مقدمه

انکودر افزایشی یکی از پرکاربردترین انواع سنسورهای موقعیت و سرعت در صنعت است. این انکودرها در سیستم‌های مختلفی از جمله اتوماسیون صنعتی، ماشین‌آلات CNC، پرینترهای سه‌بعدی، رباتیک و ابزارهای اندازه‌گیری دقیق استفاده می‌شوند. سادگی ساخت، هزینه‌ی پایین و سرعت پاسخ‌دهی بالا، باعث شده است که انکودر افزایشی در بسیاری از کاربردها نسبت به انکودر مطلق ترجیح داده شود. در این مقاله، به بررسی کامل انکودر افزایشی، ساختار آن، نحوه عملکرد، مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای صنعتی آن می‌پردازیم.

انکودر افزایشی چیست؟

انکودر افزایشی دستگاهی است که حرکت مکانیکی چرخشی یا خطی را به سیگنال الکتریکی پالس‌شکل تبدیل می‌کند. این پالس‌ها نشان‌دهنده تغییر موقعیت هستند، نه موقعیت مطلق. کنترلر یا درایو با شمارش این پالس‌ها می‌تواند میزان جابجایی، سرعت حرکت و در بعضی موارد جهت چرخش را تعیین کند.

ساختار انکودر افزایشی

یک انکودر افزایشی معمولاً از اجزای زیر تشکیل می‌شود:

1. دیسک کدگذاری‌شده (Code Disk):
   دیسکی نازک از جنس شیشه، فلز یا پلاستیک که دارای شیارها یا نوارهای تاریک و روشن منظم است.
2. منبع نور (LED):
   نور را به سمت دیسک می‌تاباند.
3. سنسور نوری (Photodetector):
   تغییرات نوری ایجادشده بر اثر چرخش دیسک را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.
4. مدار پردازش سیگنال:
   پالس‌های تولیدشده را تقویت و به فرمت قابل استفاده برای سیستم کنترل تبدیل می‌کند.

نحوه عملکرد

زمانی که دیسک می‌چرخد، الگوهای نوری بر روی سنسورها قطع و وصل می‌شوند. این تغییرات باعث تولید پالس‌های الکتریکی می‌شود. انکودر افزایشی معمولاً دارای دو کانال خروجی اصلی به نام‌های A و B است. این دو سیگنال با اختلاف فاز ۹۰ درجه تولید می‌شوند که از طریق آن می‌توان جهت چرخش را تعیین کرد.

بعضی انکودرها یک کانال سوم به نام Z نیز دارند که فقط یک پالس در هر دور کامل شفت تولید می‌کند. این پالس به عنوان پالس مرجع یا هم‌زمان‌سازی (Index pulse) شناخته می‌شود.

رزولوشن یا دقت انکودر افزایشی

دقت انکودر افزایشی معمولاً با معیار PPR (Pulses Per Revolution) سنجیده می‌شود، که بیانگر تعداد پالس‌هایی است که در هر چرخش کامل شفت تولید می‌شود. هر چه PPR بالاتر باشد، دقت اندازه‌گیری بیشتر است. انکودرهای صنعتی رایج معمولاً دارای رزولوشن‌هایی بین 100 تا 10,000 پالس بر دور هستند.

همچنین با استفاده از تکنیک‌های پردازش دیجیتال می‌توان رزولوشن مؤثر را چند برابر افزایش داد (مثلاً چهار برابر با استفاده از فازهای A، B، -A، -B).

نحوه تعیین جهت چرخش

کانال‌های A و B به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که با اختلاف فاز ۹۰ درجه کار می‌کنند. با تحلیل ترتیب بالا رفتن یا پایین آمدن سیگنال‌ها در این دو کانال، کنترلر می‌تواند تشخیص دهد که چرخش شفت در جهت ساعتگرد (CW) یا پادساعتگرد (CCW) است.

مزایا و معایب انکودر افزایشی

مزایا:

• قیمت پایین: نسبت به انکودرهای مطلق، بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
• پاسخ سریع: به دلیل ساده بودن ساختار، پاسخ زمانی بسیار خوبی دارد.
• ساختار ساده و سبک
• رزولوشن بالا با هزینه کم

معایب:

• عدم حفظ موقعیت در خاموشی: پس از قطع برق، اطلاعات موقعیت از بین می‌رود.
• نیاز به مرجع‌گیری: در شروع سیستم، معمولاً نیاز است که موقعیت اولیه شناسایی شود (Homing).
• حساس به نویز: به‌ویژه در محیط‌های صنعتی که تداخل الکترومغناطیسی بالاست.
• تجمع خطا: اگر در طول حرکت پالس از دست برود، خطا در موقعیت‌سنجی رخ می‌دهد.

کاربردهای انکودر افزایشی

1. ماشین‌آلات CNC و لیزر
   کنترل موقعیت دقیق ابزار و قطعه‌کار.
2. پرینترهای سه‌بعدی
   هماهنگی حرکت محورها و نازل چاپ.
3. روبات‌های صنعتی
   کنترل حرکت مفاصل و بازوها با دقت بالا.
4. خطوط تولید و نقاله‌ها
   اندازه‌گیری سرعت و موقعیت اجسام در حال حرکت.
5. سرووموتورها و درایوهای صنعتی
   برای فراهم‌کردن بازخورد به درایور جهت کنترل حلقه بسته.

انواع خروجی در انکودر افزایشی

بسته به طراحی انکودر و سازگاری با سیستم کنترل، خروجی‌های مختلفی برای انکودر افزایشی وجود دارد:

1. TTL (Transistor-Transistor Logic):
   مناسب برای فواصل کوتاه و نویز کم، معمولاً 5V.
2. HTL (High Threshold Logic):
   مناسب برای فواصل بیشتر، معمولاً با ولتاژهای 24V.
3. Open Collector:
   نیاز به مقاومت pull-up دارد.
4. Differential (RS-422):
   برای محیط‌های صنعتی با نویز بالا، با قابلیت ضدنویز بسیار خوب.

نکات مهم در نصب و راه‌اندازی انکودر افزایشی

1. هم‌راستایی دقیق شفت انکودر و موتور
   برای جلوگیری از فشار مکانیکی و سایش زودرس.
2. استفاده از کابل شیلددار
   به‌منظور کاهش نویز در سیگنال‌های پالس.
3. محافظت در برابر گرد و غبار و رطوبت
   استفاده از انکودرهای با درجه حفاظتی بالا (IP65 به بالا) در محیط‌های صنعتی.
4. فاصله مناسب کابل‌کشی
   در سیگنال‌های TTL، فاصله نباید بیش از 10 متر شود مگر با تقویت‌کننده.

تفاوت انکودر افزایشی و انکودر مطلق

جمع‌بندی

انکودر افزایشی یکی از مهم‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری موقعیت و سرعت در صنایع مختلف است. اگرچه نسبت به انکودر مطلق دارای محدودیت‌هایی از جمله از بین رفتن موقعیت در خاموشی است، اما با توجه به مزایایی مانند قیمت مناسب، سرعت بالا و سادگی، انتخاب اول در بسیاری از پروژه‌های صنعتی و تجاری محسوب می‌شود. برای بهره‌وری حداکثری از انکودر افزایشی، انتخاب رزولوشن مناسب، نوع خروجی سازگار با کنترلر، و نصب صحیح آن، اهمیت ویژه‌ای دارد.