Az encoder

Mi az encoder? Egy olyan jeladó, ami egy tengely elfordulását érzékelve az elfordulás szögével arányosan valamilyen elektromos jelet szolgáltat.
Sok egyéb névvel is illetik. Pl.: szög adó, forgás jeladó angular encoder, rotary encoder, stb. Nem keverendő össze azonban a tachométerrel, ami nem az elfordulás szögét, hanem a ez elfordulás sebességét méri.

A digitális elven működő encoderek működését szeretném összefoglalni (vannak színuszos, analóg jelet szolgáltató típusok is (szinusz-koszinus jeladók)).
Az encoderben egy tengely forog, amihez belül egy tárcsa van rögzítve.
A tárcsa általában átlátszó üveg, amire a pereme közelében átlátszatlan rovátkák vannak felgőzölve. Esetleg perforált fém tárcsa.
A tárcsa rovátkolt peremén optokapu világít át. (A tárcsa egyik oldalán fényforrás, a másikon fényérzékeny elem). Miközben a tárcsa forog, a rovátkák az optokapu nyalábját vagy eltakarják, vagy nem. A kapu vevő részében ennek megfelelő elektromos jel jön létre.



Alapvetően kétféle alaptípust lehet megkülönböztetni: inkrementális és abszolút. A két típus működése innentől eltérő.


Az inkrementális encoder

Az inkrementális (növekményes) jeladóban olyan tárcsa van, amelyiken egyforma távolságra egyforma méretű rovátkák vannak. A rovátkákat két db optokapu figyeli. A két kapu úgy van elhelyezve, hogy egymáshoz képest 90 fokkal eltolt fázisú jelet adjanak a tárcsa forgásakor. Ez a két jel az "A" és a "B" fázis.
Az encoder tartalmaz egy elektronikát, ami gondoskodik az optokapu fényforrásának táplálásáról és a kapu vevőjéről érkező jelet valamilyen szabványos jellé alakítja. Ez leggyakrabban TTL, nyitott kollektoros, esetleg 24V-os jel, bizonyos esetekben a jelek inverze is ki van vezetve.
Az inkrementális jeladókban van egy harmadik optokapu is, ami a tárcsa egy olyan részén világít át, ahol csak egy rovátka van. Így ez a jel a tengely teljes körülfordulásakor ad egyetlen egy impulzust. Neve "Z" vagy "Index".



Az "A" és a "B" jel tehát 50% kitöltési tényezőjű négyszög jel, melyek között 90 fokos fáziskülönbség van. A két jelre azért van szükség, mert segítségükkel az encoder tengely forgásának iránya detektálható.

Ezt a fajta jeladót azért hívják inkrementálisnak, mert a tengely elfordulásával arányos jel (impulzus sorozat) a tengely helyzetéhez relatív. Ez azt jelenti, hogy a az álló encoder abszolút szöghelyzetéről maga az encoder nem ad információt. A tényleges helyzetet a vezérlésnek kell nyilvántartania, amelyhez az encoder csatlakozik. Ezt az encoder tengelyének relatív elmozdulási távolságából tudja megtenni.

Ezt könnyebb megérteni, ha tudjuk, hogyan kezeli a vezérlés az inkrementális jeladó jeleit.
A dolog rendkívül egyszerű. Először is van egy kapukkal felépített logika, ami az "A" és "B" jel fázishelyzetéből megállapítja a forgás irányát. Ezután az "A" vagy a "B" jelet egy le/fel számláló bemenetére vezetik. A számlálás irányát a forgási irányt megállapító logika kimenete vezérli. Ha az encoder tengelye előre forog, akkor az impulzusok a számláló tartalmát növelik, ha hátra, akkor csökkentik.
Valójában a számlálót nem az "A" vagy "B" jel lépteti, hanem beiktatnak egy EXOR kaput, ami összehasonlítja az "A" és "B" jelét.



Az EXOR kapu kimenetén az "A" vagy "B" jel frekvenciájának duplája jelenik meg, ami egyúttal az encoder tárcsára felvitt rovátkák által meghatározott felbontást megduplázza. A számlálót tehát az EXOR kimenete lépteti le vagy fel.
Bizonyos megoldásoknál még tovább mennek, és a dupla sebességű jel minden élénél (szint átmeneténél) léptetik a számlálót, így négyszeres felbontás is elérhető (quadratic count).
Egy szó mint száz, az inkrementális encoder impulzusai egy számláló tartalmát csükkentik, vagy növelik. A számláló tartalma tehát arányos a tengely elfordulásával. Mivel a számláló tartalma nincs kapcsolatban az encoder tengelyének abszolút szöghelyzetével, az ilyen encodert használó alkalmazásoknál mindig van egy referencia pont. A berendezés áramtalanítása sorána  számláló értéke elvész, illetve a kikapcsolt berendezés mozgó részeinek elmozdulásáról a vezérlés bekapcsolás után nem "tud".
A referencia pont a gép encoder-el mért mozgó részének egy olyan abszolút pozíciója, amit egy külön érzékelő érzékel. A referenciapont felvétele során a vezérlés az encoder számlálójának értékét nem veszi figyelembe és a mozgó részt a referencia pont érzékelőjéig mozgatja. Amikor eléri megállítja és az encoder számlálóját nullázza (esetleg egy konkrét értéket ír bele nulla helyett). A továbbiakban a számláló mindig a referenciaponthoz viszonyított pozíciót fogja tartalmazni a gép működése során.


Az abszolút encoder

Az abszolút encoderben is egy tárcsa van, de azon nem egyszerű rovátkák vannak. A tárcsa sávokra osztott, minden sávot egy optokapu érzékel. A sávok bináris kódokat tartalmaznak.




Az encoder kimenete ezt a kódot szolgáltatja valamilyen formában. Ez lehet párhuzamos TTL jel (a kód minden bitje ki van vezetve) vagy szinkron soros kommunikáció (ún. gray kód).

Alapvető különbség az inkremetális encoderhez képest, hogy az abszolút szögadó a tengely szöghelyzetével abszolút módon összefüggő jelet ad. A másik különbség az, hogy a pozíció értéket ami a szöghelyzettel arányos, közvetlenül maga az encoder szolgáltatja (nincs szükség számlálóra).
A működés módjából adódóan az abszolút jeladók felépítése bonyolultabb, ezért drágábbak is.
Vannak úgynevezett multi turn abszulút jeladók. Ezek nem csak egy körülfordulást tudnak megkülönböztetni, hanem többet is.


Encoder és PLC

A PLC-k az encoderek jelét vagy speciális bemeneti modulok segítségével fogadja, vagy valamilyen terepi buszon keresztül.
Az inkremetális típusok jeleit gyorsszámláló modulok dolgozzák fel. Bizonyos PLC típusok speciális modul nélkül is képesek encoder jelet fogadni, ezek a számlálót beépítve tartalmazzák. A PLC programja már pozíció információt kap, ami arányos a tengely helyzetével.
A speciális modulok rengeteg szolgáltatást nyújtanak. Pl. közvetlen kimenetek, amik be és kikapcsolása a pozícióhoz programozható. A kimenetet maga a modul kapcsolja hardveresen, így egy pozíció elérésekor a kimenet bekapcsolása kis késleltetéssel történik.
Szoftveres véghelyzet és tartomány beállítás is lehetséges, a számláló modulok képesek többféle üzemódban működni, stb. Van amelyik egyszerre több encoder jelét is képes fogadni. A specialitások sokfélék, nehéz általánosságban beszélni, az egyes gyártók típusai jelentősen eltérnek egymástól.


Mire jó az encoder?

Elmozdulás mérésére, pozíció érzékelésre, pozícionálásra. A zárt hurkú vezérléssel működtetett pozícionáló hajtások visszacsatoló jeleit is szolgáltathatják encoder-ek. CNC technikában nagyon gyakoriak, de PLC-s vezérléseknél is előfordul.
Pozíció érzékelésre, útmérésre használva végálláskapcsolókat, érzékelőket válthat ki. Alkalmazása lehetővé teszi, hogy a megállási vagy műveleti pontok paraméterezhetően (szoftveresen) módosíthatóak legyenek.
Az encoder-ekkel nagy pontossággal mérhető az elmozdulás.


Tulajdonságok

Az encoder-ek egy másik igen fontos tulajdonsága a felbontás. A felbontástól függ mekkora az a legkisebb elfordulás, amit az encoder érzékel.
Inkrementális jeladónál ezt impulzus/fordulat-ban adják meg, Ez több ezer/ford. is lehet.
Az abszolút jeladók felbontása számlálás/fordulat vagy lépés/fordulat. Ha a jeladó több fordulatú (multiturn), akkor azt is megadják hány teljes körülfordulást tud megkülönböztetni. Szintén fontos adat a maximális fordulatszám amin még alkalmazható.


Hátrányok

Az inkrementális encoder legnagyobb hátránya, hogy az elmozdulás mérése relatív.
Mivel a jeladók forgó mozgást mérnek a gépek olyan részein, amiket leggyakrabban motor mozgat (ami mint tudjuk szintén forgó mozgást végez), kézenfekvő az encoder-t a motor tengelyére szerelni. Ha karbantartás, javítás során megbontják a motor tengelye és a mozgatott rész közötti mechanikai kapcsolatot, akkor egy abszolút jeladónál ez problémát jelenthet a beüzemélésnél. Különösen ha ezt a karbantartás során nem veszik figyelembe.
Az encoder kezelése bonyolultabb vezérlő szoftvert követel, és az encoderes gép kezelése is általában bonyolultabb mint encoder nélküli megoldásnál.

Ajánlott irodalom:
Inkrementális forgójeladók
Abszolút forgójeladók
Lineáris útmérők
Abszolút lineáris útmérők



Szirty