Spis treści:
Enkodery to grupa urządzeń wykorzystywanych do precyzyjnego pomiaru ruchu obrotowego. Zasada działania enkoderów polega na przekształceniu mierzonego ruchu obrotowego w sygnał elektryczny pozwalający na określenie liczby obrotów, przesunięcia i pozycji kątowej.
Podstawowe informacje o enkoderach
Enkodery to niewielkie urządzenie dostarczające precyzyjnych informacji o połączeniu kątowym przedmiotu (np. wału) znajdującego się w ruchu, a także kierunku obrotów oraz odległości dzielącej enkoder i element ruchomy. Zasada działania enkoderów optycznych opiera się o wykorzystanie zjawiska fotoelektrycznego. Wybrane enkodery są wyposażone w obrotową tarczę z naciętymi szczelinami. Z kolei inne modele mają przezroczystą tarczę i nadrukowane przesłony. Z jednej strony tarczy znajduje się źródło światła. Najczęściej jest to energooszczędna dioda LED. Po przeciwnej stronie jest zamontowany element światłoczuły (np. fotodioda). W momencie, gdy tarcza zaczyna się obrać, emitowane światło w postaci impulsów dociera do części światłoczułej.
W ten sposób jest wytwarzane napięcie impulsowe. Pozostałe rodzaje enkoderów wykorzystują inne technologie do wytwarzania sygnału elektrycznego, np. rezystancyjne, magnetyczne i mechaniczne.
Wybrane rodzaje enkoderów
Wyróżniamy kilka rodzajów enkoderów, które różnią się od siebie m.in. sposobem działania i zastosowaniem. Oprócz opisanego wcześniej enkodera optycznego, wyróżniamy także modele magnetyczne, które służą do precyzyjnego mierzenia ruchu liniowego lub obrotowego poprzez wykorzystanie zjawiska magnetycznego. Urządzenia tego typu składają się z m.in. magnetycznej tarczy obrotowej i czujnika, którego głównym zadaniem jest reakcja na zmieniające się pole magnetyczne. Zastosowanie enkodera magnetycznego obejmuje m.in. automatykę przemysłową (precyzyjne monitorowanie pozycji wałów i innych elementów obrotowych). Ponadto są wykorzystywane w robotyce, transporcie, a nawet w medycynie.
Z kolei enkoder rezystancyjny wykorzystuje zmiany oporności do wytwarzania sygnałów wyjściowych na podstawie ruchów mechanicznych. Urządzenia tego typu są zbudowane m.in. ze ścieżki rezystancyjnej o zmiennej oporności, suwaka i terminali, do których są podłączone przewody.
W jaki sposób działa enkoder rezystancyjny? W momencie, gdy suwak przemieszcza się po ścieżce rezystancyjnej następuje zmiana oporności między jednym z terminali a suwakiem. Zmiana oporności jest proporcjonalna do aktualnego położenia suwaka. Wygenerowany sygnał wyjściowy (elektryczny) jest proporcjonalny do zmiany rezystancji. Zastosowanie enkoderów rezystancyjnych obejmuje m.in. potencjometry, czujniki położenia, kontrolery i joysticki.
Czym są i jak działają enkodery mechaniczne?
Enkodery mechaniczne wykorzystują fizyczny kontakt do wytwarzania sygnału wyjściowego. Innymi słowy zamieniają ruch obrotowy na sygnał elektryczny. Budowa enkodera mechanicznego obejmuje m.in. tarczę ze ścieżkami lub sektorami o różnych właściwościach przewodzących, kontakty ślizgowe i wał. Zasada działania urządzenia tego typu polega na przesuwaniu kontaktów ślizgowych po tarczy kodowej. W zależności od konkretnej pozycji kontaktów na tarczy, obwód jest przerwany lub zamykany. W ten sposób odbywa się generowanie odpowiedniego sygnału elektrycznego.
Zastosowanie enkoderów mechanicznych obejmuje m.in. systemy pozycjonowania i zegary. Urządzenia tego typu mają pewne ograniczenia wynikające np. z zużycia elementów stykowych i potencjalnych zakłóceń spowodowanych m.in. kurzem.
Co to jest i do czego służy enkoder absolutny?
Enkoder absolutny jest specyficznym rodzajem cyfrowego przetwornika kąta obrotu. To urządzenie podaje precyzyjne informacje dotyczące kąta obrotu elementu ruchomego na podstawie ustalonego jednorazowo położenia. Enkoder absolutny, a dokładniej jego rozdzielczość przeważnie nie przekracza 25 bitów. Dodatkowo w takich przetwornikach może być wykorzystany cykliczny kod Graya. Ze względu na swoje właściwości i możliwość wskazania kąta obrotu, nawet w przypadku odcięcia zasilania, enkodery znajdują zastosowanie m.in. w automatyce przemysłowej i w maszynach CNC.
Ponadto wykorzystuje się je w robotach przemysłowych i innych urządzeniach, w których precyzyjne pozycjonowanie elementów ruchomych jest kluczowe. Enkoder absolutny znajduje zastosowanie również w medycynie, np. w tomografach i robotach chirurgicznych, w których jest odpowiedzialny za precyzyjne pozycjonowanie. Z kolei w transporcie urządzenia tego typu są używane do monitorowania położenia kół w pociągach i samochodach. Następną branżą jest energetyka, w której enkoder jest używany m.in. do monitorowania pracy łopatek turbin wiatrowych.
Enkoder absolutny – dodatkowe informacje
Skąd wzięła się nazwa enkodery absolutne? Urządzenia tego typu przetwarzają aktualną pozycję na wartości cyfrowe. Wykorzystują do tego kod Gray’a, BCD lub kod binarny. Każda pozycja enkodera to jedna unikalna wartość w postaci cyfrowej. Stąd właśnie wzięła się nazwa enkoder absolutny.
Najpopularniejszym interfejsem komunikacyjnym jest SSI, czyli szeregowy interfejs synchroniczny. Zasada działania tego interfejsu polega na przesyłaniu informacji cyfrowej bezpośrednio do magistrali danych w sposób pojedynczy, czyli po jednym bicie zsynchronizowanym w takt tak zwanego wejścia zegarowego.
Wybrane modele enkoderów absolutnych można w łatwy sposób podłączyć do mikrokontrolerów (np. popularnej serii Arduino) i minikomputerów (np. Raspberry Pi). Przeważnie wymagają zasilania w zakresie od 3,3 V do 5 V.
W przypadku enkoderów absolutnych obrotowych rozróżniamy urządzenia jedno i wieloobrotowe. W przypadku modeli jednoobrotowych obrócenie wału o 360° daje taką samą wartość cyfrową jak początkowa. Enkoder absolutny wieloobrotowy jest wyposażony w system przekładni, dzięki któremu zapewnia unikalną wartość cyfrową. Modele umożliwiające precyzyjne rozpoznawanie więcej niż jednej liczby obrotów wyróżniają się większą rozdzielczością całkowitą. Ta wartość jest iloczynem liczby pozycji na obrót i liczby obrotów.
