Enkoder

Istota wynalazku

Automatyka to najogólniej mówiąc dziedzina nauki zajmująca się zagadnieniami sterowania procesami. Istotą każdego współczesnego układu automatycznej regulacji jest pętla sterowania złożona z regulatora, obiektu sterowania, elementu wykonawczego (tzw. aktuator) oraz elementu pomiarowego.

Element wykonawczy znajduje się na styku pomiędzy światem elektroniki i fizyki - odpowiada za to, aby określona procedura w komputerowym programie sterowania osiągnęła określony efekt fizyczny w świecie rzeczywistym. Aktuatorem może być np. grzałka, elektrozawór albo silnik. Z kolei informacja ze świata fizyki wraca do elektronicznego sterownika poprzez element pomiarowy, taki jak termometr, przepływomierz lub właśnie enkoder.

Enkodery to czujniki znajdujące zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagany jest precyzyjny pomiar pozycji. Podstawową klasyfikację enkoderów można wykonać ze względu na charakter ruchu związanego z mierzoną wartością. Dla pomiaru położenia kątowego w ruchu obrotowym posługujemy się enkoderami obrotowymi, natomiast dla pomiaru pozycji w ruchu postępowym enkoderami liniowymi. Dodatkowo, enkodery można podzielić na inkrementalne, czyli takie które odnoszą bieżącą wartość względem poprzednio zmierzonej oraz absolutne, zwracające bezwzględną wartość np. w stopniach kątowych.

W budowie każdego enkodera obrotowego można wyróżnić obrotową tarczę kodową oraz czujnik (enkoder liniowy działa w analogiczny sposób). Tarcza enkodera obraca się wraz z wałem na którym jest osadzona, natomiast nieruchomy czujnik potrafi określić pozycję tarczy, odczytując zakodowaną na niej informację. W enkoderze absolutnym, będącym przedmiotem wynalazku przyjęto zastosowanie prostego optycznego czujnika, który potrafi wykonać zdjęcia o niskiej rozdzielczości, lecz z dużą częstotliwością. Tego typu czujniki znajdują zastosowanie np. w popularnych komputerowych myszkach optycznych, gdzie analizowany jest obraz podłoża pod myszką i porównywany z obrazem zrobionym chwilę wcześniej. Jednak, aby było możliwe zastosowanie takich czujników w enkoderach, konieczne okazało się opracowanie odpowiedniego sposobu kodowania informacji na tarczy enkodera. W klasycznych enkoderach słowem kodowym jest ciąg stanów logicznych reprezentowanych przez cyfry O i 1. Taki ciąg bardzo łatwo jest przekształcić z systemu binarnego na dziesiętny a następnie przypisać odpowiednią wartość kątową wyrażoną w stopniach. Zupełnie inaczej działa enkoder według prezentowanego rozwiązania - w tym przypadku nie ciąg stanów logicznych a macierze stanów są przedmiotem interpretacji. Kodowanie informacji w postaci macierzy logicznych jest bardzo korzystne, gdyż pozwala zaoszczędzić miejsce na tarczy kodowej. Chcąc np. zakodować na tarczy 4096 pozycji (co odpowiada pomiarowi z rozdzielczością ok. 6 minut kątowych), w klasycznym rozwiązaniu potrzeba słów kodowych złożonych z 12 bitów - tarcza musi zawierać 12 linii kodowych. Natomiast w rozwiązaniu według wynalazku wystarczy kwadratowa macierz o wymiarze 4x4 - tarcza musi zawierać jedynie 4 linie kodowe. Taka redukcja w znaczący sposób upraszcza konstrukcję precyzyjnej tarczy kodowej.

Korzyści

Innowacyjność rozwiązania polega na wykorzystaniu tanich i łatwo dostępnych komponentów, tworząc produkt docelowy zdecydowanie tańszy od konkurencyjnych urządzeń, przy jednoczesnym zachowaniu trwałości urządzenia oraz precyzji i powtarzalności pomiarów. Ceny absolutnych enkoderów optycznych przekraczają obecnie 1000 zł, co wynika w dużej mierze ze stosowania dedykowanych, specjalistycznych czujników optycznych oraz wymogów gęsto zakodowanej informacji na precyzyjnej tarczy kodowej. Rozwiązanie według proponowanego wynalazku może przyczynić się do zdecydowanej redukcji kosztów wytworzenia absolutnych enkoderów optycznych. Ponadto, rozwiązanie przyczynić się może do miniaturyzacji enkoderów, umożliwiając tym samym stosowanie ich w aplikacjach nieosiągalnych dla enkoderów absolutnych spotykanych na rynku.

Potencjał komercjalizacji

Produkt będący konsekwencją opisywanego wynalazku jest kierowany przede wszystkim do odbiorców przemysłowych. Odbiorcy tego typu często wybierają podzespoły znanych i sprawdzonych producentów, firm z wieloletnim doświadczeniem w branży. Dlatego najkorzystniejszą strategią w procesie komercjalizacji rozwiązania wydaje się udzielenie licencji wyłącznej lub niewyłącznej firmie, mającej ugruntowaną pozycję na rynku europejskim. Potencjalna firma mogłaby okazać się zainteresowana rozwiązaniem, które pozwoli na znaczną redukcję kosztów wytworzenia enkoderów absolutnych. Jednocześnie produkcja enkoderów według proponowanego projektu nie wiązałby się z dodatkowymi kosztami opracowywania elementów mechanicznych (obudowa, wał, łożyskowanie wału, tarcza), ponieważ pozostają one identyczne w stosunku do stosowanych dotychczas.