Cách đấu dây bộ mã hóa gia tăng: Tín hiệu A/B/Z, các loại đầu ra và kết nối với PLC

Máy đang chạy, động cơ quay, nhưng đồng hồ đếm trên bảng điều khiển lại không hiển thị gì. Hoặc nó đếm sai chiều. Hoặc bộ mã hóa thay thế bốc khói ngay khi bật nguồn. Trong tất cả các trường hợp này, dây dẫn thường không phải là nguyên nhân. Lỗi xuất phát từ sự không tương thích về giao diện điện: mạch đầu ra sai, điện áp nguồn không đúng, hoặc đầu ra không được thiết kế để tương tác với đầu vào mà nó được kết nối. Hướng dẫn này sẽ hướng dẫn bạn cách đấu dây cho bộ mã hóa gia tăng bắt đầu từ các tín hiệu, sau đó trình bày năm thông số kỹ thuật quyết định liệu bộ mã hóa thay thế có thể được đấu dây thành công ngay từ lần thử đầu tiên hay không.

Tín hiệu bộ mã hóa gia tăng là gì: Giải thích về các dây A, B và Z

Bộ mã hóa gia tăng không báo vị trí. Thiết bị này phát ra một luồng xung, mỗi đơn vị chuyển động của trục tương ứng với một cạnh xung, và bộ đếm sẽ tái tạo tốc độ, hướng và vị trí tương đối bằng cách đếm các xung này. Đó chính là điểm khác biệt duy nhất so với bộ mã hóa tuyệt đối, vốn có khả năng ghi nhớ vị trí của mình sau khi mất điện. Hệ thống gia tăng phải xác định lại điểm tham chiếu (thường là bằng xung Z) mỗi khi khởi động lại.

Có ba tín hiệu quan trọng trong việc nối dây bộ mã hóa gia số:

• Kênh A và Kênh B là các chuỗi xung sóng vuông, lệch pha 90 độ điện. Chỉ cần đếm xung A là có thể xác định được tốc độ. Nếu đếm cả A và B cùng lúc (phương pháp đếm vuông góc), mối quan hệ pha sẽ cho biết hướng quay: nếu A đi trước B trong một hướng quay, thì B sẽ đi trước A trong hướng quay ngược lại.
• Kênh Z phát ra một xung cho mỗi vòng quay. Đây chính là chỉ số, tức là dấu hiệu “đây là điểm đỉnh của vòng quay”, được sử dụng để định vị ban đầu và để xác minh rằng không có xung nào bị mất.
• PPR (số xung trên mỗi vòng quay) là độ phân giải. Các giá trị thông dụng trong công nghiệp dao động từ vài chục đến hơn một nghìn xung trên mỗi vòng quay. Số xung trên mỗi vòng quay càng cao thì độ chính xác đo lường càng cao, nhưng tần số đầu ra cũng sẽ cao hơn ở cùng một tốc độ trục.

Trước khi đi sâu hơn, cần lưu ý một điểm nhầm lẫn về thuật ngữ. “Bộ mã hóa tăng dần” mà các nhà đam mê thường kết nối với vi điều khiển (nút xoay có chốt cố định trên bảng điều khiển) thực chất là một công tắc tiếp điểm cơ học không cần nguồn điện. Trong khi đó, các bộ mã hóa công nghiệp được đề cập trong bài viết này là các thiết bị có nguồn điện (5–24 V DC) và phát ra tín hiệu số A/B/Z thực sự; các quy tắc kết nối giữa hai loại này không thể áp dụng lẫn nhau.

Năm loại đầu ra của bộ mã hóa gia tăng — và cách đọc chúng trên bảng hiệu kỹ thuật

Mọi nhà sản xuất bộ mã hóa đều bán những thiết bị trông giống hệt nhau nhưng có nhiều phiên bản khác nhau về thông số điện. Nền tảng cơ khí, trục, vỏ, thậm chí cả thang độ phân giải, đều có thể giống hệt nhau giữa các phiên bản. Điều thay đổi là mạch đầu ra, mạch bên trong bộ mã hóa có chức năng điều khiển các dây tín hiệu. Đây là yếu tố quan trọng nhất trong việc nối dây bộ mã hóa gia tăng: mạch đầu ra quyết định bộ đếm nào mà bộ mã hóa có thể điều khiển, và thông tin này thường được ghi trong phần hậu tố của tên mẫu.

Trong dòng sản phẩm bộ mã hóa tăng dần – vốn chiếm ưu thế trong lĩnh vực sửa chữa máy móc – danh sách độ phân giải được áp dụng chung cho cả năm biến thể. Chỉ cần xem hậu tố là bạn đã biết được mạch đầu ra và điện áp nguồn ngay cả trước khi mở vỏ thiết bị.

Điện áp nguồn: các dòng 5 V và 12–24 V không thể thay thế lẫn nhau

Nguồn điện cho bộ mã hóa được chia thành ba dải điện áp chính: 5 V DC (hầu như luôn thuộc dòng RS422/bộ khuếch đại đường truyền), 5–12 V và 12–24 V DC (dải điện áp chủ yếu trong công nghiệp). Có hai quy tắc quan trọng hơn bất kỳ sơ đồ nối dây nào:

1. Không được cấp nguồn cho bộ mã hóa 12–24 V từ, hoặc kết nối bộ mã hóa này vào, một mạch 5 V, và một bộ mã hóa 5 V được cấp nguồn từ nguồn 24 V có thể hỏng ngay lập tức. Các nhà sản xuất in cảnh báo này trong bảng thông số kỹ thuật; hãy hiểu theo đúng nghĩa đen.
2. Dây 0 V của bộ mã hóa phải được nối chung với cùng một điểm chung với đầu vào bộ đếm và nguồn cấp. Nếu điểm chung bị nổi hoặc được nối đất kép, sẽ dẫn đến hiện tượng đếm không liên tục, trông giống như lỗi của bộ mã hóa.

Màu dây không phải là tiêu chuẩn — hãy đọc bảng thông số kỹ thuật và phần hậu tố

Không có mã màu chung cho bộ mã hóa gia tăng. Mỗi nhà sản xuất đều công bố bảng mã màu riêng của mình: một danh mục sản phẩm của châu Âu gán các màu trắng, nâu, xanh lá, vàng, xám, hồng, xanh dương, đỏ, cùng với dây chắn, cho đầu nối 12 chân của họ; trong khi đó, bảng mã màu cho đầu nối 8 chân kiểu đơn đầu của một nhà sản xuất Mỹ lại khác biệt hoàn toàn. Hai bộ mã hóa có màu dây giống hệt nhau có thể được nối dây hoàn toàn khác nhau. Nếu dây cáp bị cắt, nhãn bị mất hoặc bạn đang thay đổi thương hiệu, đây là thứ tự đáng tin cậy:

1. Hãy đọc thông tin trên nhãn hiệu. Thông tin về mạch đầu ra và điện áp nguồn thường được in sẵn hoặc được mã hóa trong số hiệu model.
2. Giải mã hậu tố của mẫu sản phẩm dựa trên bảng thông tin của nhà sản xuất (nhiều nhà sản xuất công bố bảng giải mã đầy đủ trong bảng thông số kỹ thuật hoặc hướng dẫn lắp đặt).
3. Chỉ khi đó, bạn mới nên tra cứu bảng màu hoặc sơ đồ chân cắm của chính mẫu sản phẩm đó.

Một trường hợp đứt cáp thực tế đã minh họa rõ điều này: một kỹ thuật viên sử dụng bộ mã hóa 8 dây không rõ nguồn gốc đã đăng ảnh lên diễn đàn và hỏi dây nào tương ứng với tín hiệu nào. Mọi người trong diễn đàn chỉ có thể trả lời sau khi xác định được số model và tra cứu bảng thông số kỹ thuật của sản phẩm. Số model, chứ không phải màu sắc, mới là chìa khóa.

Kết hợp đầu ra với đầu vào bộ đếm: Ma trận tương thích

Bây giờ đến phần quyết định về việc nối dây. Phía bộ đếm (một thẻ đếm tốc độ cao của PLC, cổng bộ mã hóa của bộ biến tần hoặc một bộ đếm độc lập) có mạch đầu vào là đã được khắc phục. “Sinking” hoặc “sourcing” là những thuật ngữ bạn cần biết: một đầu vào “sourcing” cung cấp dòng điện và yêu cầu bộ mã hóa hoạt động ở chế độ “sinking” (bộ thu mở NPN hoặc đầu ra điện áp). Một đầu vào “sinking” tiêu thụ dòng điện và yêu cầu bộ mã hóa hoạt động ở chế độ “sourcing” (bộ thu mở PNP). Các đầu ra bổ sung có thể điều khiển cả hai chế độ này. Các đầu vào vi sai yêu cầu các tín hiệu ghép đôi A//A, B//B.

Quy tắc “một câu” giúp giải quyết hầu hết các thắc mắc về hệ thống dây điện: Dữ liệu đầu vào của bộ đếm là giá trị cố định, và đầu ra của bộ mã hóa phải phù hợp với giá trị đó. Hãy tham khảo hướng dẫn sử dụng của bộ đếm trước khi chọn hoặc đặt hàng bộ mã hóa, chứ đừng đợi đến sau đó. Đây chính là điểm gây nhầm lẫn do cách dùng thuật ngữ của các nhà sản xuất: một nhà cung cấp gọi bộ phận này là ’push-pull“, nhà cung cấp khác gọi là ”complementary“, còn nhà cung cấp thứ ba chỉ in chữ ”PP“ trong mã sản phẩm. Cùng một dòng sản phẩm điện tử, nhưng lại có ba cách gọi khác nhau. Hãy giải mã mã sản phẩm, đừng đoán mò dựa trên tên gọi.

Kết nối đơn đầu so với kết nối vi sai: khi một dây cho mỗi kênh là không đủ

Cách đấu dây một đầu sử dụng một dây cho mỗi kênh (A, B, có thể có Z) nối với một điểm đất chung. Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền và hoàn toàn đáng tin cậy khi lắp đặt trong tủ thiết bị sạch sẽ và trên các đoạn dây ngắn. Kết nối vi sai truyền mỗi kênh dưới dạng một cặp dây xoắn chứa các tín hiệu bổ sung cho nhau, A và /A, B và /B, và bộ thu sẽ trừ chúng đi. Điều này giúp loại bỏ nhiễu chế độ chung (common-mode noise) thu được dọc theo dây cáp. Kết nối vi sai là giải pháp lý tưởng khi khoảng cách truyền dẫn dài hoặc môi trường có nhiễu điện từ mạnh. Kết nối một đầu phù hợp cho các đoạn dây ngắn trong không gian hầu như không có nhiễu (motioncontroltips.com giải thích sự cân bằng giữa mạch đơn đầu và mạch vi sai).

Hai lưu ý thực tế. Thứ nhất, ranh giới không chỉ đơn thuần là “điện thế chênh lệch so với không”: đầu ra bổ sung (push-pull) vẫn là loại đầu ra đơn cực nhưng có khả năng điều khiển mạnh mẽ, do đó các nhà sản xuất đánh giá nó phù hợp cho các đoạn cáp dài hơn và môi trường nhiễu cao hơn so với đầu ra thu mở. Một nhà sản xuất đã chỉ định biến thể bổ sung của mình cho các đoạn truyền dẫn dài hơn 10 m. Thứ hai, khi bộ khuếch đại đường truyền RS422 truyền qua một sợi cáp dài, đường truyền phải được kết thúc tại đầu thu. Giá trị thông dụng là 120 Ω, và các danh mục sản phẩm bộ mã hóa nêu rõ rằng hoạt động RS422 trên khoảng cách xa yêu cầu kết thúc trở kháng sóng này.

Việc che chắn, nối đất và các phương pháp đi dây giúp ngăn ngừa các sự cố ảo

Hầu hết các sự cố liên quan đến “bộ mã hóa gián đoạn” đều do nhiễu điện, và phần lớn các trường hợp nhiễu này xuất phát từ vấn đề trong cách đi dây. Các quy tắc rất đơn giản:

• Dẫn cáp bộ mã hóa trong ống dẫn hoặc cách xa các dây cáp nguồn. Giữ khoảng cách ít nhất khoảng một foot so với hệ thống dây điện của động cơ và biến tần, và tuyệt đối không được bó chung với nhau.
• Chỉ nối đất lớp chắn ở một đầu. Việc nối đất cả hai đầu sẽ tạo ra một vòng lặp nối đất, khiến chính loại nhiễu xoay chiều mà bạn đang cố gắng chống lại lại xâm nhập vào hệ thống.
• Nên sử dụng dây đôi xoắn cho các đường truyền tín hiệu khi cấu trúc cáp cho phép.
• Cần chú ý đến công suất tần số: tần số đầu ra = PPR × RPM ÷ 60. Một bộ mã hóa 1000-PPR ở tốc độ 6000 vòng/phút sẽ tạo ra tần số 100 kHz — mức tối đa định mức của nhiều bộ mã hóa — khiến không còn dư địa cho điện dung của cáp. Sự kết hợp giữa độ phân giải cao và cáp dài chính là lý do khiến hiện tượng “hoạt động bình thường trên bàn thử nghiệm” lại trở thành “số đếm bị sụt giảm khi vận hành trên máy.”

Các triệu chứng và cách khắc phục sự cố về hệ thống dây dẫn của bộ mã hóa gia tăng: Không đếm được, hướng sai hoặc có tiếng ồn

Khi một bộ mã hóa vừa được lắp dây mới hoạt động không bình thường, hãy kiểm tra bảng triệu chứng trước khi nghi ngờ chính bộ mã hóa đó. Hầu hết các trường hợp trả lại với lý do “bộ mã hóa hỏng” thực chất là do không tương thích giao diện, và tình trạng này sẽ lặp lại ngay cả khi thay thế bằng bộ mã hóa khác.

Hai nguyên tắc cơ bản. Thứ nhất, bảng này chỉ là chẩn đoán sơ bộ. Máy đo (hoặc chế độ xem chẩn đoán trên bộ đếm) mới là công cụ giúp phân biệt nhiễu điện với rung động cơ học – hai hiện tượng trông rất giống nhau. Thứ hai, nếu một máy móc hoạt động bình thường trước khi thay thế linh kiện nhưng lại gặp sự cố sau đó, hãy nghi ngờ phần giao diện trước khi nghi ngờ chính linh kiện đó. Chỉ riêng nguyên tắc này đã giúp ngăn chặn phần lớn các sự cố tái diễn.

Thay thế bộ mã hóa gia tăng: Năm thông số kỹ thuật cần xác định rõ trước khi đặt hàng

Quá trình thay thế chính là lúc quyết định về việc đấu dây bộ mã hóa tăng dần thực sự thành công hay thất bại, bởi vì quyền quyết định về cách đấu dây chuyển từ người lắp đặt sang bộ phận đặt hàng. Khi khách hàng gửi mã sản phẩm cũ, những khác biệt dẫn đến việc trả hàng hầu như không bao giờ liên quan đến cơ khí. Chúng là vấn đề điện tử, và tất cả đều có thể xác định được trước khi đơn đặt hàng được phát hành. Mọi biến số giao diện được đề cập ở trên đều có thể được gói gọn trong năm câu hỏi:

1. Bộ đếm chấp nhận các đầu vào nào? Loại cực hút, cực nguồn hay tín hiệu vi sai sẽ quyết định dòng sản phẩm đầu ra: NPN dành cho cực nguồn, PNP dành cho cực hút, loại bổ sung cho cả hai, và bộ khuếch đại đường truyền dành cho tín hiệu vi sai.

2. Máy này cung cấp điện áp nguồn là bao nhiêu? Thiết bị thay thế phải thuộc cùng dải điện áp. Một thiết bị hoạt động ở dải 12–24 V sẽ không thể vận hành một linh kiện 5 V, và một bo mạch đầu vào 5 V sẽ không tương thích với bộ mã hóa 24 V.

3. PPR có giống hệt nhau không? Giữ nguyên PPR là lựa chọn an toàn. Việc thay đổi PPR sẽ làm thay đổi tỷ lệ điều chỉnh tốc độ và có thể khiến tốc độ vượt quá giới hạn tần số của tín hiệu đầu vào khi chạy ở tốc độ tối đa.

4. Thực tế thì những kênh nào đang được sử dụng? Các máy chỉ sử dụng A/B không cần trục Z, nhưng các máy có chức năng về vị trí gốc thì cần. Ngoài ra, các bộ điều khiển servo còn yêu cầu các kênh chuyển mạch (U/V/W).

5. Tình hình dây cáp thế nào? Đầu nối hoặc dây dẫn rời phải tương thích với máy; trong khi các đường dẫn dài hoặc gây nhiễu sẽ khiến người dùng ưu tiên lựa chọn đầu ra bổ sung hoặc đầu ra vi sai.

Nếu đáp ứng đủ cả năm tiêu chí này, linh kiện thay thế sẽ tương thích về mặt kết nối điện ngay từ thiết kế. Công việc của người lắp đặt lúc này chỉ còn là thao tác cơ khí. Chính nguyên tắc này giúp giảm tỷ lệ trả hàng của doanh nghiệp kinh doanh linh kiện: tổ chức kho hàng và báo giá theo giao diện điện thay vì theo thương hiệu, và một bộ khe cắm có thể phục vụ cho các máy móc sử dụng nhiều loại linh kiện khác nhau. Khối lượng thị trường sửa chữa tập trung vào các khe cắm thu thập mở (open-collector) và khe cắm bổ sung (complementary) ở dải điện áp 12–24 V; các linh kiện chênh lệch điện áp 5 V thuộc phân khúc servo và các ứng dụng dài hạn. Năm khe cắm (bộ điều khiển đường dây 5 V, bổ sung 12–24 V, NPN 12–24 V, PNP 12–24 V, đầu ra điện áp 5–12 V) phản ánh chính xác năm mạch đầu ra.

Vẫn còn một giới hạn: những câu hỏi này chỉ liên quan đến giao diện điện. Đường kính trục, cách lắp đặt và khớp nối là những vấn đề cần kiểm tra riêng biệt, và việc trộn lẫn hai danh sách này chính là nguyên nhân khiến việc “nó phù hợp về mặt điện” lại trở thành “nó không phù hợp với máy móc”.”

Việc thiết kế giao diện phù hợp bắt đầu từ danh mục sản phẩm, chứ không phải từ khối đầu cuối. Dòng sản phẩm bộ mã hóa tăng dần của chúng tôi hỗ trợ đầy đủ cả năm loại mạch đầu ra (NPN, PNP, bổ sung, bộ khuếch đại tín hiệu và đầu ra điện áp) trong dải nguồn điện tiêu chuẩn từ 5–24 V. Khi khách hàng cung cấp mã sản phẩm cũ hoặc mẫu thẻ đếm, các kỹ sư lựa chọn sản phẩm của chúng tôi sẽ xác nhận loại mạch đầu ra, nguồn điện, PPR và số kênh trước khi chúng tôi gửi báo giá (xem phạm vi của bộ mã hóa gia tăng). Vui lòng gửi cho chúng tôi bảng tên. Chúng tôi sẽ gửi phiên bản tương thích với hệ thống dây điện.

Tài liệu tham khảo

1. Mẹo điều khiển chuyển động. “Câu hỏi thường gặp: Có những cách nào để kết nối bộ mã hóa tăng dần vào hệ thống chuyển động?”
2. Dynapar. “Các phương pháp tốt nhất trong việc đấu dây bộ mã hóa.”
3. Tập đoàn Kübler. “Bộ mã hóa gia tăng” (danh mục sản phẩm dòng 5826, bảng kết nối RS422 và bảng màu cáp).
4. Diễn đàn PLCTalk. “Cách đấu dây bộ mã hóa gia số” — Thảo luận về việc giải mã mã sản phẩm Accu-coder và sơ đồ mạch kéo lên kiểu thu thập mở.
5. OMCH. “Bộ mã hóa: Dòng bộ mã hóa tăng dần E6B2-CWZ (năm mạch đầu ra, PPR 10–1200).”
6. OMCH. “Lựa chọn sản phẩm: Hỗ trợ đối chiếu dựa trên thông số kỹ thuật và bản vẽ.”
7. OMCH. “Sản phẩm tự động hóa công nghiệp: nhà cung cấp linh kiện tự động hóa trọn gói.”