انواع مدار خروجی انکودر و کاربردهای آن

امروزه تشخیص و کنترل دقیق حرکت به خصوص در سرعت های بالا در پروسه های صنعتی، بسیار حائز اهمیت است، زیرا بسیاری از تولیدات، وابسته به اندازه گیریِ دقیقِ جهت حرکت، موقعیت شی، مقدار جابه جایی شی، سرعت حرکت شی، شمارش تعداد آن ها و غیره هستند، که تشخیص این موارد، توسط انسان کاری بسیار سخت و زمانبر و یا غیرممکن است.

لذا از بین هزارن سنسوری که درصنعت وجود دارند، انکودرها روانه بازار شدند تا بتوانند، زاویه چرخش، فاصله جابه جایی، سرعت چرخش و هر آنچه مربوط به motion  هست را سنس کنند. هدف اصلی این مقاله معرفی انواع مدار خروجی انکودر ها است. لذا قصد داریم، ابتدا انکودر را به طور مختصر معرفی کرده و سپس به هدف اصلی مقاله یعنی بررسی انواع مدار خروجی انکودر بپردازیم.

در دوره اتوماسیون تکمیلی، فصل انکودر، رزولوشن و محاسبات انکودر، به طور جامع و کامل آموزش داده شده است.

انکودر چیست؟

انکودرها، تجهیزاتی هستند که میتوانند پارامترهای حرکتی را سنس کرده، به سیگنالِ الکتریکی تبدیل کنند تا سیستم کنترلی، این سیگنال ها را به عنوان فیدبک دریافت کرده و فرامین کنترلی و دستور لازم را به عملگرها بفرستند.

و یا به عبارت ساده تر، انکودرها معمولا زمانی استفاده می شوند که نیاز باشد از خروجی، فیدبک گرفته و آن را برای کنترل کننده ارسال نمود، تا سرعت، موقعیت، چپگرد یا راستگرد بودن و غیره تشخیص داده شود.

برای مطالعه بیشتر در مورد انکودرها و انواع آن‌هامقاله انکودرچیست؟رامطالعه کنید

شکل 1 – شفت انکودر

کاربرد انکودر

انکودرها در تجهیزات اتوماسیون صنعتی و کنترل پروسه ها، کاربردهای فراوانی دارند که آن ها را در زیر بیان نموده ایم:

• کانوایرها
• اکسترودرها
• ماشین های مونتاژ
• ماشین آلات بسته بندی
• آسانسور
• ماشین آلات حفاری
• ماشین های CNC
• جرثقیل
• بال اسکرو
• صنایع غذا و نوشیدنی
• ماشین های پر کن
• دستگاه‌های پزشکی
• و غیره

انواع انکودرها

انکودرها از منظرهای مختلفی دسته بندی می شوند:

1- انکودرها از نظر نوع حرکت

 به طور کلی انکودرها از نظر نوع حرکت، به دو دسته ی خطی (Linear) و دوار (Rotary) تقسیم می‌شوند.

1. دوار یا روتاری یا چرخشی (Rotary)
2. خطی (Linear)

نکته: به انکودرهای دوار، شفت انکودر نیز می گویند.

2-  انکودرها از نظر نوع تکنولوژی ساخت    

انکودرها از این منظر به 5 دسته ی زیر تقسیم می شوند:

1. مغناطیسی
2. نوری
3. خازنی
4. القایی
5. مکانیکی

3- انکودرها از نظر عملکرد و نوع سیگنال خروجی

1. افزایشی (Incremental)
2. مطلق (Absolute)

رایج ترین انکودرها در صنعت، انکودرهای دوارِ نوریِ افزایشی هستند. لذا در این مقاله نیز منظور از انکودر، انکودرهای دوار نوری افزایشی است.

مراحل عملکرد شفت انکودر نوری افزایشی

1- پرتوی نور از LED  ساطع می شود و از یک دیسک کد گذاری شده ی شفاف با خطوط مات، عبور می کند.

2-این پرتوی نور، توسط یک فوتودیتکتور، که فوتودیود یا سنسور نوری نیز نامیده می شود، گرفته می شود.

3- فوتودیتکتور به پرتو نور پاسخ داده و یک شکل موج سینوسی تولید می کند. سپس این پرتو، به یک موج مربعی (square wave) یا قطار پالس (pulse train)، تبدیل می شود.

4- این سیگنال از طریق یک برد الکترونیکی، به کنترلر، ارسال می شود.

5- در آخر، کنترل کننده، سیگنال را برای عملکرد مناسب (توقف، حرکت، چرخش و غیره) به عملگر ارسال می کند.

شکل 2- شفت انکودر نوری افزایشی

در این انکودر ها می توان جهت چرخش را نیز مشخص نمود، به طوری که اگر در چرخش انکودر، ابتدا پالسA  ظاهر گردد و بعد از 90 درجه پالسB ،  جهت چرخش ساعتگرد یا CW است ولی اگر ابتدا پالس B و سپس پالس A ظاهر شود، جهت چرخش، پادساعتگرد یا CCW است.

شکل 3- نحوه ی تعیین جهت چرخش

رزولوشن انکودر

برای نمایش رزولوشن انکودر معمولا از اصطلاح PPR یا Pulses per Revolution استفاده می شود. PPR تعداد پالس هایی است که انکودر در هر یک از خروجی های خود  (A یا B)، در یک دور، ایجاد می کند. به زبان ساده تر، PPR  (پالس در هر دور) به این معنی است که چه تعداد پالس می تواند از طریق دیسک انکودر در یک چرخش کامل به کنترل کننده منتقل شود. پس از مشخص شدن رزولوشن، می توان از آن برای محاسبه تعداد درجه مکانیکی هر پالس استفاده کرد.

پلاک خوانی انکودر

اطلاعات مهم روی پلاک انکودر شامل موارد زیر است:

شکل 4- پلاک خوانی انکودر

• E40: قطر انکودر 40 میلی متر
• S: دارای شفت (اگر H باشد، بیانگر هالو شفت است)
• 6: قطر شفت 6 میلی متر
• 600: بیانگر رزولوشن: 600 پالس در هر دور (600 PPR)
• 3: تعداد کانال های خروجی: A، B و Z
• N: نوع مدار خروجی انکودر (NPN Open-collector output)
• 24: منبع تغذیه 12تا 24 ولت DC

لذا هنگام انتخاب انکودرها، حتما باید به مشخصاتِ روی پلاک آن دقت کرده و انکودری را انتخاب نماییم که مناسبِ پروسه ی مد نظر باشد. نگفته نماند که موارد بالا به طور مفصل در دوره اتوماسیون تکمیلی فصل انکودرها، بررسی شده است.

حال با اطلاعاتی که به دست آورده اید، تحلیل پلاک انکودر برایتان ساده است .

ممکن است از خود بپرسید، نوع مدار خروجی انکودر چیست؟

همانطور که می دانید، انکودر در ساختمان خود دارای مدار الکترونیکی است که شناخت آن در انتخاب انکودر تاثیر گذار است.

انکودرهای افزایشی، بسته به نوع مدار خروجی، 4 نوع خروجی دیجیتال را ارائه می دهد:

1. Voltage Output
2. Open-collector output
3. Push-pull output (Totem Pole output)
4. Line driver output

لذا بهتر است انوع مدار خروجی انکودر و مزایا و معایب آن ها را شناخته تا در اتصال انکودر در فواصل مختلف و همچنین اتصال آن ها به PLC یا شمارنده دچار اشکال نشوید.

با ماهر همراه باشید.

انواع مدار خروجی انکودر افزایشی

بر اساس تجزیه و تحلیل مستندات فنی سازندگان انکودر، انکودرهای افزایشی با توجه نوع خروجی به انواع زیر طبقه بندی می شوند:

• Voltage Output

در این مدار، یک مقاومت بین کلکتور و منبع تغذیه قرار می گیرد تا خروجی از کلکتور به ولتاژ تبدیل شود. از این نوع مدار خروجی، به ندرت و در فواصل کوتاه استفاده می شود.

برای مطالعه بیشتر در مورد انواع مدار خروجی انکودر و کاربردهای آن کلیک کنید!

شکل 5 – مدار خروجی Voltage

• NPN Open-collector output

همانطور که در زیر نشان داده شده است، این مدار، یکی از انواع خروجی های انکودر است که از ترانزیستور NPN استفاده می کند تا ترمینال کلکتور بتواند به عنوان ترمینال خروجی استفاده شود. از این نوع مدار خروجی در فواصل کوتاه استفاده می شود.

شکل 6- مدار خروجی NPN Open-collector

این مدار زمانی مفید است که ولتاژ پاور انکودر و ولتاژ پاور کنترلر با یکدیگر مطابقت نداشته باشند. به عنوان مثال، انکودر را می توان با 5 ولت تغذیه کرد، و خروجی را می‌توان تا سطح 24VDC کشید.

• Push-pull output (Totem Pole output)

خروجی Push – pull یا Totem Pole همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، نوعی مدار الکترونیکی است که از دو ترانزیستور بین V+ و 0V تشکیل شده است. یعنی هر دو ترانزیستورِ NPN و PNP را در خود جای داده اند. لذا این طراحی باعث شده که مدار، ویژگی هر دو نوع خروجی های سینک (Sinking) و سورس (Sourcing) را نیز در یک دستگاه داشته باشد.

شکل 7- مدار خروجی Push-pull

بسته به اینکه خروجی سیگنال پالس مربعی زیاد  (High) “H” یا کم (Low) “L” باشد، این دو ترانزیستور به طور متناوب روشن (ON) و خاموش (OFF) می‌شوند. به طوری که اگر سطح سیگنال خروجی، “H” یا برابر با سطح منبع تغذیه (+V) باشد، جریان به بار وارد (pushing or sourcing) می شود.

اگر سطح سیگنال خروجی “L” یا برابر با سطح ولتاژ مشترک منبع تغذیه (0V) باشد، جریان از بار کشیده (pulling or sinking) می شود.

شکل 8- مدار خروجی Push-pull

شکل 9- سطح سیگنال های خروجی

نقطه ضعف این مدار، عدم ایمنی در برابر نویز است، زیرا هنگامی که خروجی  (Sourcing) “H” است، هر نویز، ریپل و غیره که در خطوط تغذیه DC انکودر وجود دارد، مستقیماً به مدار ورودی شمارنده یا PLC ریخته می شود.

هنگامی که خروجی  (Sinking) “L” است نیز، مصونیت نویز مانند زمانی است که از  Open-collector استفاده شده است.

• Line driver output (Differential output)

به این نوع خروجی، خروجی دیفرانسیلی یا RS-422  (Differential output, RS-422 connector output) نیز گفته می شود. در این نوع مدار، یک خروجی دوم نیز اضافه می شود که سیگنال خروجی را معکوس می کند. یعنی علاوه بر خروجی های A,B,Z ، خروجی های  نیز وجود دارد. برای پردازش دو سیگنال، وجود گیرنده مناسب در مدار اندازه گیری ضروری است.

این نوع خروجی در محیط هایی استفاده می شود که احتمال تداخلِ زیاد وجود داشته یا مسافت طولانی است. مقدار سطح سیگنال خروجی برای برخی از انواع خروجی های انکودر افزایشی را می توان به صورت TTL  (ولتاژ تغذیه 5 ولت) یا  HTL (ولتاژ تغذیه در محدوده حدودا 10 تا 24 ولت) نشان داد. به طور معمول، سیگنال های 24 ولت برای تغذیه ورودی های دیجیتال  PLC استفاده می شود.

شکل 10- مدار خروجی  Line driver

نکته: رنگ بندی سیم های انکودر، بسته به شرکت سازنده متفاوت است.

نکته جالبِ توجه:

امروزه اکثر انکودرهای افزایشی دارای خروجی Push-Pull (HTL) یا RS422 (TTL) هستند. این مدارها تقریبا جایگزین مدارهای خروجی قدیمی مانندOpen Collector  و Voltage Output شده اند.

اما همراه با ماهر، بیایید ویژگی هر یک را بررسی نماییم.

انکودرهای افزایشی می توانند با توجه به مدار خروجی، هر یک از چندین نوع سیگنال خروجی را که در بالا بررسی نمودیم، ارائه دهند، اما دو تا از رایج ترین آن ها HTL و TTL است که در واقع همه ی آن ها به نوعی، زیر مجموعه ی این دو هستند:

HTL (High-Threshold-Logic)- این مدار خروجی، معمولاً برای درایورهای خروجی push-pull  استفاده می شود. و باعث می شود که انکودر، خروجی با ولتاژی مشابه ورودی تولید کند. برای مثال، اگر یک انکودر HTL را با ورودی 12V تغذیه کنید، خروجی 12V را ارائه می دهد. اگر آن را با ورودی 5V تغذیه کنید، خروجی 5V تولید می کند. اگر ولتاژ تغذیه 24VDC+  باشد، سیگنال خروجی 24VDC+  است. این نوع خروجی زمانی استفاده می شود که کنترل کننده، PLC  یا غیره به سیگنال های سطح 12Vیا  24V نیاز دارند.

شکل 11- مدار HTL Push-Pull 

این مدار از دو ترانزیستور در پیکربندی Totem برای تولید کانال های خروجی استفاده می کند.

(Transistor-Transistor-Logic) TTL– مدار خروجی TTL از سیگنال دهی RS-422 استفاده می کند که آن را برای محیط های دارای نویز مناسب می کند. مدار خروجی TTL صرف نظر از ولتاژ تغذیه، سطح سیگنال خروجی 5VDC ارائه می کند. به عنوان مثال، اگر ولتاژ تغذیه 24VDC+  باشد، سیگنال خروجی 5VDC+  است. خروجی‌های TTL را می‌توان طوری تنظیم کرد که ورودی‌های 4.5 تا 5 ولت یا 10 تا 30 ولت را دریافت کنند. این ویژگی به کاربران انعطاف‌پذیری بیشتری برای گرفتن طیف وسیعی از ولتاژهای ورودی را می‌دهد.

شکل 12- مدار RS422 -TTL

خروجی های دیفرانسیل دارای بالاترین قابلیت پاسخ فرکانسی و بهترین ایمنی در برابر نویز هستند.

جمع بندی

در این مقاله، انکودر به طور مختصر معرفی شده و انواع مدار خروجی آن، بررسی شد. لازم به ذکر است که در دوره اتوماسیون تکمیلی، فصل انکودرها، مرجع بسیار کاملی برای آموزش انکودر است. چراکه نه تنها این تجهیز ارزشمند به طور کامل و جامع مورد بررسی قرار گرفته، بلکه نحوه ی راه اندازی، نکات مهم نصب مکانیکی، پیکربندی آن در  PLC،  محاسبات، کنترل موقعیت، کنترل سرعت و کار با آن در پروسه های صنعتی آموزش داده شده است.

منبع: sick.com