1. *بسم الله الرحمن الرحیم*
ROTARY ENCODER
درس مکاترونیک
گرداورنده : علیرضا مشایخی شماره دانشجویی:
نام استاد : دکتر شمقدری

2. سرفصل مطالب ENCODER چیست؟ انواع ENCODER
انکودر افزایشی (Incremental encoder)
روش محاسبه ی سرعت خروجی
محاسبه ی موقعیت خروجی
سیگنال های خروجی Incremental encoder
انکودر مطلق (Absolute encoder)
کشورهای سازنده انکودر ها و مارک صنعتی آنها
نمونه ای از چند انکودر موجود در بازار
کاربرد ها
محدودیت
منابع

3. Encoder چیست؟
انکودر در لغت به معنی رمز گذار میباشد در واقع یک تجهیز الکترومکانیکی است که حرکت یک جسم را به یک کد دیجیتال (0-1 Pulse ) یا آنالوگ (4-20 mA or 0-10 V) تبدیل میکند و این کد در تجهیز دیگری به نام دیکودرDecoder) ) یا رمز گشا  بنا به نیاز به تعداد دوران یا سرعت زاویه ای و یا مسافت تبدیل می شودهم چنین می توان گفت حسگری است که به محور چرخ، چرخ دنده یا موتور وصل می شود و میتواند میزان چرخش را اندازه گیری کند با اندازه گیری میزان چرخش می توانید جا به جایی، سرعت، شتاب یا زاویه چرخشی را تعیین کنید. همانطور که میدانید انکودEncoder)) یک نوع خاصی از سنسور ها می باشد که اطلاعات موقعیت را دریافت کرده و این اطلاعات را به تجهیزات دیگر رله می کند. انکودر ها جهت تشخیص موقعیت (position)،  سرعتvelocity) ) و جهت گردش شفت موتور(direction) و سایر تجهیزات متحرک مکانیکی استفاده میشود.  آن ها اطلاعات لازم برای کنترل دقیق سرعت در اپلیکیشن  های مثل موقعیت یابی یک میز گردان rotary table ،  برداشتن و در جایی گذاشتن pick and place ، مونتاژ ماشین آلات ، بسته بندی ، روباتیک و غیره را ایجاد می کنند. یکی از مشخصات مهم یک انکودر در هنگام استفاده دانستن تعداد پالس ارسالی در یک دور می باشد . مثلا فرض کنید بر روی انکودر عبارت 360 پالس در دور وجودداشته باشد . این بدان معنا می باشد که اگر شفت انکودر یک دور کامل بزند , خروجی انکودر 360 پالس ارسال می کند. جهت شمارش این تعداد پالس می توان از میکروکنترلرها و یا PLC ها استفاده نمود. درسیستمهای PLC حتما باید از کارتهای مخصوص شمارنده های سرعت بالا استفاده شود.

4. انواع ENCODER انکودر ها موقعیت را با سه فناوری متفاوت تشخیص می دهند:
نوری optical : انکودر های نوری ، دقیق ترین نوع انکودر ها هستند. وقتی یک انکودر نوری را انتخاب میکنیم ، خیلی مهم است که انکودر مذکور حفاظت های اضافی برای جلوگیری از آلودگی ناشی از گرد و غبار ، لرزش (vibration) و سایر شرایط رایج در محیط های صنعتی را داشته باشد.
مغناطیسی magnetic : انکودر های مغناطیسی با وجود اینکه از انکودر های نوری مقاوم ترند و اغلب در محیط های در معرض آلودگی ، بخار، لرزش و سایر انواع تداخل های محیطی استفاده می شوند ولی  قدرت تفکیک(resolution)  یا دقت  انکودر های نوری بالاتر می باشد.
خازنی capacitive : انکودر های خازنی نسبت به دو مدل قبلی در دنیای صنعت تازه وارد محسوب می شوند. انکودر های خازنی از نظر نیرومندی مانند مدل های مغناطیسی هستند ولی قدرت تفکیک پذیری  انکودر های نوری از انکودرهای خازنی بالاتر  است. البته  انکودر های خازنی بدون توجه به نوع تکنولوژی مورد استفاده قابلیت تشخیص حرکت و تبدیل آن به سیگنال های استاندارد رایج در صنعت را دارا هستند.
انکودرها از لحاظ ساختمان در دو نوع:
خطی (Linear encoder)
چرخشی (Rotary encoder)

5. از لحاظ عملکرد نیز در دو نوع:
انکودر افزایشی (Incremental encoder)
انکودر مطلق (Absolute encoder)

6. انکودر افزایشی (Incremental encoder)
در انکودر های افزایشی به ازای هر حرکت قابل اندازگیری که به تعداد شیار های روی دیسک بستگی دارد یک پالس ایجاد می شود ، که با شمردن این پاس ها میزان جابجایی زاویه ای و سرعت آن قابل اندازه گیری است.
این نوع انکودر ها قابلیت تعیین موقعیت هر لحظه از زمان را نداشته و تنها میزان جا به جایی را می توانند برای ما تعیین کنند .

7. برای تشخیص جهت حرکت در انکودر های افزایشی دو جفت سنسور را به صورتی که پالس تولیدی آنها نسبت به 90 درجه اختلاف فاز داشته باشند در آن قرار می دهند و کلید عمکرد این سیستم در این است که وقتی که جهت حرکت دیسک تغییر می یابد اختلاف فاز 90 درجه ای بین این دو سیگنال A و B معکوس می گردد و این تغییر توسط مداری همانند مدار شکل 10.16(a) قابل تفسیر و شناسایی است.

8. در شکل 16.10(a) شمارنده و کلاک flip-flop حساس به لبه ی بالا رونده است و شکل زیر دیاگرام مر بوط به چگونگی شکل موج ها و عمکرد این مدار را نشان می دهد.

9. روش محاسبه ی سرعت خروجی 𝜔= 2𝜋𝑛 𝑁𝑇 𝜔= 2𝜋𝑓 𝑁𝑚
محاسبه سرعت خروجی به دو صورت زیر صورت می گیرد:
روش شمارش پالس (Pulse Counting):
که در n تعداد پالس ها ، N تعداد Track های روی دیسک، T پریود نمونه برداری و 𝝎 سرعت زاویه ای است.
2 . روش زمان بندی پالس (Pulse Timing):
در این روش زمان یک سیکل کامل انکودر توسط یک سیگنال کلاک با فرکانس بالا اندازه گیری می شود و این روش مشخصاً برای سرعت های پایین مناسب است. در صورتی که این فرکانس، f بر حسب Hz وm سیکل سیگنال کلاک در مدت یک پریود انکودر (فاصله ی بین دو شیار مجاور) اندازه گیری شده باشد، سیکل انکودر از رابطه ی m/f محاسبه می شود و سرعت زاویه ای نیز از روش زیر بدست می آید:
𝜔= 2𝜋𝑛 𝑁𝑇
𝜔= 2𝜋𝑓 𝑁𝑚

10. محاسبه ی موقعیت خروجی 𝜃= 𝑛 𝑃𝑢𝑙𝑠𝑒𝑠 𝑀 × 𝜃 𝑚𝑎𝑥 𝜃= 𝜃 𝑚𝑎𝑥 2 𝑟−1
برای محاسبه موقعیت محور دوار از رابطه ی زیر استفاده می شود:
𝜃= 𝑛 𝑃𝑢𝑙𝑠𝑒𝑠 𝑀 × 𝜃 𝑚𝑎𝑥
Maximum count possible: M pulses
Range of the encoder: ±θmax
If the data size is r bits, allowing for a sign bit, 𝑀= 2 𝑟−1 where zero count is also included.
If zero count is not included, 𝑀= 2 𝑟−1 -1
If θmax is 2π and θmin is zero, then θmax and θmin will correspond to the same position of the code disk. To avoid this ambiguity, we use:
The conventional definition for digital resolution is:
𝜃= 𝜃 𝑚𝑎𝑥 2 𝑟−1
𝜃 𝑚𝑎𝑛 − 𝜃 𝑚𝑖𝑛 𝑟 −1

11. سیگنال های خروجی Incremental encoder
علاوه بر دو سیگنال B و A یک سیگنال Z نیز در این نوع انکودر ها وجود دارد که تنها به ازای هر چرخش یک پالس تولید خواهد کرد.
بسته به نوع انکوری که انتخاب می شود خروجی آن از نظر الکتریکی به به انواع مختلفی تقسیم خواهد شد که انتخاب از میان این استاندارد ها به دستگاه Receiver و طول سیم کشی آن بستگی دارد. برای مثال خروجی Line Driver با خروجی های تعریف شده را می توان برای فواصل دور استفاده نمود و از Spike noise نیز جلوگیری کرد.

13. انکودر مطلق (Absolute encoder)
در این نوع انکور ها بر روی دیسک آن بسته به اینکه انکور ما چند بیتی است ردیف هایی (با شکل هایی همانند آنچه که بر روی شکل 6.9 است) وجود دارد و در هر لحظه چندین قطار پالس به تعداد Track های روی دیسک تولید می شود که یک عدد باینری بوده و موقعیت محور دوار را در هر لحظه نشان می دهد.
نمونه هایی از Absolute encoder واقعی مورد استفاده

14. همانطور که مشاهده می شود، در این حالت که موقعیت توسط کد باینری بیان می شود، مشکلی که وجود دارد این است که اگر در اثر بروز یک لغزش کوچک یکی از این Track ها جابجا شود خطای ایجاد شده زیاد خواهد بود. شکل نیز نمونه ای از این نوع خطا ها را نشان می دهد، که در صورتی که در حالت 7 باشیم در اثر بروز لغزش در B1 بجای قرار گیری در حالت های 6 و یا 8 که در مجاور آن قرار دارند، به حالت 5 خواهیم رفت.
برای رفع این مشکل و کاهش خطای ناشی از آن بجای استفاده از کد باینری از کد گری برای کدگذاری این انکودر ها استفاده می شود چرا که در این صورت هر حالت با حالت مجاور خود تنها در یک بیت تفاوت دارند.

15. کشورهای سازنده انکودر ها و مارک صنعتی آنها:
انکودرهاي قابل برنامه ريزي SICK آلمان
انکودرهاي hobner جهت محيط هاي صنعتی و قابل انفجار
انکودرهاي BAUMER آلمان
انکودرهاي ELTRA ايتاليا
انکودرهاي ELAP ايتاليا
انکودرهاي LIKA ايتاليا

16. نمونه ای از چند انکودر موجود در بازار
تنوع در کاربرد به واسطه مدل های متنوع
دارای مدل های شفت دار فلنچ دار و بدون شفت
نوع اتصال: کانکتوری (افقی و عمودی)، کابل کانکتوری، کابل(مدل های بدون شفت فقط کابل از بقل هستند)
نصب آسان تر به واسطه طراحی مناسب تر محل اتصال
نصب آسان در فضای کوچک چرخش آسان با کمترین نیرو ولتاژ تغذیه: 12-24VDC ، 5VDC تنوع در نوع خروجی
قطر درونی 30mm ، قطرخارجی 80mm
قابلیت نصب مستقیم به موتور یا ماشین بدون نیاز به کوپلینگ
ولتاژ تغذیه: 5VDC , 12-24VDC
تنوع در نوع خروجی
تنوع در کاربرد بواسطه مدل های متنوع دارای مدل های شفت دار فلنچ دار و بدون شفت
نوع اتصال: کانکتوری (افقی و عمودی)، کابل کانکتوری، کابلنصب آسان تر بواسطه طراحی مناسب تر محل اتصال
مناسب جهت اندازه گیری طول یا سرعت جسم در حال حرکت با چرخ دارای خروجی با واحد اندازه گیری سانتیمتر و میلیمتر ولتاژ تغذیه: 

17. معیار های انتخاب یک encoder
قبل از اتخاذ تصمیم در مورد انتخاب انکودر، باید آن دسته از ویژگی های انکودر را که بر کارایی مجموعه ی کنترل حرکت تأثیر مستقیم دارند بررسی کرد. این ویژگی ها به قرار زیر است:
دقت تعیین موقعیت
پایداری سرعت
نویز قابل شنیدن، در کمترین حد ممکن
اتلاف توان
پهنای باند، که مشخص کننده ی پاسخ سیگنال فرمان است.

18. کاربرد ها
فيدبك موتور، رباتيك، فيدبك پدال، موقعيت دندانه ها، موقعيت سنجي چند محوري ، موقعيت سنجي آنتن GPS  ، درپزشكي: سنسور موقعيت اشعه ايكس، سنسور موقعيت دستگاهCTSCAN و دستگاه MRI
محدودیت
مهمترین و اساسی ترین محدودیت انکودر ها عدم توانایی در محاسبه و اندازه گیری سرعت های پایین می باشد و به همین خاطر است که در کاربرد های فیدبک سرعت به تنهایی از آن استفاده نشده و همراه آن یک تاکونتر نیز قرار می دهند.

19. منابع وبسایت ها: http://nadintech.com/ http://www.automotsys.com.au/
کتاب ها:
Kilian Modern control technology
Digital Logic Design
By Brian Holdsworth, Clive Woods
جزوه ی ابزار دقیق دکتر اسماعیل زاده