Enkoder to czujnik pozycji, który przekształca ruch obrotowy bądź liniowy na sygnał elektryczny. Enkoder stosowany jest powszechnie w układach automatyki, maszynach, urządzeniach, robotach do mierzenia pozycji kątowej lub liniowej. Wymaga się, by czujnik działał niezawodnie, ponieważ od aktualnych informacji na temat pozycji zależy działanie całego systemu automatyki.
Enkodery, ze względu na działanie, dzielimy na enkodery inkrementalne (przyrostowe – przetwornik obrotowo-impulsowy) oraz enkodery absolutne (przetwornik obrotowo-kodowy). Enkoder inkrementalny po odłączeniu napięcia zasilania traci informacje na temat pozycji (po włączeniu zasilania układ zaczyna mierzyć pozycję od początku). Sprawia to, że urządzenie, w którym pracuje taki enkoder, wymaga bazowania i dopiero po tej czynności możemy rozpocząć właściwe pomiary. Enkoder absolutny nawet w przypadku odłączenia zasilania mierzy pozycję i po ponownym podłączeniu zasilania jest w stanie przesłać informację o aktualnej pozycji. Maszyny, w których pracują enkodery absolutne, nie wymagają bazowania w przypadku zaniku napięcia, co jest podstawową ich zaletą. Enkodery absolutne można dodatkowo podzielić na enkodery absolutne jednoobrotowe i wieloobrotowe. Enkoder jednoobrotowy mierzy pozycję w obrębie tylko jednego obrotu (0…360*). Enkoder wieloobrotowy jest w stanie mierzyć pozycję w obrębie wielu obrotów (zlicza liczbę obrotów wału). Pomiar liczby obrotów w enkoderach wieloobrotowych Posital Fraba jest realizowany bez baterii. Wynika to ze specjalnej budowy enkoderów – przekładni mechanicznej zamkniętej w obudowie enkodera lub przy użyciu specjalnego układu zasilania enkodera opartego o efekt Wieganda.
Enkodery można również podzielić według technologii ich wykonania. W automatyce można spotkać enkodery optyczne oraz enkodery magnetyczne. Enkodery optyczne wykorzystują zazwyczaj szklaną tarczkę przymocowaną do wału, na której znajduje się nadrukowana podziałka w formie kresek lub kodu. Układ optyczny, składający się z nadajnika i odbiornika, prześwietla na wskroś tarczkę w jednym miejscu i odczytuje kreski lub kod w momencie ruchu wału enkodera. Elektronika enkodera analizuje te dane i przekazuje informacje do układu wyjściowego czujnika. Enkodery magnetyczne mierzą pozycję w oparciu o zmianę pola magnetycznego. Do wału enkodera magnetycznego przymocowany jest magnes trwały. Pod magnesem znajduje się czujnik Halla, który mierzy zmiany pola magnetycznego. Informacja o zmianie pola magnetycznego przekazywana jest do mikrokontrolera, który przetwarza te dane na informacje na temat pozycji. Informacja o zmierzonej pozycji przekazywana jest do układu wyjściowego.
Podstawowym parametrem każdego enkodera jest jego rozdzielczość. W przypadku enkoderów absolutnych wieloobrotowych dodatkowo określa się liczbę obrotów, w zakresie których czujnik ma mierzyć. Rozdzielczość enkoderów inkrementalnych określa się w liczbie impulsów przypadających na jeden obrót wału enkodera. Najpopularniejsze rozdzielczości enkoderów to 500 impulsów / obrót, 1024 impulsów na obrót. Enkodery inkrementalne nowej generacji charakteryzują się możliwością zmiany rozdzielczości – są to programowalne enkodery inkrementalne. W enkoderach absolutnych rozdzielczość i liczba obrotów określana jest w liczbie bitów, np. rozdzielczość 13 bit (tzn. 8192 pozycji / obrót) + liczba obrotów 12 bit (tzn. 4096 obrotów). Niektórzy producenci podają rozdzielczość i liczbę obrotów jako jedną wartość, np. 25 bit (czyli 13 bit rozdzielczości + 12 bit wieloobrotowości).
Drugim, równie ważnym parametrem enkodera, jest jego standard wyjścia. To od niego zależy, czy enkoder będzie mógł współpracować z wybranym wskaźnikiem, licznikiem lub sterownikiem PLC. W przypadku enkoderów inkrementalnych najbardziej popularny jest standard wyjścia HTL (tj. popularny Push-Pull) lub TTL (kompatybilny z Nadajnikiem Linii). Enkoder HTL zazwyczaj zasilany jest napięciem w zakresie 5…30 VDC, z kolei enkoder TTL zasilany jest zazwyczaj napięciem 5 VDC. W przypadku enkoderów absolutnych dostępnych jest zdecydowanie więcej interfejsów. Najczęściej w automatyce spotyka się enkodery absolutne z następującymi interfejsami: Analogowy (zarówno prądowy (np. 4…20 mA) jak i napięciowy (np. 0…10 V)), CANlift, CANopen, DeviceNet, EtherCAT, EtherNet/IP, IO-Link, Modbus RTU, Modbus TCP/IP, Powerlink, Profibus DP, Profinet, Profisafe, Równoległy, SAE J1939 lub SSI.
Pozostałe parametry enkoderów związane są z przestrzenią, w której enkoder będzie pracował, sposobu jego połączenia z ruszającym się elementem oraz typu przyłącza elektrycznego. Niektóre aplikacje wymagają użycia enkoderów miniaturowych, które również proponujemy. W większości systemów automatyki stosuje się jednak standardowe enkodery w obudowie fi 36 mm, 58 mm lub max. 78 mm. Dostępne są enkodery z osią (enkodery z wałkiem), enkodery z otworem przelotowym (enkodery z wałem drążonym na wskroś) i enkodery z otworem ślepym (enkodery z wałem drążonym). Co do typu przyłącza elektrycznego, enkoder może posiadać złącze lub złącza na obudowie (zazwyczaj złącza typu M12), zintegrowany przewód (o długości zazwyczaj do 10 m, dłuższe – na zapytanie) lub puszkę przyłączeniową (tzw. Connection Cap), popularną zwłaszcza w enkoderach z interfejsem typu Fieldbus.
Dobierając enkoder należy zwrócić uwagę, w jakich warunkach czujnik będzie mierzył pozycję. Enkodery są bowiem dostępne w różnych wariantach – obudowa wykonana z aluminium lub stali nierdzewnej (rzadziej z tworzywa). Ważny jest również stopień ochrony IP czujnika – dostępne są enkodery z IP54, IP65, IP67 (z dodatkowym uszczelnieniem) lub nawet IP69K (które mogą być nawet zanurzone). Najczęściej w automatyce stosuje się enkodery z IP65, ewentualnie IP67, jeśli w aplikacji może pojawić się jakieś zawilgocenie. Enkodery IP69K stosuje się zazwyczaj w pojazdach mobilnych, wywrotkach, maszynach budowlanych, które pracują na zewnątrz i są często myte pod dużym ciśnieniem.
Warto wspomnieć także o enkoderach specjalnych, które mogą pracować w strefie zagrożonej wybuchem, w przemyśle lub w kopalni. Tego typu enkodery dostarczane są z certyfikatem ATEX (opcjonalnie IECEx, co dotyczy maszyn przeznaczonych na eksport do np. USA) i charakteryzują się wzmocnioną obudową. W aplikacjach, gdzie priorytetem jest bezpieczeństwo, stosuje się enkodery redundantne (enkodery, które oparte są o dwie niezależne technologie pomiarowe w jednym czujniku) i/lub enkodery z SIL (enkodery certyfikowane, z określonym poziomem bezpieczeństwa).
Maciej Pabel
Specjalista od automatyki przemysłowej