Enkoder absolutny a inkrementalny — różnice, zasada działania i zastosowania

Enkoder absolutny a inkrementalny różnią się przede wszystkim sposobem określania pozycji. Enkoder inkrementalny generuje impulsy odpowiadające zmianie położenia i wymaga ich zliczania, natomiast absolutny przypisuje każdej pozycji unikalną wartość, dzięki czemu może określić położenie także po ponownym uruchomieniu układu.

W praktyce wybór pomiędzy tymi rozwiązaniami zależy od tego, czy maszyna musi znać swoją pozycję natychmiast po włączeniu, jakiej rozdzielczości wymaga aplikacja, w jaki sposób sterownik odbiera sygnał oraz czy konieczne jest śledzenie więcej niż jednego obrotu wału. Oba typy enkoderów są powszechnie stosowane w automatyce, ale rozwiązują nieco inne problemy.

Czym jest enkoder i do czego służy?

Enkoder to przetwornik położenia, który zamienia ruch obrotowy lub liniowy na sygnał elektryczny możliwy do odczytania przez sterownik. Na podstawie tego sygnału można określić pozycję, kierunek ruchu, prędkość, a w niektórych zastosowaniach również przyspieszenie.

W automatyce enkodery wykorzystuje się między innymi do:

• kontroli położenia wału silnika,
• pomiaru prędkości obrotowej,
• sprzężenia zwrotnego w serwonapędach,
• kontroli pozycji osi liniowych,
• synchronizacji kilku napędów,
• pomiaru długości lub przesunięcia,
• kontroli pozycji stołów obrotowych i robotów.

Dobór konkretnego rozwiązania zaczyna się od odpowiedzi na pytanie, jaką informację o ruchu rzeczywiście potrzebuje sterownik. Dostępne enkodery do automatyki przemysłowej obejmują zarówno konstrukcje inkrementalne, jak i absolutne, dlatego technologię można dopasować do sposobu pracy konkretnej osi.

Jak działa enkoder inkrementalny?

Enkoder inkrementalny, nazywany również przyrostowym, generuje określoną liczbę impulsów podczas ruchu wału. Sterownik zlicza kolejne impulsy i na ich podstawie określa zmianę pozycji.

Typowy enkoder inkrementalny udostępnia:

• kanał A,
• kanał B,
• opcjonalny kanał referencyjny Z.

Kanały A i B są przesunięte względem siebie w fazie. Pozwala to określić nie tylko liczbę wykonanych impulsów, ale również kierunek obrotu.

Jeżeli enkoder generuje przykładowo 1000 impulsów na obrót, jeden impuls odpowiada:

360° / 1000 = 0,36°

W praktyce sposób zliczania zboczy sygnałów A i B może dodatkowo zwiększyć efektywną liczbę pozycji wykrywanych przez sterownik.

Co dzieje się po zaniku zasilania?

Enkoder inkrementalny przekazuje informację o zmianie pozycji, a nie o absolutnym położeniu wału. Jeżeli pozycja była ustalana przez zliczanie impulsów, po wyłączeniu sterownika informacja ta może zostać utracona.

Po ponownym uruchomieniu maszyny często konieczne jest więc:

1. wykonanie procedury bazowania,
2. dojazd do czujnika referencyjnego,
3. ustawienie pozycji początkowej,
4. rozpoczęcie dalszego zliczania impulsów.

Nie stanowi to problemu w wielu maszynach, które i tak wykonują procedurę referencji podczas startu.

W takich zastosowaniach enkodery inkrementalne zapewniają prosty i skuteczny sposób pomiaru prędkości oraz względnej zmiany położenia.

Jak działa enkoder absolutny?

Enkoder absolutny przypisuje każdej pozycji wału unikalną wartość cyfrową. Sterownik nie musi obliczać aktualnego położenia przez zliczanie impulsów od punktu początkowego – otrzymuje bezpośrednią informację o pozycji.

To najważniejsza praktyczna różnica względem enkodera inkrementalnego.

Jeżeli maszyna zostanie wyłączona, a wał zmieni położenie podczas postoju, odpowiednio dobrany enkoder absolutny po ponownym uruchomieniu może przekazać aktualną pozycję bez konieczności wykonywania pełnej procedury bazowania.

Może to mieć duże znaczenie w:

• robotach,
• osiach pionowych,
• maszynach wieloosiowych,
• stołach obrotowych,
• magazynach automatycznych,
• systemach manipulacyjnych,
• aplikacjach, w których bazowanie byłoby czasochłonne lub niebezpieczne.

Enkoder absolutny jednoobrotowy – jak działa?

Enkoder absolutny jednoobrotowy określa pozycję wału w zakresie jednego pełnego obrotu.

Przykładowo enkoder o rozdzielczości 12 bitów może rozróżnić:

2¹² = 4096 pozycji na obrót

Odpowiada to teoretycznej rozdzielczości kątowej około:

360° / 4096 ≈ 0,088°

Po wykonaniu kolejnego pełnego obrotu wartości pozycji zaczynają się jednak ponownie od początku.

Takie rozwiązanie wystarcza, gdy istotne jest położenie kątowe w zakresie 0–360°, na przykład przy:

• obrotnicach,
• zaworach,
• osiach obrotowych,
• mechanizmach nastawczych,
• pojedynczych przegubach.

Enkoder absolutny wieloobrotowy – czym się różni?

Enkoder wieloobrotowy zapisuje nie tylko pozycję w ramach jednego obrotu, ale również liczbę wykonanych pełnych obrotów.

Dzięki temu sterownik może określić położenie wału w znacznie większym zakresie.

Jeżeli enkoder oferuje:

• 12 bitów pozycji jednoobrotowej,
• 12 bitów liczby obrotów,

to może rozróżnić 4096 pozycji w ramach jednego obrotu i jednocześnie śledzić 4096 pełnych obrotów.

Rozwiązanie takie jest szczególnie przydatne w osiach liniowych, w których jeden obrót enkodera odpowiada niewielkiemu przesunięciu śruby, bębna lub koła zębatego.

Różnica pomiędzy wersją jedno- i wieloobrotową jest jednym z kluczowych kryteriów przy wyborze enkoderów absolutnych do maszyn wymagających znajomości pozycji bez ponownego bazowania.

Enkoder absolutny a inkrementalny – najważniejsze różnice

Najważniejsza różnica praktyczna dotyczy więc zachowania po wyłączeniu systemu.

Jeżeli maszyna może bez problemu wykonać bazowanie po każdym starcie, enkoder inkrementalny może być w pełni wystarczający. Jeżeli natomiast pozycja musi być znana natychmiast po uruchomieniu, przewagę uzyskuje enkoder absolutny.

Jak wygląda schemat działania enkodera?

Niezależnie od technologii można przyjąć uproszczony schemat:

ruch wału → element pomiarowy → odczyt pozycji → elektronika → sygnał wyjściowy → sterownik

W enkoderze inkrementalnym wynik pomiaru ma postać kolejnych impulsów:

ruch → impulsy A/B → licznik sterownika → pozycja względna

W enkoderze absolutnym:

ruch → kod pozycji → transmisja wartości → pozycja absolutna

Różnica nie polega więc wyłącznie na konstrukcji czujnika, ale także na sposobie interpretowania informacji przez układ sterowania.

Enkoder optyczny — czy może być absolutny i inkrementalny?

Tak. Określenie „optyczny” opisuje technologię odczytu, natomiast „absolutny” i „inkrementalny” sposób kodowania informacji o pozycji.

Enkoder optyczny może wykorzystywać:

• źródło światła,
• tarczę kodową,
• fotodetektor,
• elektronikę przetwarzającą sygnał.

W enkoderze inkrementalnym tarcza zawiera regularnie rozmieszczone pola generujące impulsy.

W enkoderze absolutnym układ ścieżek lub inny sposób kodowania pozwala przypisać określonej pozycji konkretną wartość.

Dlatego zarówno enkoder absolutny, jak i inkrementalny może działać w technologii:

• optycznej,
• magnetycznej,
• indukcyjnej,
• innej, zależnie od konstrukcji.

Technologię odczytu należy dobierać osobno od sposobu kodowania pozycji.

Jak dobrać enkoder — absolutny czy inkrementalny?

Najważniejsze jest ustalenie, jak maszyna powinna zachować się po uruchomieniu oraz jakiej informacji oczekuje sterownik.

1. Czy pozycja musi być znana natychmiast po włączeniu?

Jeżeli tak, enkoder absolutny jest naturalnym wyborem.

Dotyczy to na przykład osi, której nie można bezpiecznie przesunąć do czujnika bazowego po każdym restarcie.

Jeżeli procedura bazowania jest prosta i trwa kilka sekund, enkoder inkrementalny może być bardziej ekonomicznym rozwiązaniem.

2. Czy trzeba śledzić więcej niż jeden obrót?

Jeżeli maszyna musi znać całkowite położenie wału po wielu obrotach, należy rozważyć enkoder absolutny wieloobrotowy.

Przykładem może być:

• śruba napędowa,
• rozwijany bęben,
• wciągarka,
• oś liniowa,
• mechanizm wieloobrotowy.

3. Jaka rozdzielczość jest potrzebna?

Rozdzielczość określa najmniejszą zmianę pozycji, którą układ jest w stanie rozróżnić.

W enkoderach inkrementalnych podaje się ją często jako:

• PPR,
• impulsy na obrót,
• liczbę okresów sygnału.

W enkoderach absolutnych zwykle wyraża się ją w bitach.

Dla 10 bitów:

2¹⁰ = 1024 pozycje

Dla 12 bitów:

2¹² = 4096 pozycji

Dla 16 bitów:

2¹⁶ = 65 536 pozycji

Sama liczba pozycji nie mówi jednak jeszcze, z jaką dokładnością pracuje mechanizm. Przy doborze należy rozróżniać rozdzielczość enkodera od dokładności całego układu, na którą wpływają również geometria czujnika, montaż, luzy i mechanika napędu.

4. Jak szybko obraca się wał?

Przy dużych prędkościach należy sprawdzić:

• maksymalną prędkość mechaniczną enkodera,
• częstotliwość wyjściową,
• maksymalną częstotliwość wejścia sterownika,
• długość i jakość przewodów,
• rodzaj sygnału elektrycznego.

Enkoder inkrementalny o bardzo wysokiej liczbie impulsów może przy dużej prędkości generować sygnał o częstotliwości przekraczającej możliwości wejścia PLC lub licznika.

5. Jaki interfejs obsługuje sterownik?

Przy enkoderach inkrementalnych spotyka się między innymi:

• TTL,
• HTL,
• sygnały różnicowe,
• A/B/Z.

Enkodery absolutne mogą komunikować się przez różne interfejsy szeregowe i sieci przemysłowe.

Wybór powinien uwzględniać nie tylko sam enkoder, ale także wejścia dostępne w PLC, serwonapędzie lub sterowniku ruchu.

Kiedy wybrać enkoder inkrementalny?

Enkoder inkrementalny sprawdzi się szczególnie wtedy, gdy:

• najważniejszy jest pomiar prędkości,
• potrzebna jest informacja o zmianie pozycji,
• maszyna wykonuje bazowanie po starcie,
• układ ma być stosunkowo prosty,
• koszt rozwiązania ma duże znaczenie,
• sterownik dysponuje szybkim wejściem licznikowym.

Typowe zastosowania to:

• przenośniki,
• napędy pomocnicze,
• kontrola prędkości wału,
• proste osie pozycjonujące,
• pomiar długości materiału,
• synchronizacja mechanizmów.

Kiedy wybrać enkoder absolutny?

Enkoder absolutny będzie szczególnie przydatny, gdy:

• pozycja musi być znana bezpośrednio po uruchomieniu,
• bazowanie jest niewskazane lub niemożliwe,
• ruch wału podczas wyłączonego systemu musi zostać uwzględniony,
• potrzebny jest pomiar wieloobrotowy,
• aplikacja wymaga wysokiej niezawodności informacji o położeniu,
• enkoder pracuje jako sprzężenie zwrotne w precyzyjnym układzie automatyki.

Takie wymagania występują między innymi w:

• robotyce,
• serwonapędach,
• maszynach CNC,
• magazynach automatycznych,
• stołach obrotowych,
• osiach pionowych,
• systemach pozycjonowania.

Wybierając absolutny sposób pomiaru, trzeba następnie zdecydować, czy wystarczy wersja jednoobrotowa, czy konieczne jest śledzenie wielu pełnych obrotów. To jedna z podstawowych kwestii przy doborze enkodera absolutnego.

Czy enkoder absolutny jest zawsze lepszy?

Nie. Większa ilość dostępnych informacji nie oznacza automatycznie, że bardziej rozbudowany enkoder będzie korzystniejszym rozwiązaniem.

Jeżeli aplikacja:

• zawsze wykonuje bazowanie,
• potrzebuje przede wszystkim informacji o prędkości,
• nie musi znać pozycji podczas postoju,
• korzysta z prostego sterownika,

enkoder inkrementalny może spełnić wszystkie wymagania przy prostszej integracji.

Z kolei stosowanie wersji absolutnej jest uzasadnione wtedy, gdy informacja o bezwzględnym położeniu rzeczywiście wnosi wartość do procesu.

Absolutny czy inkrementalny? Zacznij od sposobu pracy maszyny

Najważniejszym kryterium nie jest sama rozdzielczość ani cena urządzenia, lecz sposób, w jaki informacja o pozycji jest wykorzystywana przez maszynę.

Jeżeli sterownik musi znać położenie natychmiast po uruchomieniu, właściwym kierunkiem będzie enkoder absolutny. Gdy potrzebny jest przede wszystkim pomiar zmiany pozycji lub prędkości, a bazowanie nie stanowi problemu, enkoder inkrementalny może być rozwiązaniem prostszym i wystarczającym.

Przed doborem warto określić:

• czy pozycja ma być absolutna czy względna,
• czy maszyna może wykonywać bazowanie,
• liczbę obrotów do śledzenia,
• wymaganą rozdzielczość,
• oczekiwaną dokładność,
• maksymalną prędkość wału,
• wymagany interfejs,
• warunki środowiskowe,
• sposób montażu.

Oferta AMG obejmuje zarówno enkodery inkrementalne, jak i enkodery absolutne, dzięki czemu sposób pomiaru można dopasować do architektury sterowania i rzeczywistych wymagań aplikacji.

FAQ

Czym różni się enkoder absolutny od inkrementalnego?

Enkoder inkrementalny generuje impulsy odpowiadające zmianie położenia i wymaga ich zliczania. Enkoder absolutny przekazuje konkretną wartość pozycji, dlatego może określić położenie bez liczenia ruchu od punktu referencyjnego.

Co się dzieje z pozycją enkodera inkrementalnego po zaniku zasilania?

Sam enkoder inkrementalny nie przechowuje absolutnej pozycji wału. Jeżeli sterownik straci informację o liczniku impulsów, po ponownym uruchomieniu zwykle konieczne jest wykonanie procedury bazowania.

Czy enkoder absolutny jest droższy niż inkrementalny?

Zwykle tak, ponieważ wymaga bardziej rozbudowanego sposobu kodowania i elektroniki. Koszt zależy jednak również od rozdzielczości, technologii odczytu, interfejsu, konstrukcji mechanicznej i warunków pracy.

Czym różni się enkoder absolutny jednoobrotowy od wieloobrotowego?

Jednoobrotowy określa pozycję w zakresie jednego pełnego obrotu. Wieloobrotowy dodatkowo śledzi liczbę wykonanych obrotów, dzięki czemu może określić absolutną pozycję w znacznie większym zakresie.

Do czego służy enkoder w automatyce?

Enkoder służy do pomiaru położenia, prędkości i kierunku ruchu. Może być stosowany jako element sprzężenia zwrotnego w serwonapędzie, do kontroli osi liniowej, pomiaru długości, synchronizacji maszyn lub monitorowania prędkości wału.

Jak dobrać enkoder — absolutny czy inkrementalny — do aplikacji?

Jeżeli pozycja musi być znana natychmiast po uruchomieniu albo bez wykonywania bazowania, warto wybrać enkoder absolutny. Jeżeli wystarczy pomiar prędkości lub względnej zmiany pozycji, a maszyna może wykonać procedurę referencji, często wystarczy enkoder inkrementalny.