מקודדים חדשניים מספקים עמידות ודיוק ללא פשרות

מקודדים סיבוביים מספקים מידע קריטי על מצבים של צירי מנוע כמו גם על כיוון הסיבוב, המהירות והתאוצה שלהם. אלה הם רכיבים חיוניים בלולאת משוב בקרת-התנועה של יישומי תעשייה, רובוטיקה, טיסה, אנרגיה ואוטומציה. במערכות אלו, המקודדים נדרשים לספק אמינות ארוכת-זמן, עמידות וביצועים גבוהים למרות הימצאותם בתנאים קשים הכוללים אבק, לכלוך, שומן, טמפרטורות משתנות ורעידות כבדות. הצורך במקודדים עלה דרמטית עם העלייה ביישומים הדורשים בקרת תנועה מדויקת.

האתגר עבור מהנדסי התכנון היה לבחור בין הפשרות של שתי טכנולוגיות המקודדים הנפוצות ביותר: אופטית ומגנטית. הגישה האופטית מציעה את הדיוק הטוב ביותר אולם באמינות מופחתת; הגישה המגנטית מספקת עמידות גדולה יותר, אך פחות דיוק. בעוד תכנונים אחדים יכולים למנוע שימוש במקודדים כלל, המציאות היא שמקודדים הם חוליה חיונית ברוב המכריע של לולאות בקרה/משוב (ראה מסגרת #1, “מה בדבר תכנונים ללא חיישנים?”)

טכנולוגיות של מקודדים דורשות פשרות
מקודדים סטנדרטיים מספקים לרוב בין 48 ו-2048 פולסים לסיבוב (pulses per revolution, ppr), כאשר רוב היישומים דורשים בין 800 ל-1024ppr. בעוד ppr גבוה יותר נראה כמציע דיוק גלוי גדול יותר, הוא יותר יקר ויותר מורכב, מחייב חישוב נוסף ועומסי עיבוד על בקר המערכת או המעבד הדיגיטלי הסוגר את הלולאה. בנוסף להיותו לא-חיוני, דיוק מוגזם עשוי להיות פוגע למעשה, בשל הרעש, הרעידות והריצוד במצב הציר.
רוב מקודדי הציר מבוססים על עקרונות אופטיים או מגנטיים. השיטה האופטית משתמשת בדיסק זכוכית או פלסטיק עם שתי שורות של חלונות מסביב להיקף. איור 1. מקור אור LED ופוטו-גלאים ממוקמים בצדדים הנגדיים של הדיסק; בשעה שהדיסק מסתובב, המעבר on/off של האור דרך החלונות מספק את הפולסים הניצבים A ו-B של גלים ריבועיים האופייניים.
על אף היותה בשימוש מוצלח, לגישה אופטית זו יש מספר חסרונות. ביחס לקשיות, גורמים כגון לכלוך, שמן ותכונות אחרות, כאשר כולן מופיעות הן בשעת ההרכבה והן במהלך הזמן בשדה, יכולות להפריע בקלות על הדיסק והחריצים, ובכך על המוצא המקודד. הגישה המסורתית כדי לרסן חשיפה למזהמים היא להציב את המקודד במתקן פעמון (bell housing). למרבה הצער, גישה זו איננה מבטלת כליל את החשיפה למזהמים סביבתיים. בנוסף, היא מוסיפה גורמים חדשים למשוואה, הכוללים טמפרטורות גבוהות ועלויות יישום גבוהות יותר.
יתר על כן, ל-LEDs במקודדים אופטיים יש פרקי חיים מוגבלים והבהירות שלהם עשויה לדעוך במחציתה תוך 10,000 עד 20,000 שעות (בקירוב שנה עד שנתיים), והם לעתים גם נשרפים. אם הדיסק עשוי מחומר פלסטי בתור שיקול של עלות מוקטנת, יהיה לו תחום טמפרטורה מוגבל, וכל עיוות או עיקום ישפיע על הדיוק.
המבנה של מקודד מגנטי דומה לזה של המקודד האופטי, פרט לשימוש בשדה מגנטי במקום קרן אור. במקום הגלגל האופטי המחורץ, יש לו דיסק ממוגנט המסתובב מסביב למערך של חיישנים מגנטו-התנגדותיים. כל סיבוב של הגלגל יוצר תגובה בחיישנים אלה, העוברת למעגל חזית של עיבוד נתונים כדי לקבוע את מצב הציר. בעוד הוא מציע דרגה גבוהה של עמידות, המקודד המגנטי איננו כה מדויק והוא רגיש מאוד להפרעות מגנטיות הנוצרות על-ידי מנועי חשמל, בעיקר מנועי-צעד.
בנוסף למקודדים אופטיים ומגנטיים, ניתן להשתמש בחיישני תופעת עבור קידוד מצב. על אף היותם יעילים ואמינים, הם מתאימים רק לקביעת מצב הציר בדיוק וברזולוציה נמוכה יחסית.

גישה חדשנית מבוססת על תכנון מוכח
בשל הצורך בקידוד מצב סיבובי מדויק ואיתן, CUI חיפשה טכניקות אלקטרוניות אחרות שניתן להשתמש בהן. הפיתרון שלהם היה להתאים את עקרונות ההפעלה בעלת חישה-קיבולית של מקודד מצב-ליניארי סטנדרטי, כפי שפותחה עבור מדי-קוטר vernier לפני 30 שנה (ראה מסגרת מס’ 2, “ממד-קוטר למקודד”). התוצאה היא פלטפורמת מקודד סיבובי עמידה ומדויקת ביותר הידועה כ-AMT.
חישה קיבולית משתמשת בתבניות של מוטות או קוים, עם מערך אחד על הרכיב הקבוע והשני על הרכיב הנע, כדי ליצור קבל משתנה המעוצב כזוג משדר/מקלט. איור 2. כשהמקודד מסתובב, מעגל משולב מיוחד ליישום (application specific integrated circuit -ASIC) מונה את שינויי הקווים וגם מבצע אינטרפולציה כדי למצוא את המצב המדויק של המקודד וכיוון הסיבוב.
לפי התכנון, המוצא החשמלי של ה-ASIC של המקודד מתאים ב-100% למקודדים אופטיים ומגנטיים. לשימוש זה של מקודד ללא-מגע יש מספר יתרונות משמעותיים למשתמש:
• איננו מושפע מאבק, לכלוך או שמן, ולכן הוא מטבעו יותר אמין מאשר הגישה האופטית.
• הוא פחות רגיש לחום וקור; ולכן יותר אמין ועקבי.
• פחות רגיש לרעידות מאשר דיסק זכוכית.
• אין לו LED אשר יעומם או יישרף.
• המקודד זקוק רק ל-6 עד 10 מילי-אמפר של זרם הפעלה, הרבה פחות מאשר ה-20 עד 50 מילי-אמפר של היחידות האופטיות; דבר זה הופך אותו לרכיב יעיל עבור יישומים ניידים ומוזני-סוללה.
משום שמשפחת המקודדים AMT איננה זקוקה ל-LEDs או לקו-ראייה, היא שימשה ביישומים בהם מקודדים קיימים נכשלים לעתים קרובות. במקרה אחד, יצרן של ציוד אפיה אוטומטי סבל מתקופות הפסקה חוזרות ושכיחות באתרי לקוחות בגין אבק של קמח ומזהמים אחרים אשר השפיעו על המקודד האופטי ביחידת ייצור חיונית, וחייב הפסקות חודשיות, החלפות ואיפוס מחודש. כאשר היחידה האופטית הוחלפה ביחידה קיבולית, בעיה זו נעלמה. במקרה אחר, יצרן של ציוד קידוח ימי דרש שכל מערכת המנוע תושקע בשמן בשל הלחץ הגבוה הכרוך ביישום. מקודד קיבולי נבחר בשל יכולתו לפעול ללא הפסקה בנוזלים לא-מוליכים כגון שמן.
קיים עוד יתרון אחד, אם כי פחות בולט, עבור כיוונן עדין למתכננים של לולאת בקרה יחסית-אינטגרלית-נגזרתית (proportional-integral-derivative (PID) control loop): היכולת להתאים את מניית ה-ppr של המקודד כדי לייטב את הביצועים ללא הצורך בהחלפת המקודדים. יכולת זו לשנות בצורה דינמית את הרזולוציה מפשטת בהרבה את תהליך הייטוב של המערכת, הנעשה לרוב דרך כיוונונים של הקוד, או על-ידי החלפת מניית-הקו (line count), רזולוציה. עם מקודד אופטי, תהליך אחרון זה דורש לקנות ולהתקין מקודדים שונים, ומעלה בכך את העלות הכוללת ומאריך את מחזור התכנון. עם המקודד הקיבולי, מהנדס הבקרה יוצר פשוט שינוי בפרמטר מניית הקו של המקודד, עד שמשיגים את התוצאה הרצויה של לולאת-בקרה.
אף בהתקנה ובייצור, המקודד הקיבולי מעניק יתרונות אחרים. מבחינה מכנית, חורי ההרכבה שלו מתאימים גם לסוגי מקודדים אחרים, ויוצרים בכך יחידה מתאימה לפעולה (איור 3). כך, מקודד יחיד יכול להתאים לקוטרי ציר שונים על-ידי שימוש בשרוולי התאמה, דבר המקטין את מספר היחידות במלאי (SKUs –stock-keeping units) הנמצאות במלאי הייצור והתחזוקה.
השימושיות של מקודד הבנוי ממתמר קיבולי וממשק חשמלי תואם ASIC מודגמת על-ידי ה-AMT11 של CUI, Inc. (איור 4). היחידה הקטנה, בעלת קוטר של 37 ממ’ ועובי של 10.34 ממ’, פועלת מספק-כוח יחיד של +5 וולט. היא מספקת הן יחידה ניצבת (900) מוארקת של CMOS למצב הפרשי (incremental) ומוצאי הזנות קו הפרשיים המתאימים חשמלית לאותות של מקודדים אופטיים או מגנטיים רגילים. היא מספקת תחום רחב של בחירות של רזולוציה מיתכננת הנע בין 48 ל-4096ppr, ועוד פולס מיעון (indexing) אחד לסיבוב. כיווני חיבור צירי ורדיאלי הם זמינים, תלוי בדרישת היישום, ביחד עם תחום טמפרטורה של -400C עד 1050C לשם עמידות-יתר.
קיימת דאגה מסוימת בנוגע למקודד המבוסס-קבל, כמו בכל מתמר אלקטרוני והמעגלים הכרוכים, כלומר, אחיזות (susceptibility) לרעש אלקטרוני והפרעות (EMI). תכנון זהיר של מעגל הממשק של ה-ASIC כמו גם הכיוונון העדין של אלגוריתמי הפענוח של המקודד הקלו על סוגיות אלו. ה-ASIC גם מציע הזדמנויות עתידיות של תכנונים הכוללים גם אבחון משובץ על-הכרטיס לשם בדיקה של מנגנון המקודד וה-ASIC עצמו, כחלק ממקודד ותת-מערכת יותר חכמים.
עם הזמינות של מקודדים בדוקים-בשדה המבוססים על עקרונות חישה קיבולית, אין צורך יותר שמהנדס התכנון יעשה את הבחירה הקשה בין התכונות שמקודדים אופטיים ומגנטיים מכתיבים: אמינות לזמן קצר וארוך כנגד דיוק במוצא. המקודד הקיבולי מצטיין בשניהם, וגם תורם יתרונות נוספים בהתקנה המכנית, מצאי, בחירת ה-ppr, איפוס הקריאה וצריכת הספק, כולם עם התאמה מלאה למוצאים התקניים.
Andermo עבד לבסוף עם CUI Inc., מ-Tualatin, Oregon כדי לפתח את ה-AMT Series של מקודדים הקיבוליים תוך שימוש באותה הטכנולוגיה, הפעם מיושמת למדידה סיבובית מהירה. שלושה מרכיבים הם נוכחיים: משדר בתדר גבוה, רוטור מצויד בתבנית מתכת סינוסית וכרטיס מקלט. הרוטור יושב בין כרטיסי המשדר והמקלט. בשעה שהרוטור מסתובב, התבנית הסינוסית-מתכתית שלו מאפננת את האות בעל התדר הגבוה בצורה הניתנת לחיזוי. כרטיס המקלט קורא את האפנונים הללו ו-ASIC קנייני מתרגם אותם להגדלות של תנועת הרוטור ברזולוציות מקודד של עד 4,096 צעדים/סיבוב.
Jeff Smoot is VP of Motion Control at CUI