کنترل موقعیت با انکودر، روش محاسبه، انواع و کاربردها

انکودر وسیله‌ای است که حرکت مکانیکی (معمولاً دورانی یا خطی) را به سیگنال‌های الکتریکی قابل شمارش (پالس) تبدیل می‌کند. برای محاسبه موقعیت با انکودر، تعداد پالس‌های تولید شده در یک جابجایی مشخص را با یک شمارنده سرعت بالا (HSC) اندازه‌گیری کرده و بر طول آن جابجایی تقسیم می‌کنیم. حاصل این تقسیم، ضریب تبدیل پالس به واحد طول (مثلاً پالس بر میلی‌متر) خواهد بود که مبنای محاسبات در برنامه‌نویسی کنترلر قرار می‌گیرد. سیستم‌های کنترل موقعیت به دو دسته اصلی حلقه باز (Open-Loop) و حلقه بسته (Closed-Loop) تقسیم می‌شوند. این فناوری در کاربردهای دقیقی مانند بازوهای رباتیک، صنایع خودروسازی (سیستم ترمز ABS و فرمان برقی)، ماشین‌آلات CNC و سیستم‌های نوار نقاله کاربرد گسترده‌ای دارد که در اکثر آن‌ها از کنترل حلقه بسته استفاده می‌شود.

نحوه محاسبه موقعیت با انکودر

محاسبه موقعیت یکی از کاربردهای اصلی انکودر است. برای این منظور، مطابق توضیحات زیر پیش می‌رویم. برای محاسبه موقعیت، ابتدا باید در یک کورس (یا محدوده مشخص و قابل اندازه‌گیری) از موقعیت، تعداد پالسی که در نتیجه طی کردن کورس مذکور تولید می‌شود را توسط شمارنده‌های سرعت بالا (High Speed Counter) شمارش کنیم. سپس این تعداد پالس را بر موقعیت اندازه‌گیری شده تقسیم می‌نماییم. به این ترتیب، تعداد پالس در واحد موقعیت به دست می‌آید و از این مقدار همواره می‌توان در برنامه‌نویسی استفاده کرد.

لازم به ذکر است که برای نقطه شروع، به منظور ریست یا صفر کردن کانتر، می‌توان از یک سنسور یا یک شستی استفاده کرد تا کانتر توسط اپراتور ریست شود. پس از تعیین این ضریب، در هر لحظه با تقسیم تعداد پالس‌های شمارش‌شده از نقطه شروع بر این ضریب، می‌توان موقعیت فعلی سیستم را بر حسب واحد مورد نظر (مانند میلی‌متر یا درجه) به دست آورد و در منطق برنامه از آن استفاده کرد.

مثال : یک بال اسکرو به طول 1 متر داریم و می‌خواهیم کنترل و محاسبه پوزیشن را به کمک انکودر برای این بال اسکرو انجام دهیم.
انکودر در ازای طی کردن این کورس، 5000 پالس تولید می‌کند. یک متر برابر با 1000 میلی‌متر است. با استفاده از تناسب، تعداد پالس در ازای یک میلی‌متر را به دست می‌آوریم.

در نتیجه، انکودر به ازای هر یک میلی‌متر، 5 پالس در خروجی تولید می‌کند و ما می‌توانیم از ضریب به‌دست‌آمده در برنامه استفاده کنیم.

کاربردهای کنترل موقعیت

مهم‌ترین کاربردهای کنترل موقعیت به وسیله انکودر عبارت‌اند از:

بازوهای رباتیک

در ربات‌های صنعتی، جهت کنترل مفاصل و تعیین زاویه بین مفاصل برای رسیدن به نقطه هدف، و همچنین برای هماهنگی حرکت و اجرای حرکات نرم، از کنترل موقعیت استفاده می‌شود.

صنایع خودروسازی

در سیستم‌های ABS خودروسازی، جهت کنترل سرعت چرخش چرخ‌ها برای جلوگیری از قفل شدن چرخ‌ها، و همچنین برای ایجاد فرمان برقی به منظور تشخیص زاویه چرخش فرمان توسط راننده، از کنترل موقعیت استفاده می‌شود.

ماشین‌آلات CNC و تراشکاری با دقت بالا

برای ایجاد مسیرهای برش برای ابزاری که عمل برش را انجام می‌دهد (با دقتی در حدود میکرون) و همچنین برای شناسایی انحرافات در زمان برش و جبران‌سازی، از کنترل موقعیت استفاده می‌شود.

سیستم‌های انتقال و نوار نقاله

جهت هماهنگ‌سازی سرعت خط انتقال نسبت به ورودی خط، و همچنین برای تشخیص دقیق موقعیت محصول به منظور تفکیک، از کنترل موقعیت استفاده می‌شود.

لازم به ذکر است که کنترل موقعیت در تمامی کاربردهای مذکور، از نوع حلقه بسته (Closed Loop) است.

انواع سیستم‌های کنترل موقعیت

دو نوع سیستم کنترل موقعیت وجود دارد:

• حلقه باز (Open Loop): در این سیستم، کنترلر یک فرمان (مثلاً ۱۰۰ میلی‌متر به جلو حرکت کن) به موتور ارسال می‌کند، اما هیچ بازخوردی از موقعیت واقعی عملگر دریافت نمی‌کند. کنترلر فرض می‌کند که فرمان به درستی اجرا شده است. این روش ساده و ارزان است اما در برابر خطاها و اختلالات خارجی (مانند لغزش یا بار اضافی) آسیب‌پذیر است و دقت بالایی ندارد.
• حلقه بسته (Closed Loop): در این سیستم، کنترلر پس از ارسال فرمان، به طور مداوم موقعیت واقعی عملگر را از طریق سنسور (مانند انکودر) دریافت می‌کند (که به آن فیدبک می‌گویند). سپس موقعیت واقعی را با موقعیت مورد نظر (دستور یا Setpoint) مقایسه کرده و در صورت وجود اختلاف (خطا)، فرمان را اصلاح می‌کند تا موتور به موقعیت دقیق برسد. این روش دقت و اطمینان بسیار بالایی دارد اما پیاده‌سازی آن پیچیده‌تر و گران‌تر است.

از انکودر تا کنترل دقیق موقعیت

محاسبه موقعیت با انکودر، یکی از اساسی‌ترین نیازها در سیستم‌های کنترل مدرن صنعتی است. با شمارش پالس‌های تولید شده در یک کورس مشخص و تقسیم آن بر طول کورس، می‌توان ضریب پالس در واحد موقعیت را به دست آورد و از آن در برنامه‌نویسی استفاده کرد. سیستم‌های کنترل موقعیت در دو نوع حلقه باز و حلقه بسته طراحی می‌شوند، اما در کاربردهای دقیق و حساس مانند بازوهای رباتیک، صنایع خودروسازی، ماشین‌های CNC و نوار نقاله‌ها، استفاده از نوع حلقه بسته الزامی است. درک صحیح این مفاهیم، گام مهمی در مسیر پیاده‌سازی سیستم‌های موقعیت‌یابی دقیق و قابل اطمینان خواهد بود.

سوالات متداول