Enkoder – działanie, budowa, rodzaje

Co to jest enkoder i do czego służy?

Enkoder jest urządzeniem elektronicznym stosowanym do określania położenia, prędkości, kąta obrotu lub odległości. Przetwarza ruch fizyczny na sygnały elektryczne, który następnie odczytuje urządzenie nadrzędne takie jak sterownik PLC, licznik, wskaźnik lub panel HMI. Enkodery są powszechnie wykorzystywane w automatyce przemysłowej umożliwiając monitorowanie, sterowanie i regulację ruchu, zapewniając precyzję i wydajność maszyn.

Jak działa enkoder?

Działanie enkodera opiera się na generowaniu impulsów poprzez odczyt pozycji z tarczy (enkodery optyczne) lub z magnesu przy użyciu czujnika halla (enkodery magnetyczne), które są proporcjonalne do wykonywanego ruchu. Enkodery dzielimy na inkrementalne, generujące impulsy zliczane przez dedykowany układ w celu określenia ruchu względnego, lub absolutne, dostarczające informację o pozycji nawet po odłączeniu napięcia zasilania i ponownym jego podłączeniu.

Budowa enkodera

Enkoder składa się z kilku głównych elementów, które współdziałają w celu generowania sygnałów opisujących ruch i pozycję. Oto podstawowe elementy budowy enkodera:

1. Tarcza enkodera: Tarcza enkodera może być wykonana z różnych materiałów, takich jak tworzywo, metal lub szkło. Na tarczy znajduje się wygrawerowany lub wydrukowany wzór kodu, który jest odczytywany przez czujniki w enkoderze. W przypadku enkoderów inkrementalnych tarcza zawiera sekwencję szczelin lub impulsów. W enkoderach absolutnych natomiast tarcza zawiera unikalny wzór kodu dla każdej pozycji.
2. Czujniki: Enkoder obrotowy wykorzystuje czujniki do odczytu informacji z tarczy. W przypadku tarczy optycznej czujnik to zazwyczaj fotodioda lub fototranzystor, które rejestrują zmiany w sygnale odbijającym się od tarczy enkodera. W przypadku enkoderów magnetycznych, gdzie wykorzystuje się magnes, czujnik zazwyczaj jest Hallotronem, który wykrywa zmiany w polu magnetycznym generowanym przez w/w magnes.
3. Elektronika odczytu: Sygnały z czujników są przekazywane do elektroniki odczytu, która przetwarza te sygnały na dane o obrocie. Elektronika odczytu może zawierać układy wzmacniaczy, konwertery analogowo-cyfrowe (ADC) i inne komponenty elektroniczne potrzebne do przetwarzania sygnałów z czujników.
4. Interfejs komunikacyjny: Każdy enkoder obrotowy posiada wbudowany interfejs komunikacyjny, taki jak Analog, Modbus, CANopen, SSI, IO-Link, Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP, Powerlink (dot. enkoderów absolutnych) czy HTL (Push-Pull) bądź TTL (dot. enkoderów inkrementalnych). Odpowiednio dobrany interfejs pozwala na przesyłanie danych o obrocie enkodera i poprawną komunikację z innymi urządzeniami lub systemami sterowania.
5. Obudowa: Enkoder obrotowy jest zwykle zamknięty w obudowie, która chroni go przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak kurz, wilgoć czy wibracje. Obudowa może być wykonana z tworzywa sztucznego lub metalu, w zależności od wymagań aplikacji. W strefach zagrożonych wybuchem stosuje się specjalne obudowy ognioszczelne.

Rodzaje enkoderów

Istnieje kilka rodzajów enkoderów, które różnią się zasadą działania i sposobem generowania sygnałów. Oto podstawowy podział enkoderów:

1. Enkodery inkrementalne: Enkodery inkrementalne generują impulsy elektryczne w odpowiedzi na ruch. Impulsy są zliczane przez właściwy układ, umożliwiając określenie ruchu względnego. W enkoderach inkrementalnych występują dwa główne sygnały: A i B (przesunięte w fazie o 90°) oraz Z (sygnał referencyjny). Sygnały A i B generują impulsy w pełnym zakresie obrotu (ilość impulsów uzależniona jest od rozdzielczości enkodera), natomiast sygnał Z jest generowany raz na pełny obrót enkodera i służy do określenia pozycji początkowej.
2. Enkodery absolutne: Enkodery absolutne posiadają unikalny kod lub sygnał dla każdej możliwej pozycji. Oznacza to, że enkoder bezpośrednio informuje o aktualnej pozycji, niezależnie od ruchu, nawet po odłączeniu napięcia zasilania i ponownym jego podłączeniu.
3. Enkodery optyczne: Enkodery optyczne korzystają z detekcji światła i szczelin na tarczy enkodera do generowania sygnałów. Mogą zapewniać wysoką rozdzielczość i precyzję, ale mogą być wrażliwe na zabrudzenia lub uszkodzenia optyki.
4. Enkodery magnetyczne: Enkodery magnetyczne wykorzystują pole magnetyczne do generowania sygnałów. Dzięki zastosowanym magnesom są odporne na warunki zewnętrzne, takie jak wibracje, pył czy wilgoć, co czyni je przydatnymi w trudnych środowiskach pracy.
5. Enkodery z wałkiem lub z otworem: W zależności od wersji enkoder może posiadać wyprowadzony wałek, umożliwiający połączenie z układem mechanicznym (połączenie najczęściej realizowane przy użyciu sprzęgła). Enkoder może również posiadać otwór (ślepy lub przelotowy), który pozwala osadzić enkoder na wałku (wyprowadzeniu) układu mechanicznego (silnika, itp.). Poniżej przedstawiono najbardziej popularne warianty budowy:

• • Enkoder z kołnierzem synchro
    
  • Enkoder z kołnierzem zaciskowym
    
  • Enkoder z kołnierzem i otworem ślepym

Tutaj dowiesz się jak wybrać enkoder.

Rozdzielczość enkodera

Rozdzielczość enkodera odnosi się do liczby impulsów generowanych przez enkoder podczas wykonania jednego pełnego obrotu. Określa, jak dokładnie enkoder może mierzyć i raportować zmiany w pozycji.

W przypadku enkoderów inkrementalnych, rozdzielczość jest wyrażana w liczbie impulsów na obrót lub na jednostkę przemieszczenia. Na przykład, enkoder o rozdzielczości 100 impulsów na obrót generuje 100 impulsów elektrycznych w ciągu jednego pełnego obrotu.
W enkoderach absolutnych, rozdzielczość odnosi się do odczytywanych kodów, który enkoder może rozpoznać. Na przykład, enkoder absolutny o rozdzielczości 12 bitów może rozpoznać 4096 pozycji.

Wyższa rozdzielczość oznacza większą precyzję pomiaru i możliwość dokładniejszego określenia pozycji. Jednak większa rozdzielczość może wymagać bardziej zaawansowanych urządzeń odczytujących dane i może wpływać na prędkość i wydajność systemu.

Rozdzielczość enkodera jest jednym z czynników, które należy wziąć pod uwagę przy doborze enkodera do konkretnego zastosowania, uwzględniając wymagania odnośnie precyzji, prędkości, zakresu pomiarowego i innych czynników.

Sprzęgło enkodera

Sprzęgło enkodera, poza uchwytem montażowym, jest jednym z najczęściej stosowanych akcesoriów. Ma ono za zadanie połączyć oś enkodera z osią napędową (osią silnika lub przekładni).

Główne funkcje sprzęgła enkodera to:

1. Przekazywanie ruchu: Sprzęgło enkodera służy do bezpośredniego przekazywania ruchu z mechanicznego układu do samego enkodera. Dzięki temu enkoder może dokładnie śledzić zmiany pozycji, obrotów lub przesunięć.
2. Eliminowanie odkształceń: Sprzęgło enkodera może również pomagać w redukcji odkształceń i naprężenia mechanicznego wynikających np. z nie-osiowości. Chroni enkoder przed nadmiernym obciążeniem lub uszkodzeniem, co może wpływać na jego dokładność i trwałość.
3. Dostosowanie do różnych osi: Istnieje wiele typów sprzęgieł enkodera, umożliwiając połączenie enkodera z różnymi rodzajami osi i mechanizmów. Występują sprzęgła z tworzywa, aluminium, stalowe. W dodatku mogą być one nacinane, mieszkowe, kłowe, elastyczne, sztywne lub w innych, specjalnych wykonaniach.

Sprzęgło enkodera jest istotnym elementem, który umożliwia poprawne działanie enkodera i dokładne śledzenie ruchu. Dobre dopasowanie sprzęgła do enkodera i mechanicznego systemu jest kluczowe, aby zapewnić precyzję, niezawodność i trwałość całego układu.