الدليل الشامل لأجهزة التشفير: الأنواع والتطبيقات والفوائد

1. مقدمة إلى أجهزة التشفير

أجهزة التشفير هي نوع من أجهزة الاستشعار المستخدمة في المقام الأول للكشف عن سرعة الحركة الميكانيكية أو موضعها أو زاويتها أو مسافتها أو عددها.

بالإضافة إلى استخدامها في الماكينات، تتطلب العديد من أدوات التحكم في المحركات مثل المحركات المؤازرة وجود مشفرات لتوفير التغذية الراجعة للتبديل والسرعة واكتشاف الموضع لوحدة التحكم في المحرك.

2. تصنيف أجهزة التشفير

يمكن تقسيم المشفر إلى مشفر تناظري ومشفر رقمي. يمكن تقسيم المشفر التناظري إلى مشفر تناظري ومشفّر سين/جيم/جيم مكس (Sin/Cos)، بينما يمكن تقسيم المشفر الرقمي إلى مشفر تزايدي ومشفر مطلق.

3. مبادئ عمل أجهزة التشفير الشائعة الاستخدام

3.1 مبدأ أجهزة التشفير الرقمية

1ـ استخدام المقرنات الكهروضوئية لمسح قرص مجزأ مثبت على عمود ميكانيكي.

يتم تحويل الشفرة الميكانيكية إلى إشارات نبضات كهربائية متناسبة.

يبعث مصدر الضوء (عادةً ما يكون مصباح LED) شعاعاً ضوئياً ضيقاً من الضوء نحو المستقبل (الذي قد يكون صماماً ثنائي الصمام الضوئي). ويتم تثبيت كل من مصدر الضوء والمستقبل بدقة في أجزاء ثابتة من محمل التوصيل الدوار.

أداة التشفير عبارة عن قرص تظليل مزود بفتحة أو نافذة شفافة، يتم تثبيتها في الجزء الدوار من المحمل.

3.2 مبدأ المشفرات الرقمية الكهروضوئية

عندما يدور المحمل، تسمح أداة التشفير لشعاع الضوء بالتناوب من خلاله (يمر من خلال النافذة الصغيرة على القرص).

يُخرج الصمام الثنائي الضوئي إشارات مقابلة عالية أو منخفضة المستوى مع تغير الموضع. ويمكن تحويل خرج الصمام الثنائي الضوئي إلى معلومات عن الموضع والسرعة من خلال دائرة متخصصة.

3.2.1 مخرجات أجهزة التشفير التزايدي

يتألف خرج أداة التشفير التزايدي من قرص كهروضوئي مركزي بعلامات دائرية شفافة وغير شفافة، والتي تتم قراءتها بواسطة مكونات الباعث الكهروضوئي والمستقبل للحصول على إشارات موجات مربعة مجمعة على شكل A، B، -A، -B.

لكل زوج من الإشارات فرق طور 90 درجة C (دورة واحدة تساوي 360 درجة).

بالإضافة إلى ذلك، توجد إشارة معايرة بنقطة الصفر، ويخرج المشفر إشارة واحدة لكل دوران للقرص.

3.2.2.2 مبادئ توصيل المشفرات التزايدية

1. توصيل أحادي الطور

تُستخدم للعد أحادي الاتجاه وقياس السرعة أحادي الاتجاه.

2. وصلة A-B ثنائية الطور

تُستخدم للعد ثنائي الاتجاه وتحديد الاتجاه والسرعة.

3. توصيل ثلاثي الطور A-B-C

تُستخدم لتحديد السرعة مع تصحيح الموضع المرجعي.

يتميز توصيل A-A-B-B-C-C بتيار توصيل إشارة سالب متماثل، والذي يتميز بأقل قدر من التوهين ومضاد قوي للتداخل، ويمكن إخراجه عبر مسافات طويلة.

كيفية تحديد الاتجاه

بما أن A و B خارج الطور بزاوية 90 درجة، يمكن تحديد الاتجاه من خلال تحديد ما إذا كان A أو B يحدث أولاً.

كيفية إجراء معايرة الموضع الصفري

أثناء إرسال نبضات المشفر، قد تحدث أخطاء أثناء الإرسال لأسباب مثل التداخل، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء في الإرسال.

في هذا الوقت، من الضروري إجراء معايرة الموضع الصفري في الوقت المناسب.

يقوم المشفر C بإخراج نبضة واحدة كل دورة، والتي تسمى النبضة الصفرية أو نبضة التعريف، وتستخدم لتحديد الموضع الصفري أو تحديد الموضع.

لقياس النبضة الصفرية بدقة، بغض النظر عن اتجاه الدوران، يتم إخراج النبضة الصفرية كمجموعة عالية المستوى من قناتين.

نظرًا لاختلاف الطور بين القناتين، فإن النبضة الصفرية تساوي نصف طول النبضة فقط.

3.2.3 مضاعف أجهزة التشفير التزايدي

نظرًا للقيود التكنولوجية وقيود أخذ العينات، من المستحيل تحقيق تقسيم مادي أدق وأكثر دقة لقرص الترميز.

ومع ذلك، يمكن تحقيق نبضات أعلى من خلال تحويل الدائرة الرقمية.

إشارة التردد المزدوج

يتم الحصول عليها عن طريق التحويل "الحصري أو" لمرحلتي A و B.

إشارة التردد الرباعي

يزيد العداد أيضًا أو ينقص على كل حافة من القناتين A وB. يتم تحديد اتجاه العداد حسب القناة التي تتقدم على الأخرى.

يزيد الرقم في العداد أو ينقص بمقدار 4 في كل دورة.

3.2.4 ميزات أجهزة التشفير التزايدي

يقوم المشفر بإخراج إشارة نبضية لكل زاوية دوران محددة مسبقًا، ويتم حساب زاوية الدوران عن طريق حساب عدد إشارات النبضات.

لذلك، فإن بيانات الموضع التي يخرجها المشفر تكون نسبية.

بما أنه يتم استخدام إشارة نبضية ثابتة، يمكن ضبط موضع بدء زاوية الدوران بشكل اعتباطي.

ونظراً لاستخدام الترميز النسبي، ستفقد بيانات زاوية الدوران وتحتاج إلى إعادة تعيينها بعد انقطاع التيار الكهربائي.

3.2.5 مشاكل التشفير التزايدي

1) تحتوي أجهزة التشفير التزايدي على أخطاء تراكمية في نقطة الصفر.

2) لديهم قدرة ضعيفة على مقاومة التداخل.

3) يجب إيقاف تشغيل جهاز الاستقبال وإيجاد الموضع المرجعي مرة أخرى بعد انقطاع التيار الكهربائي أو إيقاف التشغيل.

يؤدي ظهور أجهزة التشفير المطلقة إلى حل هذه المشاكل.

3.3 مبدأ التشفير المطلق

يحتوي جهاز التشفير المطلق على قرص شفرة ضوئية مع عدة قنوات ضوئية وخطوط محفورة عليه.

يتم ترميز كل قناة باستخدام خطوط 2، 4، 4، 8، 16، وهكذا بالتسلسل.

عند كل موضع من المشفر، تتم قراءة القنوات الضوئية وتستخدم حالة تشغيلها/إيقاف تشغيلها للحصول على رمز ثنائي فريد، يُعرف باسم الرمز الرمادي، يتراوح من 2^0 إلى 2^(n-1)، حيث n هو عدد بتات المشفر المطلق.

يتم تحديد موضع أداة التشفير ميكانيكيًا بواسطة قرص الشفرة الضوئية، لذلك لا يتأثر بانقطاع الطاقة أو التداخل.

3.3.1 قرص كود التشفير المطلق

يتم مسح قرص الكود الضوئي بواسطة مجموعة من المقرنات الكهروضوئية للحصول على الكود الفريد في كل موضع. ولكل موضع رمز فريد خاص به.

رموز إخراج المشفرات المطلقة هي:

1. رمز ثنائي طبيعي 0000 0001 0010 0011 0100

2. الرمز الرمادي 0000 0001 0011 0010 0110

خصائص الرمز الرمادي:

تحتوي الأعداد الصحيحة المتجاورة في تمثيلها العددي على فرق واحد فقط، وهو ما يمكن أن يتجنب حدوث تيار ذروة كبير في دائرة التحويل الرقمي (مثل 3-4، 0011-0100).

تنسيق تحويل الرمز الثنائي الرمادي-الثنائي:

يتم الاحتفاظ بالأرقام الأعلى، ويتم الحصول على ثاني أعلى رقم عن طريق إجراء عملية "حصري أو" على الأرقام الأعلى وثاني أعلى رقم (في الثنائية).

مرجع للرموز العشرية والرمادية.

3.3.2 تنسيقات إخراج أجهزة التشفير المطلقة

1. وضع الإخراج المتوازي

في هذا الوضع، يوجد كابل واحد لكل بت من البيانات (قناة بت)، ويمثل مستوى الإشارة (عالية أو منخفضة) على كل كابل 1 أو 0.

الجهاز المادي مشابه لجهاز التشفير التزايدي وله أنواع مختلفة مثل المجمع المفتوح PNP، NPN، محرك تفاضلي، دفع-سحب، وفعالية تفاضلية عالية أو منخفضة بناءً على تنسيق الجهاز المادي.

يكون الخرج المتوازي بشكل عام على شكل رمز رمادي، ويسمى أيضًا مشفر الرمز الرمادي.

2. مخرج الواجهة التسلسلية المتزامنة (SSI)

في هذا الوضع، يتم تركيز البيانات وإرسالها من خلال مجموعة من الكابلات. يتم ترتيب إخراج البيانات بواسطة بروتوكول اتصال يحدد التوقيت.

يستخدم الإخراج التسلسلي عددًا أقل من خطوط التوصيل ويمكنه الإرسال عبر مسافات أطول، مما يحسن بشكل كبير من حماية المشفر وموثوقيته.

عادةً ما تستخدم أجهزة التشفير المطلقة عالية البت وأجهزة التشفير المطلقة متعددة الأدوار خرجًا تسلسليًا.

3. التنسيق التسلسلي غير المتزامن

في هذا الوضع، يتم تبادل التعليمات والبيانات من خلال السؤال والجواب، وتكون الواجهة مزدوجة. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك واجهة RS485، التي لا تتطلب سوى كبلين فقط.

يمكن أن يكون محتوى البيانات قيمة موضع المشفر أو أي محتوى آخر تطلبه التعليمات.

على سبيل المثال، إذا تمت إضافة عنوان لكل مشفر، يمكن لعدة مشفرات مشاركة كابل الإرسال والاستقبال اللاحق. يسمى هذا النموذج بنوع ناقل المجال.

4. مبدأ التشفير الهجين

يتم دمج كل من الترميز التزايدي والترميز المطلق على نفس القرص.

تحتوي الدائرة الخارجية للقرص على خطوط تزايديّة عالية الكثافة، بينما الجزء الأوسط هو قناة الشفرة الرمادية الثنائية للمشفّر المطلق.

تتم الإشارة إلى دوران القرص من خلال حساب عدد النبضات في كل دورة، ويتم حساب الزاوية التي تدور خلال أسبوع باستخدام القيمة العددية للرمز الرمادي.

مشفر مطلق متعدد الأدوار: استنادًا إلى جهاز التشفير المطلق أحادي الدورة، يتم استخدام مبدأ آلية تروس الساعة لنقل دوران القرص المركزي إلى مجموعة أخرى من الأقراص (أو مجموعات متعددة من التروس والأقراص) من خلال نقل التروس، مما يضيف ترميز عدد الدورات على أساس الترميز أحادي الدورة لتوسيع نطاق قياس جهاز التشفير.

عندما يمر ضوء متوازي عبر شبكة، فإن شدة أهداب مويري الناتجة تقارب دالة جيب التمام.

من خلال وضع أربعة 1/4 أهداب مويري للعناصر الحساسة للضوء في اتجاه حركة هدب مويري، يمكن الحصول على أربع مجموعات من إشارات خرج الجيب وجيب التمام.

شكل إخراج جهاز التشفير الجيب - الجيب الكوزي

أداة التشفير الخطي

يقيس المشفر الخطي مسافة الحركة الخطية لجسم ما ويحول المسافة المقيسة إلى خرج إشارة كهربائية نبضية.

بعبارات بسيطة، المبدأ هو تمديد قرص المشفر الدوار إلى خط مستقيم.

أداة تشفير مقياس الشبك

مبدأ عمل مستشعر إزاحة الشبك هو أنه عندما يتم إزاحة الشبك الرئيسي (أي شبك المقياس) والشبك المساعد (أي شبك المؤشر) في زوج الشبك نسبيًا، ينتج عن تداخل الضوء وحيود الضوء نمط مخطط منتظم أبيض وأسود (أو أبيض ساطع-مظلم)، يسمى هامش مويري.

يتم تحويل الخطوط البيضاء والسوداء (أو البيضاء الساطعة والداكنة) المتشابهة إلى إشارات كهربائية متغيرة الموجات الجيبية من خلال أجهزة كهروضوئية.

بعد التضخيم والتشكيل بواسطة دوائر التشكيل، يتم الحصول على إشارتي موجة جيبية أو موجة مربعة بفرق طور 90 درجة وإرسالها إلى شاشة العرض الرقمية الشبكية للعد والعرض.

محول دوار

المحول الدوار، المعروف أيضًا باسم المحلل، هو نوع من المحركات الدقيقة المستخدمة لأغراض التحكم.

وهو عبارة عن جهاز قياس غير مباشر يحوّل الدوران الميكانيكي إلى إشارة كهربائية مرتبطة بزاوية الدوران بواسطة دالة رياضية معينة.

مبدأ المحول الدوار

1. المحول الدوَّار هو مكوِّن إشارة يخرج جهدًا يتغيَّر مع زاوية الدوَّار.

عندما يتم استثارة لف الإثارة بجهد متناوب بتردد معين، تكون سعة الجهد لملف الخرج في علاقة دالة جيب أو جيب تمام مع زاوية الدوار، أو تحافظ على علاقة تناسبية معينة، أو لها علاقة خطية مع زاوية الدوار ضمن نطاق معين.

2. يتبع توزيع التدفق المغناطيسي بين الجزء الثابت والدوار للمحول الدوار قاعدة جيبية.

لذلك، عندما يتم تطبيق جهد الإثارة على لف الجزء الثابت، يولد لف الدوار قوة دافعة كهربية مستحثة من خلال الاقتران الكهرومغناطيسي، كما هو موضح في الشكل أعلاه.

يعتمد مقدار جهد الخرج على الموضع الزاوي للدوار، وبالتالي يختلف جيبيًا مع إزاحة الدوار.

وفقًا لمبدأ المحولات، بافتراض أن عدد اللفات في الملف الابتدائي هو N1 وعدد اللفات في الملف الثانوي هو N2، فإن k = N1 / N2 هي نسبة اللفات. عندما يتم تطبيق جهد التيار المتردد على الملف الابتدائي

تطبيق المحول الدوار

1. وضع كشف الطور

زاوية طور الجهد المستحث تساوي زاوية الدوران الميكانيكي للدوار.

لذلك، طالما تم اكتشاف زاوية طور جهد الخرج للدوار، فإن زاوية دوران الدوار معروفة.

2. وضع كشف السعة

في التطبيقات العملية، من خلال التعديل المستمر للزاوية الكهربائية لجهد التحوير الكهربائي، يمكن تتبع تغير الزاوية الميكانيكية، ويمكن قياس سعة الجهد المستحث للحصول على إزاحة الزاوية الميكانيكية.

5. احتياطات تركيب أجهزة التشفير

الجوانب الميكانيكية:

1. انتبه إلى حمل العمود المسموح به أثناء التركيب;

2. تأكد من أن الفرق في محور عمود أداة التشفير والمستخدم عمود الخرج أقل من 0.20 مم، وزاوية الانحراف عن المحور أقل من 1.5 درجة;

3. أثناء التركيب، تجنب الضرب والسقوط والاصطدام لمنع تلف العمود والقرص;

4. أثناء الاستخدام طويل الأمد، تحقق بانتظام مما إذا كانت البراغي المثبتة لجهاز التشفير مفكوكة (مرة كل ثلاثة أشهر).

الجوانب الكهربائية:

1） يجب أن يكون سلك التأريض سميكًا قدر الإمكان، أكبر من 1.5 ملليمتر مربع بشكل عام;

2） يجب ألا تتداخل أسلاك خرج أداة التشفير مع بعضها البعض لتجنب تلف دائرة الخرج;

3） يجب عدم توصيل أسلاك الإشارة الخاصة بأداة التشفير بطاقة تيار مستمر أو تيار متردد لتجنب تلف دائرة الخرج;

4） يجب أن تكون المعدات، مثل المحركات، المتصلة بأداة التشفير مؤرضة جيدًا وخالية من الكهرباء الساكنة.

6. تركيب كابل تدريع جهاز التشفير.

مخطط الهيكل الداخلي لجهاز تشفير دوّار.