرکت است.

چرا انکودر در سرووموتور ضروری است؟

سرووموتورها معمولاً در سیستم‌های کنترل حلقه بسته استفاده می‌شوند. برای اینکه کنترلر بتواند خروجی موتور را با فرمان مقایسه کرده و اصلاحات لازم را انجام دهد، باید اطلاعات دقیقی از وضعیت شفت موتور داشته باشد. این اطلاعات را انکودر فراهم می‌کند. مزایای استفاده از انکودر در سرووموتور عبارت‌اند از:

• کنترل دقیق موقعیت
• کنترل سرعت با دقت بالا
• پاسخ سریع به تغییرات بار
• امکان اجرای پروفایل‌های حرکتی پیچیده

انواع انکودرها

انکودرها را می‌توان از جنبه‌های مختلف تقسیم‌بندی کرد، اما رایج‌ترین دسته‌بندی به دو نوع اصلی مربوط می‌شود:

1. انکودر افزایشی (Incremental Encoder)

انکودر افزایشی سیگنال‌هایی تولید می‌کند که نشان‌دهنده تغییر موقعیت هستند، نه موقعیت مطلق. با شروع حرکت، سیگنال پالس ایجاد می‌شود و کنترلر با شمارش این پالس‌ها، موقعیت نسبی را می‌فهمد. این نوع انکودر دارای حداقل دو کانال A و B است که با اختلاف فاز ۹۰ درجه عمل می‌کنند (برای تعیین جهت چرخش) و بعضاً یک کانال Z برای علامت مرجع دارند.

مزایا:

• ساده و ارزان
• پاسخ سریع
• مناسب برای کنترل سرعت

معایب:

• در صورت قطع برق، موقعیت مطلق از بین می‌رود
• نیاز به مرجع‌گیری (Homing) در شروع

2. انکودر مطلق (Absolute Encoder)

این نوع انکودر در هر لحظه موقعیت مطلق شفت را گزارش می‌دهد. به ازای هر زاویه، کدی خاص (باینری، گری، یا دیگر کدهای عددی) تولید می‌شود که نشان‌دهنده موقعیت دقیق است.

مزایا:

• حفظ موقعیت حتی پس از قطع برق
• عدم نیاز به مرجع‌گیری
• مناسب برای سیستم‌های حساس

معایب:

• پیچیده‌تر و گران‌تر
• ممکن است نرخ پاسخ پایین‌تری نسبت به انکودر افزایشی داشته باشد

نحوه عملکرد انکودر نوری (Optical Encoder)

در انکودرهای نوری، دیسکی از جنس شفاف یا نیمه‌شفاف وجود دارد که دارای شیارها یا کدهایی است. نور از منبع نور (LED) به دیسک تابیده می‌شود و از طرف دیگر توسط سنسور نوری دریافت می‌گردد. با چرخش دیسک، شیارها باعث قطع و وصل شدن نور می‌شوند که به شکل پالس‌های الکتریکی به کنترلر ارسال می‌گردد.

دقت و رزولوشن انکودر

یکی از ویژگی‌های مهم انکودر، رزولوشن (Resolution) آن است که به تعداد پالس‌ها در هر دور (PPR: Pulses Per Revolution) گفته می‌شود. هرچه رزولوشن بالاتر باشد، دقت اندازه‌گیری موقعیت و سرعت نیز افزایش می‌یابد. برای سرووموتورهایی که نیاز به موقعیت‌یابی دقیق دارند (مانند CNC، رباتیک یا چاپ سه‌بعدی)، استفاده از انکودرهای با رزولوشن بالا ضروری است.

ارتباط انکودر با درایور و کنترلر

در سیستم‌های سروو، انکودر به درایور یا کنترلر متصل می‌شود و اطلاعات لحظه‌ای موقعیت یا سرعت را ارسال می‌کند. این اطلاعات با فرمان ورودی مقایسه می‌شود و بر اساس خطای موقعیت، جریان یا ولتاژ مناسب به موتور داده می‌شود. این فرآیند در زمان واقعی (Real Time) انجام می‌شود و باعث پاسخ‌گویی سریع سیستم می‌شود.

کاربردهای رایج انکودر در سرووموتور

1. ماشین‌های CNC
   برای کنترل دقیق موقعیت ابزار برش.
2. رباتیک صنعتی
   برای حرکت دقیق بازوهای ربات در محیط‌های سه‌بعدی.
3. ماشین‌های بسته‌بندی و چاپ
   برای هماهنگی بین حرکت محصول و عملکرد دستگاه.
4. درایو آسانسور و پله برقی
   برای کنترل روان و ایمن حرکت.
5. سیستم‌های اندازه‌گیری دقیق
   مانند طیف‌سنج‌ها یا تلسکوپ‌های دیجیتال.

چالش‌ها و نکات فنی در انتخاب انکودر

• محیط کاری: برخی انکودرها در محیط‌های گرد و خاک یا مرطوب کارایی خود را از دست می‌دهند.
• نویز الکترومغناطیسی: ممکن است سیگنال‌های دیجیتال انکودر در محیط‌های صنعتی با نویز مواجه شوند، لذا استفاده از کابل‌های شیلددار توصیه می‌شود.
• هم‌ترازی مکانیکی (Alignment): نصب نادرست انکودر ممکن است باعث تولید سیگنال خطا شود یا حتی آسیب فیزیکی بزند.
• نوع خروجی سیگنال (TTL, HTL, SSI, BiSS): باید با درایور و کنترلر سازگار باشد.

نتیجه‌گیری

انکودر یکی از اجزای حیاتی در سیستم‌های مبتنی بر سرووموتور است که اطلاعات حیاتی موقعیت، سرعت و جهت را فراهم می‌کند. انتخاب صحیح نوع انکودر (افزایشی یا مطلق)، رزولوشن مناسب و هماهنگی آن با سیستم کنترل، تأثیر مستقیمی بر عملکرد نهایی سیستم دارد. امروزه با پیشرفت فناوری، انکودرهای هوشمند و دیجیتال با قابلیت‌های ارتباطی پیشرفته مانند EtherCAT و Profinet نیز به بازار عرضه شده‌اند که امکان پیاده‌سازی سیستم‌های صنعتی مدرن و دقیق‌تر را فراهم می‌کنند.