ما هو جهاز التشفير الدوار؟ أنواعه وعمله وتطبيقاته

تُعد الدقة الآن حاجة أساسية في عالم الهندسة اليوم، حيث لا يوجد شيء من قبيل الرفاهية. في مجال الأتمتة الصناعية والإلكترونيات الاستهلاكية وجميع الأجهزة الأخرى، من الممكن التحكم في الحركة، ولكن يجب أن تكون دقيقة. أهم جزء من هذه الإمكانية هو مكون كهروميكانيكي حيوي: المشفر الدوار. يقدم هذا البرنامج التعليمي المشفر الدوار بشكل متعمق، ويشرح الغرض منه، وآلياته الداخلية، وفئاته الرئيسية، بالإضافة إلى الاستخدام الأساسي في نطاق من التطبيقات/الأنظمة في سيناريوهات الحياة الواقعية.

ما هو جهاز التشفير الدوار ولماذا هو مهم

المشفر الدوَّار هو جهاز كهروميكانيكي، أو مستشعر كهروميكانيكي، يقيس الزاوية الدوارة أو حركة عمود الدوران ويجعل هذه المعلومات متاحة في إشارة كهربائية. تكون هذه الإشارة تناظرية بطبيعتها أو قد تكون إشارة رقمية توفر معلومات قابلة للتنفيذ فيما يتعلق بالموضع الزاوي للمعدات المرفقة واتجاه دوران العمود والسرعة والتسارع. إن قدرتها التشغيلية لا تقدر بثمن في العديد من الآليات المتنوعة حيث تكون التغذية الراجعة الدورانية الدقيقة مطلوبة في آلية تحكم ذات حلقة مغلقة أو طريقة قياس دقيقة.

يختلف المشفر الدوار اختلافًا جوهريًا عن مقياس الجهد على الرغم من أن كلاهما يقارن عادةً. مقياس الجهد عبارة عن مستشعر تناظري مطلق بسيط، ينتج خرج جهد يزداد مع موضع ممسحة متحركة، وله حد لزاوية الدوران أقل من 360A}}$S عند حوالي 270 درجة، مع صفر الخرج المقابل بين 0 و 360 درجة (حسب الشركة المصنعة). على النقيض من ذلك، فإن معظم المشفرات الدوارة غير قابلة للتلامس أو قادرة على درجة دوران غير محدودة نظريًا، كما أن تقنيات الاستشعار غير التلامسية المستخدمة تتجنب التآكل الميكانيكي الملازم لممسحة مقياس الجهد. وهذا يجعلها مثالية للاستخدام في تطبيقات الدوران المستمر ويزيد من عمر التشغيل بدرجة كبيرة.

توفر أجهزة التشفير الدوارة البيانات الأساسية لملايين الإجراءات الآلية. هذه الأجهزة، المستخدمة في التحكم الصناعي، والروبوتات، والتشغيل الآلي باستخدام الحاسب الآلي وغيرها، ضرورية في إعطاء النظام إحساسًا بكيفية أدائه حتى يتمكن من التكيف معه والإحساس بحالته الخاصة. تعد دراسة كيفية عملها مهمة لأي مهندس أو فني قادم للعمل في هذه المجالات.

فهم كيفية عمل أجهزة التشفير الدوارة

في أبسط صوره، ما يقوم به المشفر الدوار هو مجرد نقل الدوران الميكانيكي إلى سلسلة من النبضات الكهربائية. يعمل المشفر الدوار عن طريق إكمال ذلك من خلال تفاعل مضبوط بذكاء بين عنصر مشفر وعنصر استشعار.

العنصر الأكثر أهمية هو قرص منقوش أو قرص مشفر يتم ضغطه على المحور المعني. يحتوي هذا القرص على نمط قابل للتكرار بخصائص معينة يمكن أن يستشعره مستشعر ثابت. وتطبق هذا المبدأ ثلاث تقنيات رئيسية مختلفة:

• مُشفِّر دوّار بصري: وهي الأكثر شيوعًا من بين الأنواع المختلفة من أجهزة التشفير وفي معظم الأوقات، تكون لها أعلى دقة. عجلة التشفير عبارة عن قرص مرئي يحتوي على ترتيب من الخطوط أو القطع غير الشفافة عليه. وبدلاً من ذلك، يتم استخدام صمام ثنائي باعث للضوء (LED) الذي يسلط شعاعه عبر القرص، وبعد ذلك يسجل كاشف ضوئي الضربات في شعاع الضوء عندما تتحرك الخطوط المعتمة عبر خط الكشف؛ وينتج عن ذلك نبضة.
• أجهزة التشفير المغناطيسية: في هذا التصميم، يتم استخدام دوّار ممغنط على شكل عجلة ممغنطة لها سلسلة من الأقطاب الشمالية والجنوبية. يتم الكشف عن التغيرات في المجالات المغناطيسية بواسطة تأثير هول ثابت أو مستشعر مغناطيسي مقاوم للمغناطيسية أثناء دوران العجلة. يمكن أن تكون أجهزة التشفير المغناطيسية متينة للغاية وتتمتع بمستويات عالية من الموثوقية، ولا تتحمل العوامل البيئية مثل الغبار والرطوبة والزيت بشكل جيد، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الصناعية المتسخة.
• أجهزة التشفير الميكانيكية: هذا هو الأرخص والأسهل في الاستخدام. يقوم نمط من الآثار الموصلة على قرص بإجراء اتصال مادي مع مجموعة ثابتة من الفرش. ويحدث تغيير في الأنماط أثناء دوران العمود بينيًا، مما يؤدي إلى تداخل وفواصل في الدوائر لتطوير إشارة. ويعيبها في الغالب التآكل الميكانيكي والعمر القصير وارتداد التلامس الذي يستلزم إلغاء ارتداد الإشارة.

يتمثل الابتكار الأكبر لمعظم المشفرات التزايدية في استخدام إشارات تربيعية ومن ثم اسم المشفر التربيعي. فهي تولد قطارين مختلفين من النبضات (أحدهما يسمى الطور A والآخر يسمى الطور B)، وهما خارج الطور بمقدار 90 درجة. من خلال مقارنة أي طور إشارة يسبق الآخر، يمكن معرفة اتجاه الدوران على وجه اليقين. عندما يتقدّم A على B، يكون الدوران على المستوى في اتجاه عقارب الساعة؛ وعندما يتقدّم B على A يكون عكس اتجاه عقارب الساعة. كما يمكن قياس تردُّد هذه النبضات للحصول على سرعة العمود.

كلما كانت أداة التشفير أكثر دقة، كلما زادت دقة التشفير التي يتم تحديدها بالنبضات لكل دورة (PPR) أو العد لكل دورة (CPR). ستخرج أداة التشفير 1000 PPR 1000 نبضة لكل دوران 360 درجة على قناتيها A وB. تشتمل أجهزة التشفير متعددة القنوات أيضًا على قناة ثالثة هي إشارة Z أو إشارة الفهرس مع حدوث هذه النبضة الواحدة في كل دورة. سيكون هذا مفيدًا للغاية في حالة تسلسلات التوجيه ومعايرة الموضع.

الأنواع الرئيسية لأجهزة التشفير واختلافاتها الرئيسية

على الرغم من أن أجهزة التشفير لها العديد من الأشكال الأخرى من أجهزة التشفير القائمة على أساس التشفير البري اعتمادًا على كيفية استشعارها، فإن أهم تصنيف لها هو طريقة الإخراج. يعد قرار استخدام المشفر القائم على التزايد أو المشفر القائم على المطلق قرار تصميم رئيسي في النظام ويعتمد على متطلبات الموضع وتكلفة التطبيق المعني.

جهاز التشفير الدوار التزايدي: المشفر الدوَّار التزايدي هو مشفر يحتوي على تيار خرج من النبضات يعطي الحركة النسبية. وهو لا يعرض الحالة الموضعية الحقيقية للعمود، ولكنه يعرض الحالة الموضعية الحقيقية للعمود، ولكن يعكس حركته وفي أي اتجاه. يجب على وحدة التحكم في النظام تسجيل هذه النبضات بالنسبة لنقطة بداية معروفة. يجب أن يتم توجيه نقطة البداية هذه، عادةً عن طريق روتين توجيه على إشارة Z. نقطة القوة الأولى لأجهزة التشفير التزايدي هي أنها بسيطة ورخيصة. ومع ذلك، فإن العيب الرئيسي هو أنه في حالة فقدان الطاقة، سيتم حذف جميع المعلومات عن المواضع. بعد إعادة الطاقة، يجب إعادة توجيه النظام من أجل استعادة الموقع.

أداة التشفير الدوارة المطلقة: وبدلاً من ذلك، يحتوي المشفر الدوار المطلق على إشارة مختلفة - كلمة رقمية أو كود رقمي لكل موضع عمود. في أداة التشفير المطلق، تكون أداة التشفير المطلقة أكثر تعقيدًا من حيث أن كل موضع يتم ترميزه إلى مجموعة معينة من الرمز الثنائي. وهذا يعني أنه عندما يفقد النظام الطاقة، ولكن بعد ذلك يستعيد الطاقة، فإن أداة التشفير ستوفر الموضع الفعلي مباشرةً عند توفير الطاقة. هذا يزيل متطلبات تسلسل التوجيه ولا يسقط بيانات تحديد الموضع أثناء دورة الطاقة، وهو أمر ضروري في معظم تطبيقات السلامة الحرجة والموضع العالي. تنقسم أجهزة التشفير المطلقة إلى:

• دورة واحدة: يوفر الموضع المطلق خلال دورة واحدة بزاوية 360 درجة.
• متعدد الأدوار: يتضمن آلية تروس إضافية لحساب عدد الدورات الكاملة أيضًا، مما يوفر رمزًا فريدًا على نطاق واسع من الحركة.

مما لا يثير الدهشة أن التعقيد والقدرة الإضافية لأجهزة التشفير المطلقة تجعلها أكثر تكلفة من نظيراتها التزايدية.

مخرجات الإشارة وكيفية فك تشفير المشفرات الدوارة

يجب فك تشفير خرج الموجة المربعة المستمدة من أداة التشفير بشكل صحيح في وحدة التحكم المستقبلة (عادةً ما تكون وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة أو وحدة تحكم دقيقة أو محرك أقراص). التصنيف الصحيح للأنواع المختلفة من إشارات الخرج مهم جدًا لتوفير توافق الأجهزة وسلامة الإشارة.

الإشارة السائدة التي يتم إنتاجها هي إشارة التربيع (أطوار A/B) كما هو موضح في الفقرات السابقة. ومع ذلك، تحدد دائرة مشغل الخرج الخصائص الكهربائية للطريقة التي يتم بها تشغيل هذه الإشارات. الأمثلة النموذجية هي:

• دفع-سحب (HTL - منطق العتبة العالية): مخرج عام وشائع. وهو يؤرجح الإشارة بشكل إيجابي عالياً (إلى جهد الإمداد) ومنخفضاً (إلى الأرض) بحيث ينتج إشارة قوية مقاومة للضوضاء. وهو شائع الاستخدام في الأنظمة الصناعية بجهد 24 فولت.
• TTL (منطق الترانزستور-الترانزستور الترانزستور): يعطي هذا المشغّل خرجًا مربعًا بجهد 5 فولت ويستهدف أطوال الكبلات الأطول بسبب مخرجات الخط التفاضلي A وA-لا وB وB-لا وZ وZ-لا. هناك رفض رائع لضوضاء الوضع الشائع الذي توفره الإشارات التفاضلية.
• مجمّع مفتوح (NPN/PNP): أحد أنواع الخرج هو المُجمِّع المفتوح (NPN/PNP)، والذي يستخدم مثل المفتاح. وهو قادر على دفع خط الإشارة إلى الأرض (NPN) أو إلى جهد الإمداد (PNP)، ولكن لا يمكن دفعه بنشاط في الاتجاه الآخر. يستلزم ذلك وجود مقاوم سحب خارجي أو سحب لأسفل في طرف وحدة التحكم والذي عادةً ما يكون مربوطًا بمسمار مشترك مثل VCC أو الأرضي ويستخدم لإنشاء حالة منطقية محددة. يعد مخطط الوصلة البينية هذا مفيدًا بين الأنظمة ذات الفولتية المنطقية المتفاوتة.

عملية فك تشفير إشارات A / B منطقية. تستمر وحدة التحكم في التحقق من أي من القناتين متاحة. تؤدي القناة المعاكسة أو نفس القناة إلى إجراء فحص للتأكد من الاتجاه. في حالة تغيير حالة القناة A الآن فقط، تقوم وحدة التحكم بفحص حالة القناة B الحالية. عندما تختلف الحالة B مع الحالة السابقة للقناة A يكون الاتجاه في اتجاه عقارب الساعة، ونفس الوضع في الاتجاه المعاكس (عندما تكون الحالة السابقة للقناة A مماثلة للحالة السابقة للقناة B يكون الاتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة). عادةً ما يتم تطبيق المنطق على عدادات الأجهزة أو من خلال البرمجيات مع استخدام المقاطعات الخارجية لضمان مراقبة موثوقة في الوقت الحقيقي. ترتبط كمية الأسلاك (على سبيل المثال، 3 أسلاك، 5 أسلاك) التي يحملها المشفر بنوع الخرج (المشفر الذي يحتوي على مخرجات من نوع Z أو مخرجات تفاضلية) وقدرته على استخدام الطاقة، وما إذا كان المشفر يحتوي على إشارة Z أو مخرجات تفاضلية.

مواصفات مهمة عند اختيار أداة التشفير الدوارة

يجب إجراء تحليل شامل لتحديد احتياجات التطبيق لتحديد نوع أداة التشفير التي سيتم استخدامها. وحتى يتم اتخاذ القرار التزايدي (مقابل المطلق) هناك بعض المواصفات المهمة التي يجب أخذها في الاعتبار:

• القرار (PPR/CPR): مثل عدد النبضات أو عدد الدورات. تسمح الدقة الأكبر بدقة أكبر للقياسات ولكنها تستلزم استخدام وحدة تحكم يمكنها الإرسال والاستقبال بمعدل بيانات أعلى. يجب أن يقترن ذلك بدقة تحديد المواقع اللازمة للنظام.
• الدقة: لا ينبغي خلط ذلك بالدقة. الدقة هي أكبر خطأ في الموضع كما يشير إليه المشفر والموضع الفعلي الفعلي. ويقيسه المرء عادةً بالدقائق القوسية أو الثواني القوسية.
• المخرجات النوع: يجب أن يكون نوع الخرج Push-Pull أو TTL أو Open Collector المحدد متوافقًا مع دارة دخل وحدة التحكم كما هو موضح أعلاه.
• المواصفات الميكانيكية: هذا (متضمنًا قطر العمود ونمط التركيب (مثل حامل شفة أو حامل مؤازر) والحجم المادي لجسم أداة التشفير). يجب أن يتناسب ماديًا مع تصميم الماكينة.
• البيئة التصنيفات (تصنيف IP): تصنيف IP (حماية الدخول) هو تعريف للمشفّر يحدد مقاومته للغبار والسوائل. يمكن تصنيفها بمستوى IP65، لذا فهي مقاومة للغبار ومقاومة لنفث المياه، بحيث تكون قابلة للتطبيق في معظم الإعدادات الصناعية. تصنيفات الاهتزاز والصدمات: ضروري أيضًا للآلات التي تتعرض لضغط ميكانيكي كبير.

قد يتخلى هاوٍ لديه مطبوعة ثلاثية الأبعاد مكتبية عن التكلفة العالية ويستخدم مشفرًا تزايديًا ميكانيكيًا أو بصريًا تزايديًا بصريًا منخفض الدقة. وعلى العكس من ذلك، يجب أن يركز مهندس التصميم الذي يقوم بتطوير ذراع روبوتية يتم بناؤها على خط تصنيع على تحديد المواقع المطلق والدقة العالية وتصنيف IP عالي بما فيه الكفاية، وبالتالي سيميل إلى استخدام مشفر مغناطيسي أو بصري مطلق عالي المواصفات.

تطبيقات العالم الحقيقي في الأنظمة الصناعية والاستهلاكية

أجهزة التشفير الدوارة لها تطبيقات مختلفة ومتعددة تمامًا وفقًا للتطبيقات المختلفة وكل مجال من مجالات التكنولوجيا التجارية تقريبًا.

• الأتمتة الصناعية: أجهزة التشفير هي مفتاح التغذية الراجعة للمحرك. يمكن تركيبها على الجزء الخلفي من عمود تصادم المحرك المؤازر أو السائر أو عمود تصادم محرك التيار المستمر لتغذية معلومات السرعة والموضع إلى المحرك لتوفير تحكم أعلى في سيور النقل وماكينات التغليف وخطوط التجميع الآلي.
• أنظمة الروبوتات: تستخدم أذرع الروبوت متعددة المحاور مشفِّرات مطلقة على طول كل مفصل لقياس كل من زاوية وموضع كل جزء بدقة. هذه المعلومات مهمة من أجل معرفة موقع المؤثر الطرفي للروبوت، والحصول على الحركات الصحيحة التي يجب أن يقوم بها جهاز التحكم.
• التصنيع باستخدام الحاسب الآلي & الطباعة ثلاثية الأبعاد: الطباعة ثلاثية الأبعاد في أدوات التحكم العددي بالكمبيوتر (CNC) والطابعات ثلاثية الأبعاد، يتم تركيب المشفرات على المحركات المؤازرة التي تشغل البراغي الكروية والجسور. وهي تضمن عمل رأس الأداة أو فوهة الطباعة بدقة ميكرون.
• السيارات: في السيارات المعاصرة، يمكن العثور على أجهزة التشفير في تطبيقات مثل استشعار زاوية عجلة القيادة في أنظمة التحكم الإلكتروني في الثبات وصولاً إلى مقابض التغذية المرتدة اللمسية لنظام المعلومات والترفيه.
• الإلكترونيات الاستهلاكية: يمكن العثور على مشفر تزايدي منخفض التكلفة في عجلة التمرير في فأرة الكمبيوتر على نطاق أصغر. يمكن أيضًا استخدام أجهزة التشفير لإعطاء دوران سلس ومستمر على مقابض الصوت في الأجهزة الصوتية ذات الفئة العالية بدقة رقمية.

كيفية توصيل أجهزة التشفير الدوارة بوحدات التحكم الدقيقة

تتمثل إحدى المهام الهندسية الأكثر شيوعًا في كيفية ربط هذا النوع من مستشعرات الموضع مع شيء يمكنه تفسيره، أو وحدة تحكم مثل Arduino أو Raspberry Pi أو وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC). يتم إنجاز ذلك من خلال التوصيلات الكهربائية المناسبة وبرنامج روتيني لقراءة الإشارات.

أولاً، تأكد من مستويات الجهد. يحتاج جهاز التشفير الصناعي HTL بجهد 24 فولت إلى واجهة 5 فولت في مخرجات المُجمِّع المفتوح، يجب توفير مقاومات خارجية للسحب لأعلى إلى مستوى عالٍ لتوفير مستوى عالٍ ثابت في المناطق التي لا يكون فيها الخرج قيد التشغيل.

توفر مقاطعات الأجهزة أقوى نهج قائم على البرامج لقراءة أداة التشفير. تكون الدبابيس الموجودة على وحدة التحكم الدقيقة التي تتصل بها مخرجات القناة A وB قادرة على المقاطعة. كل ارتفاع وانخفاض في حافة الإشارات ينشط روتين خدمة المقاطعة (ISR). روتين نظام المخزون (ISR) داخل روتين خدمة المقاطعة (ISR)، يقرر منطق فك التشفير الاتجاه ويزيد أو يقلل من متغير عداد الموضع. تعد هذه التقنية أفضل بكثير من ما يسمى بالاقتراع (التحقق المتكرر من حالة الدبوس أثناء الحلقة)، والتي يمكن أن تفوت بالفعل نبضة، حتى عندما يكون البرنامج الرئيسي مشغولاً في مكان آخر.

الفخاخ النموذجية هي الأسلاك غير الصحيحة (خلط قنوات A / B أو قنوات الطاقة الساخنة/المحايدة) وعدم مراعاة ارتداد الإشارة عند استخدام المشفرات الميكانيكية. مكثف ثانوي في الأجهزة أو يستمع لبضعة أجزاء من الثانية ويغير حالة في البرنامج من خلال الاستجابة لخوارزمية “الارتداد” قد تتم مواجهة الارتداد أيضًا من خلال مقاومة عالية نسبيًا لخط إشارة مشترك بين أجهزة متعددة. من المهم جداً اتباع الطريقة المحددة للتوصيل السلكي والترميز والاختبار.

لماذا OMCH هي الشركة المصنعة لأداة التشفير الموثوق بها؟

الخطوة الأولى هي دراسة نظرية واستخدام المشفرات الدوارة. والخطوة الثانية وليست الأخيرة هي الحصول على جهاز يوفر الموثوقية والأداء الذي يحتاجه نظامك.

OMCH هي شركة تصنيع محترفة تتمتع بخبرة تزيد عن 10 سنوات في مجال التحكم الصناعي والمنتجات الكهربائية. ولدينا سجل حافل في تقديم مكونات عالية الأداء تتسم بالفعالية والموثوقية في مجالات الاستخدام القصوى.

تم تصميم خطنا من المشفرات الدوارة لتلبية المتطلبات الصارمة لأنظمة الأتمتة والتحكم الحديثة. نحن نقدم:

• عالية الدقة والنماذج عالية الدقة: التأكد من أن نظامك يحقق الدقة التي صُمم من أجلها.
• مخرجات إشارات متنوعة: تغطي منتجاتنا جميع أنواع المخرجات الرئيسية، بما في ذلك Push-Pull (HTL)، ومُحرِّك خط TTL، والمُجمِّع المفتوح، من أجل التكامل السلس مع PLC أو أجهزة التحكم الموجودة لديك.
• متانة من الدرجة الصناعية: بفضل تصنيفات IP العالية وبنيتها القوية، صُممت أجهزة التشفير لدينا لتتحمل الاهتزازات والملوثات وتقلبات درجات الحرارة في أرضية المصنع.

تم إنشاء الماكينة الخاصة بك لتقديم ماكينة CNC متقدمة أو روبوتات أو عمليات أتمتة صناعية معقدة، فإن التغذية الراجعة التي نقدمها موثوقة بغض النظر عن الغرض من التطبيق. نحن نقف وراء أجهزتنا بخدمة احترافية لمساعدتك على الاختيار الصحيح في أجهزة التشفير في مهمتك.

تعرف على المزيد حول مجموعتنا المختارة من منتجات التشفير الاحترافية عالية الجودة بالإضافة إلى كيفية تحسين أداء نظامك على https://www.omch.com. نحن على استعداد أن نقدم لك خدمات استشارية مجانية للاختيار والاختبار (عينات).