Bộ giải mã so với bộ mã hóa: Những thông tin quan trọng cho ứng dụng công nghiệp

Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, hệ thống điều khiển là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần xem xét. Tuy nhiên, bạn không thể điều khiển một thứ gì đó trừ khi trước tiên bạn có thể đo lường được nó. Bộ mã hóa (encoder) và bộ giải mã (resolver) thực hiện cùng một chức năng cơ bản. Chúng đóng vai trò là thiết bị phản hồi của động cơ servo, chuyển đổi chuyển động cơ học của trục từ chuyển động quay thành các tín hiệu điện mà bộ điều khiển truyền động có thể nhận và xử lý. Trong các ứng dụng từ cánh tay robot đến xe điện, việc lựa chọn một trong hai thiết bị này sẽ quyết định không chỉ khả năng hoạt động chính xác mà còn cả khả năng hoạt động đáng tin cậy của thiết bị.

Các nguyên tắc hoạt động

Để lựa chọn linh kiện lý tưởng cho từng chức năng, chúng ta cần phân tích các nguyên lý vật lý chi phối. Sự khác biệt chính giữa bộ mã hóa (encoder) và bộ giải mã (resolver) nằm ở cách thức cảm biến chuyển động: một loại sử dụng điện từ, loại kia sử dụng ánh sáng.

Bộ giải mã: Biến áp quay tương tự

Bộ giải mã là một sản phẩm ra đời từ thời kỳ mà các bộ phận cơ khí cần phải bền bỉ và chắc chắn. Thực chất, nó là một máy biến áp quay. Một bộ giải mã động cơ bao gồm hai phần: phần stator (phần đứng yên) và phần rotor (phần quay cùng trục động cơ). Tuy nhiên, điều làm cho các bộ phận này trở nên độc đáo là chúng không chứa bất kỳ bảng mạch, chất hàn hay silicon nào. Các thành phần duy nhất mà chúng chứa là các cuộn dây đồng (hoặc cuộn cảm), các lá thép hoặc vỏ kim loại.

Trong một số thiết kế, bộ giải mã không khung được sử dụng để tiết kiệm không gian bằng cách lắp trực tiếp lên động cơ. Bộ giải mã hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Một tín hiệu xoay chiều tham chiếu được truyền đến các cuộn dây rôto, và khi rôto quay, một tín hiệu được cảm ứng trên các cuộn dây thứ cấp. Các cuộn dây thứ cấp được bố trí lệch 90 độ so với stato và có chức năng đo vị trí góc của rôto.

Sau đó, một cuộn dây thứ cấp tạo ra điện áp tỷ lệ thuận với hàm sin của góc, trong khi cuộn dây còn lại tạo ra điện áp tỷ lệ thuận với hàm cosin. Dựa trên các tín hiệu đầu ra sin và cosin này, bộ điều khiển xác định vị trí hiện tại của rôto. Quá trình ước lượng này diễn ra liên tục, không qua xử lý số, và tạo ra một tín hiệu tương tự.

Bộ mã hóa: Cảm biến quang điện tử kỹ thuật số

Nếu bộ giải mã là một “cỗ máy chủ lực” analog, thì bộ mã hóa quang học lại là những thiết bị kỹ thuật số chính xác. Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên sự gián đoạn của ánh sáng. Bên trong bộ mã hóa quay, bạn sẽ thấy một đĩa mã — thường được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa cao cấp — được gắn vào trục quay. Đĩa này được khắc hàng nghìn đường kẻ siêu nhỏ, tạo thành một mẫu gồm các khe trong suốt và mờ đục. Một nguồn sáng LED nằm ở một bên của đĩa, và một mảng cảm biến quang nằm ở bên kia.

Khi đĩa quay, nó chia chùm ánh sáng thành các tia sáng lóe lên liên tục. Cảm biến phát hiện các tia sáng này và chuyển đổi chúng thành các xung điện. Hệ thống điện tử bên trong (một chip ASIC) ngay lập tức xử lý các xung này thành tín hiệu đầu ra kỹ thuật số rõ ràng — thường là một chuỗi sóng vuông (0 và 1).

Bộ mã hóa quang học cung cấp một tín hiệu số trực tiếp mà các bộ điều khiển hiện đại có thể xử lý ngay lập tức, mang lại phản hồi có độ phân giải cao, chia một vòng quay thành hàng triệu đơn vị đếm chính xác. Bộ mã hóa quang học cung cấp một tín hiệu số trực tiếp mà các bộ điều khiển hiện đại có thể xử lý ngay lập tức, mang lại phản hồi có độ phân giải cao, chia một vòng quay thành hàng triệu đơn vị đếm chính xác. Điều này tạo ra một lợi thế rõ rệt so với các bộ mã hóa gia tăng đơn giản, vốn có thể cần phải thực hiện quá trình định vị lại sau khi mất điện.

Bạn có thể so sánh bộ mã hóa và bộ giải mã như sau: bộ giải mã hoạt động giống như những chiếc đồng hồ đeo tay cơ truyền thống. Chúng được chế tạo từ nhiều lớp lò xo và bánh răng phức tạp, nặng (bằng đồng và sắt). Chúng được thiết kế để bền bỉ và hoàn toàn dựa trên các nguyên lý cơ học, vật lý. Ngược lại, bộ mã hóa quang học giống như một chiếc đồng hồ thông minh. Những kỳ quan hiện đại này được trang bị vi xử lý, cảm biến và tất cả các loại thiết bị điện tử hiện đại. Chúng có vô số tính năng và độ chính xác cao hơn. Tất nhiên, điều đó chỉ đúng cho đến khi bạn đập chúng vào một tảng đá. Không chỉ các cảm biến bị hỏng, mà đĩa mã cũng có khả năng bị nứt do lực quán tính từ một cú va chạm mạnh.

Bộ giải mã so với bộ mã hóa: Các thông số kỹ thuật hiệu suất chính

Để chuyển từ lý thuyết sang ứng dụng kỹ thuật, chúng ta cần có các số liệu thực tế, cụ thể là các số liệu thống kê, như được minh chứng qua bảng so sánh các thông số kỹ thuật dưới đây giữa các loại bộ mã hóa (encoder) và bộ giải mã (resolver) phổ biến.

Dữ liệu đã chỉ ra một ranh giới rõ ràng. Nếu bạn có một ứng dụng mà động cơ phải quay ở tốc độ 50.000 vòng/phút, các đặc tính trở kháng của bộ giải mã resolver sẽ dẫn đến suy giảm tín hiệu, buộc bạn phải sử dụng bộ mã hóa encoder như một giải pháp cuối cùng. Mặt khác, nếu nhiệt độ vỏ động cơ của bạn là 140°C, thì các chip silicon trong bộ mã hóa encoder sẽ bị cháy. Do đó, cảm biến resolver sẽ là lựa chọn duy nhất.

Điều gì khiến bộ giải mã và bộ mã hóa trở nên nổi bật?

Sự khác biệt giữa bộ giải mã (resolver) và bộ mã hóa (encoder) không phải là vấn đề xem cái nào tốt hơn. Đó đơn giản chỉ là vấn đề giữa việc tồn tại trong môi trường khắc nghiệt (tức là nhiệt độ cực đoan) dù hiệu suất kém, hay hoạt động chính xác và hoàn thành nhiệm vụ.

Lý do cần độ bền bỉ (Resolver)

Thiết kế cổ điển của bộ giải mã, với cấu trúc chống nhiễu điện tử, không chỉ là một lợi thế vượt trội mà còn giúp nó trở thành nhà vô địch không thể tranh cãi về độ bền cực cao. Do không có bộ phận nào có thể hỏng hóc vì nhiệt độ cao hay bức xạ (tức là trong các môi trường khắc nghiệt), bộ giải mã luôn đứng đầu về khả năng chịu đựng các điều kiện môi trường.

• Nhiệt độ: Một bộ giải mã tiêu chuẩn hoạt động liên tục ở nhiệt độ khoảng 155°C. Các mẫu chuyên dụng thậm chí còn được thiết kế để đạt tới 200°C hoặc cao hơn trong môi trường nhiệt độ cao, đây được coi là giới hạn tối đa. Điều này đơn giản là do đặc tính của vật liệu cách nhiệt và dây dẫn được sử dụng trong các cấu trúc đồng.
• Rung động và va đập: Bộ giải mã có thể chịu được các cú sốc cơ học (như trên 200g) và rung động mạnh. Thiết bị không có đĩa thủy tinh dễ vỡ cũng như không có các mối hàn dễ bị đứt gãy.
• Các chất gây ô nhiễm: Từ trường không bị ảnh hưởng bởi dầu, mỡ, độ ẩm hay bụi. Bộ giải mã vẫn có thể hoạt động ngay cả khi bị ngập trong dầu. Điều này cho phép tích hợp trực tiếp bên trong vỏ động cơ để theo dõi vị trí trục.

Lý do chọn độ chính xác (Bộ mã hóa)

Dữ liệu càng chính xác thì bộ mã hóa quang học sẽ càng kém bền.

• Độ chính xác: Công nghệ quang học sẽ có độ phân giải cao hơn nhiều. Độ phân giải của bộ mã hóa quang học cao hơn so với bộ giải mã cơ khí. Bộ giải mã cơ khí bị mất độ chính xác do độ chính xác của cơ cấu cuộn dây cơ khí và nhiễu tín hiệu. Bộ mã hóa quang học không gặp vấn đề này và có thể đạt độ phân giải 20 bit để đảm bảo độ chính xác cao.
• Độ rõ ràng của tín hiệu: Tín hiệu được số hóa ngay lập tức, điều này có nghĩa là mức độ tiếp xúc với nhiễu điện từ (EMI) sẽ giảm đi. Do đó, so với bộ giải mã (resolver), bộ mã hóa quang học được bảo vệ tốt hơn trong quá trình truyền tín hiệu.
• Phản ứng động: Đối với một số ứng dụng, bộ mã hóa quang học sẽ được ưu tiên hơn bộ giải mã vì nó có mật độ phản hồi cao hơn và đạt được số vạch cao hơn, giúp kiểm soát tốc độ một cách chính xác.

Ngoài mức giá niêm yết: Phân tích chi phí thực tế

Khi một giám đốc mua sắm xem xét Bảng danh mục vật tư (BOM), một trong những sai lầm phổ biến nhất là chỉ so sánh chi phí của một cảm biến trong BOM. Một cái nhìn toàn diện và tổng thể hơn sẽ dẫn đến quyết định sáng suốt hơn dựa trên Tổng chi phí sở hữu (TCO). Trong bối cảnh so sánh chi phí giữa bộ giải mã (resolver) và bộ mã hóa (encoder), việc xem xét vượt ra ngoài mức giá niêm yết là điều vô cùng quan trọng.

Trong hầu hết các trường hợp, bộ mã hóa quang học chất lượng cao có giá cao hơn, do đó chi phí sản xuất cũng đắt hơn so với bộ giải mã tiêu chuẩn. Một bộ giải mã đơn giản có giá bán lẻ thấp hơn, vì vậy chiếm ưu thế về mặt giá cả.

Rủi ro lớn nhất nằm ở khâu tích hợp. Bộ giải mã (resolver) phát ra tín hiệu tương tự “thô” mà hệ thống điều khiển của bạn không thể đọc trực tiếp. Bộ truyền động của bạn cần tích hợp bộ chuyển đổi từ Resolver sang Kỹ thuật số (R/D), vốn thường là tính năng cao cấp trên bộ truyền động servo hoặc một thẻ mở rộng đắt tiền. Ngoài ra, bộ giải mã cần sử dụng hệ thống cáp nhiều cặp, xoắn và được bảo vệ để đảm bảo tín hiệu tương tự không bị nhiễu trong các đoạn cáp dài.

Mặt khác, bộ mã hóa quang học tạo ra tín hiệu số có thể sử dụng được. Thiết bị này kết nối dễ dàng với các cổng đầu vào tiêu chuẩn của hầu hết các bộ điều khiển và không cần phần cứng hay phần mềm chuyên dụng đắt tiền để giải mã tín hiệu hoặc các biện pháp khử nhiễu bổ sung. Vì lý do này, bộ mã hóa quang học thường giúp giảm chi phí hệ thống tổng thể trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp nói chung, do chúng đơn giản hóa kiến trúc và thiết kế tổng thể — giả sử rằng phần cứng có giá thành cao hơn.

Ứng dụng trong công nghiệp: Resolver so với Encoder

Các đặc điểm kỹ thuật mà chúng ta đã thảo luận đã dẫn đến sự phân chia tự nhiên của thị trường trong ngành này dựa trên những nhu cầu khác nhau.

Hệ thống truyền động của xe điện: Lợi ích của bộ giải mã

Khi xem xét các linh kiện điện tử nào có thể chịu được những điều kiện khắc nghiệt nhất, động cơ truyền động của xe điện (EV) đứng đầu danh sách. Động cơ này phải chịu các cú sốc do ổ gà, rung động từ mặt đường và nhiệt độ cao do dòng điện mạnh cũng như quá trình làm mát cảm biến, và tình trạng này càng trở nên nghiêm trọng hơn do các cảm biến được lắp đặt sâu bên trong cấu trúc động cơ.

Trong những điều kiện khắc nghiệt này, cảm biến được kỳ vọng sẽ thực hiện chức năng của mình một cách đáng tin cậy, bởi vì nếu không, điều này có thể gây ra nguy hiểm trên đường do khiến xe điện (EV) không thể hoạt động. Điều này giải thích lý do tại sao hầu hết các nhà sản xuất xe điện (EV) lại lựa chọn bộ giải mã (resolver): chúng có thể hoạt động bền bỉ trong những điều kiện mà bộ mã hóa quang học sẽ hỏng chỉ sau vài phút. Bộ giải mã (resolver) được mô tả là có cấu tạo giống như một ‘chiếc xe tăng’, tín hiệu phản hồi vị trí động cơ của chúng luôn ổn định miễn là trục động cơ vẫn quay.

CNC và robot: Lợi ích của bộ mã hóa quang học

Trong gia công bằng điều khiển số máy tính (CNC) và hệ thống robot sáu trục thực hiện công đoạn này, việc đảm bảo an toàn hoạt động không còn là ưu tiên hàng đầu. Thay vào đó, ưu tiên này đã được thay thế bằng việc điều khiển chuyển động chính xác trên các dây chuyền lắp ráp.

• Bề mặt hoàn thiện: Đường cong tốc độ tiến dao của máy CNC phải chính xác khi gia công khuôn điện thoại thông minh. Bất kỳ sự sai lệch nào so với tốc độ tiến dao đã lập trình đều sẽ gây ra hiện tượng gợn sóng trên bề mặt kim loại. Bộ mã hóa quang học đảm bảo rằng bộ truyền động servo có thể thực hiện các điều chỉnh tốc độ cần thiết để duy trì tốc độ ổn định.
• Định vị: Cánh tay robot phải duy trì độ chính xác dưới micromet khi đặt chip lên bảng mạch. Việc đạt được mức độ chính xác khi giữ như vậy là một thách thức do mức nhiễu nền tương tự của bộ giải mã (resolver). Đối với mức độ tự động hóa này, bộ mã hóa quang học mang lại khả năng điều khiển ổn định và vòng phản hồi chính xác cần thiết.

Xu hướng thị trường: Sự trỗi dậy của các giải pháp thay thế từ tính

Trong vài thập kỷ qua, các nghiên cứu thị trường mới nhất đã chỉ ra rằng việc chỉ có hai lựa chọn chủ yếu là bộ mã hóa quang học và bộ giải mã góc là chưa tối ưu. Với những tiến bộ trong công nghệ hiệu ứng Hall và AMR (Điện trở từ dị hướng), ngành công nghiệp đã bắt đầu ưa chuộng bộ mã hóa từ tính (và đôi khi là bộ mã hóa điện dung) như một giải pháp cân bằng giữa các loại bộ mã hóa.

Các doanh nghiệp dẫn đầu trong lĩnh vực xe điện như Tesla và BYD, cùng các hệ thống điều khiển chuyển động như Universal Robots và Yaskawa, đang đi đầu trong ngành khi thay thế các bộ giải mã cỡ lớn bằng các cảm biến từ tính thu nhỏ. Hệ thống phản hồi từ tính 10–20 bit đang giúp giảm đáng kể kích thước và cắt giảm chi phí tới 15% mà không làm suy giảm hiệu suất. Điều này chứng minh rằng công nghệ từ tính là giải pháp tối ưu và hợp lý cho nhiều trường hợp ứng dụng.

Tuy nhiên, trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, sự thay đổi này lại đi ngược lại xu hướng chung. Do tính chất khắc nghiệt của các trường hợp ứng dụng, bộ giải mã vẫn được giữ lại. Các nhiệm vụ liên quan đến thách thức về nhiệt độ, chẳng hạn như hoạt động trong khoảng từ -55°C đến +180°C, hoặc yêu cầu độ chính xác định vị 0,1°C trở lên, vẫn sử dụng bộ giải mã. Các giải pháp thay thế dựa trên từ tính, mặc dù vẫn chưa được chứng minh về khả năng ứng dụng đại trà trong các hệ thống quan trọng đối với an toàn bay, hiện đang được thử nghiệm.

Hướng dẫn lựa chọn

Trong những trường hợp này, việc cân nhắc các yếu tố được định hướng bởi một bộ tham số đóng vai trò quan trọng trong việc đi đến kết luận nhằm đưa ra lựa chọn sáng suốt. So sánh giữa bộ mã hóa và bộ giải mã ở đây không nhằm ám chỉ sự lỗi thời, mà là để mô tả mức độ chuyên biệt hóa cần thiết. Hãy sử dụng Ma trận Quyết định 3 Bước dưới đây để xác định thiết bị phản hồi phù hợp nhất cho động cơ của bạn và loại bỏ những thông tin không cần thiết trong quá trình này:

Giờ thì bạn đã biết chính xác mình cần gì, câu hỏi duy nhất còn lại là làm thế nào để mua được sản phẩm đó mà không phải trả giá quá cao.

Đây chính là lúc OMCH phát huy vai trò. Kể từ năm 1986, chúng tôi đã chứng minh rằng độ tin cậy công nghiệp không nhất thiết phải đi kèm với mức giá cao ngất ngưởng. Chúng tôi không chỉ là một nhà cung cấp thông thường; chúng tôi là một “cỗ máy sản xuất” phục vụ hơn 72.000 khách hàng tại 100 quốc gia, xuất xưởng 20 triệu sản phẩm mỗi năm. Với hơn 3.000 mã sản phẩm (SKU) có sẵn trong kho — bao gồm dòng sản phẩm bộ mã hóa độ chính xác cao đa dạng, được chứng nhận theo tiêu chuẩn CE và RoHS — chúng tôi rất có thể có chính xác thông số kỹ thuật mà quý khách đang tìm kiếm. Tại sao phải mạo hiểm ngân sách của quý khách cho những thương hiệu được thổi phồng giá trị khi quý khách có thể nhận được hiệu suất ổn định tương tự trực tiếp từ nguồn cung cấp?

Dù bạn cần một cảm biến bền bỉ cho ứng dụng công nghiệp nặng hay một bộ mã hóa chính xác cho dây chuyền tự động, đừng chỉ phỏng đoán nữa mà hãy bắt đầu tối ưu hóa ngay. Liên hệ với bộ phận hỗ trợ của OMCH Hãy liên hệ ngay hôm nay để được tư vấn miễn phí hoặc Xem danh mục bộ mã hóa của chúng tôi để tìm ra giải pháp phù hợp nhất cho dự án tiếp theo của bạn.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao nên sử dụng bộ giải mã (resolver) thay vì bộ mã hóa (encoder)?

Bộ giải mã được lựa chọn chủ yếu nhờ độ bền cao. Do không chứa các linh kiện điện tử bên trong (chip, tụ điện hoặc mối hàn), chúng có thể chịu được nhiệt độ cực cao (>155°C), rung động mạnh và bức xạ – những yếu tố có thể khiến các linh kiện điện tử nhạy cảm bên trong bộ mã hóa bị hỏng ngay lập tức.

• Resolver có phải là bộ mã hóa tuyệt đối không?

Có, một resolver tiêu chuẩn hoạt động như một bộ mã hóa tuyệt đối một vòng quay (thường được so sánh với bộ mã hóa tuyệt đối), cung cấp dữ liệu vị trí tuyệt đối dưới dạng tín hiệu tương tự. Nó tạo ra một điện áp tương tự riêng biệt cho mỗi giá trị vị trí duy nhất trong quá trình quay 360°C (cung cấp vị trí tuyệt đối). Khi được cấp nguồn, nó biết vị trí của mình, nhưng không thể theo dõi các vòng quay đầy đủ khác trong khi đang hoạt động mà không có mạch logic bổ sung trên mạch điện tử phản hồi.

• Tôi có thể đơn giản thay thế bộ giải mã (resolver) bằng bộ mã hóa (encoder) không?

Trong hầu hết các trường hợp, câu trả lời là không. Giao diện điện tử trên bộ giải mã và bộ mã hóa rất khác nhau; bộ mã hóa sử dụng đầu ra kỹ thuật số và nguồn điện một chiều (DC), trong khi bộ giải mã yêu cầu đầu ra tương tự và nguồn kích thích xoay chiều (AC). Trong trường hợp thay thế các thiết bị này, rất có thể bạn sẽ phải thay đổi bộ điều khiển servo hoặc lắp thêm một bộ chuyển đổi tín hiệu đắt tiền ở giữa.