Bộ mã hóa quay là gì? Các loại, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Độ chính xác hiện nay là một yêu cầu thiết yếu trong lĩnh vực kỹ thuật ngày nay, nơi không có gì là xa xỉ. Trong tự động hóa công nghiệp, điện tử tiêu dùng và tất cả các thiết bị khác, việc kiểm soát chuyển động là hoàn toàn khả thi, nhưng nó phải đảm bảo độ chính xác. Yếu tố quan trọng nhất của khả năng này chính là một thành phần điện cơ thiết yếu: bộ mã hóa quay. Bài hướng dẫn này sẽ giới thiệu chi tiết về bộ mã hóa quay, giải thích mục đích, cơ chế hoạt động bên trong, các loại chính cũng như cách sử dụng cơ bản trong phạm vi các ứng dụng và hệ thống thực tế.

Bộ mã hóa quay là gì và tại sao nó lại quan trọng?

Bộ mã hóa quay là một thiết bị cơ điện, hay còn gọi là cảm biến cơ điện, có chức năng đo góc quay hoặc chuyển động của trục quay và chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu điện. Tín hiệu này có bản chất là tín hiệu tương tự hoặc có thể là tín hiệu số, cung cấp thông tin hữu ích về vị trí góc của thiết bị được gắn vào, hướng quay của trục, tốc độ và gia tốc. Khả năng hoạt động của nó là vô cùng quý giá trong nhiều cơ chế khác nhau, nơi cần có phản hồi quay chính xác trong cơ chế điều khiển vòng kín hoặc phương pháp đo lường chính xác.

Bộ mã hóa quay về cơ bản khác với chiết áp, mặc dù hai thiết bị này thường được so sánh với nhau. Chiết áp là một cảm biến tương tự tuyệt đối đơn giản, tạo ra điện áp đầu ra tăng dần theo vị trí của thanh trượt di động, và có giới hạn góc quay nhỏ hơn 360A}}$S ở khoảng 270 độ, với điểm 0 của đầu ra tương ứng với khoảng từ 0 đến 360 độ (tùy thuộc vào nhà sản xuất). Ngược lại, hầu hết các bộ mã hóa quay đều là loại không tiếp xúc hoặc có khả năng xoay đến một góc lý thuyết không giới hạn, và các kỹ thuật cảm biến không tiếp xúc được sử dụng nhờ đó giúp tránh được sự mài mòn cơ học vốn có ở thanh trượt của chiết áp. Điều này khiến chúng trở nên hoàn hảo để sử dụng trong các ứng dụng xoay liên tục và giúp tăng đáng kể tuổi thọ hoạt động.

Các bộ mã hóa quay cung cấp dữ liệu nền tảng cho hàng triệu quy trình tự động. Các thiết bị này, được sử dụng trong điều khiển công nghiệp, robot, gia công CNC và nhiều lĩnh vực khác, đóng vai trò thiết yếu trong việc giúp hệ thống nắm bắt được tình trạng hoạt động của chính mình, từ đó có thể điều chỉnh cho phù hợp và nhận biết được tình trạng hiện tại của bản thân. Việc nghiên cứu cơ chế hoạt động của chúng là điều quan trọng đối với bất kỳ kỹ sư hay kỹ thuật viên nào làm việc trong các lĩnh vực này.

Hiểu cách thức hoạt động của bộ mã hóa quay

Về cơ bản, chức năng của bộ mã hóa quay chỉ là chuyển đổi chuyển động quay cơ học thành một chuỗi các xung điện. Bộ mã hóa quay hoạt động bằng cách thực hiện quá trình này thông qua sự tương tác được điều chỉnh một cách tinh vi giữa bộ phận mã hóa và bộ phận cảm biến.

Bộ phận quan trọng nhất là một đĩa có hoa văn hoặc bánh xe mã được ép vào trục cần kiểm tra. Đĩa này có hoa văn lặp lại với các đặc tính cụ thể mà một cảm biến cố định có thể phát hiện. Việc áp dụng nguyên lý này được thể hiện qua ba công nghệ chính sau:

• Bộ mã hóa quang học quay: Đây là loại bộ mã hóa phổ biến nhất trong số các loại bộ mã hóa khác nhau và hầu hết các trường hợp, nó có độ phân giải cao nhất. Bánh xe mã hóa là một đĩa trong suốt có bố trí các đường hoặc vết cắt không trong suốt trên bề mặt. Thay vào đó, người ta sử dụng một đi-ốt phát sáng (LED) để chiếu chùm sáng xuyên qua đĩa; sau đó, một bộ cảm biến quang ghi nhận các lần chạm vào chùm sáng khi các đường không trong suốt di chuyển qua đường phát hiện; điều này tạo ra một xung.
• Bộ mã hóa từ tính: Trong thiết kế này, một rôto từ hóa được sử dụng dưới dạng bánh xe mã hóa có một chuỗi các cực Bắc và Nam. Những thay đổi trong từ trường được phát hiện bởi một cảm biến từ tính cố định hoạt động theo hiệu ứng Hall hoặc hiệu ứng từ trở khi bánh xe quay. Bộ mã hóa từ tính có thể rất bền bỉ và có độ tin cậy cao, đồng thời không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như bụi, độ ẩm và dầu mỡ, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng công nghiệp trong điều kiện bẩn.
• Bộ mã hóa cơ học: Đây là phương pháp rẻ nhất và dễ sử dụng nhất. Mô hình các đường dẫn điện trên một đĩa sẽ tiếp xúc vật lý với một bộ chổi than cố định. Sự thay đổi của mô hình này khi trục quay sẽ làm ngắt và nối lại các mạch điện để tạo ra tín hiệu. Nhược điểm chính của phương pháp này là sự mài mòn cơ học, tuổi thọ ngắn và hiện tượng dao động tiếp xúc, điều này đòi hỏi phải thực hiện xử lý khử dao động tín hiệu.

Điểm đột phá lớn nhất của hầu hết các bộ mã hóa gia tăng là việc sử dụng tín hiệu vuông góc, do đó có tên gọi là bộ mã hóa vuông góc. Chúng tạo ra hai chuỗi xung riêng biệt (một chuỗi được gọi là Giai đoạn A và chuỗi còn lại được gọi là Giai đoạn B), lệch pha nhau 90 độ. Bằng cách so sánh pha của tín hiệu nào đi trước pha của tín hiệu kia, có thể xác định chính xác hướng quay. Khi A dẫn trước B, trục quay theo chiều kim đồng hồ; khi B dẫn trước A, trục quay ngược chiều kim đồng hồ. Ngoài ra, người ta có thể đo tần số của các xung này để tính được tốc độ của trục.

Bộ mã hóa càng chính xác thì độ phân giải của nó càng cao, được biểu thị bằng số xung trên mỗi vòng quay (PPR) hoặc số đếm trên mỗi vòng quay (CPR). Một bộ mã hóa 1000 PPR sẽ tạo ra 1000 xung cho mỗi vòng quay 360 độ trên các kênh A và B của nó. Bộ mã hóa đa kênh còn bao gồm một kênh thứ ba là tín hiệu Z hoặc tín hiệu chỉ số, với một xung duy nhất xuất hiện mỗi vòng quay. Điều này sẽ rất hữu ích trong các trình tự định vị ban đầu và hiệu chuẩn vị trí.

Các loại bộ mã hóa chính và những điểm khác biệt chính giữa chúng

Mặc dù bộ mã hóa có nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào cách thức cảm biến, nhưng cách phân loại quan trọng nhất của chúng là dựa trên đầu ra. Việc lựa chọn sử dụng bộ mã hóa kiểu tăng dần hay bộ mã hóa kiểu tuyệt đối là một quyết định thiết kế quan trọng trong hệ thống và phụ thuộc vào yêu cầu về vị trí cũng như chi phí của ứng dụng cụ thể đó.

Bộ mã hóa quay tăng dần: Bộ mã hóa quay gia tăng là loại bộ mã hóa có luồng tín hiệu đầu ra dạng xung thể hiện chuyển động tương đối. Nó không phản ánh vị trí thực tế của trục, mà chỉ cho biết trục có đang di chuyển hay không và theo hướng nào. Bộ điều khiển trong hệ thống sẽ phải ghi lại các xung này so với một điểm khởi đầu đã biết. Điểm khởi đầu này phải được định vị về vị trí gốc, thường thông qua một quy trình định vị gốc trên tín hiệu Z. Ưu điểm đầu tiên của bộ mã hóa tăng dần là chúng đơn giản và rẻ tiền. Tuy nhiên, nhược điểm chính là trong trường hợp mất điện, tất cả thông tin về vị trí sẽ bị xóa. Sau khi khôi phục nguồn điện, hệ thống cần được định vị lại về vị trí gốc để lấy lại vị trí.

Bộ mã hóa quay tuyệt đối: Ngược lại, bộ mã hóa quay tuyệt đối có tín hiệu khác – một từ số hoặc mã tương ứng với từng vị trí trục. Trong bộ mã hóa tuyệt đối, bánh xe mã phức tạp hơn ở chỗ mỗi vị trí được mã hóa thành một bộ mã nhị phân cụ thể. Điều này có nghĩa là khi hệ thống bị mất điện nhưng sau đó được cấp điện trở lại, bộ mã hóa sẽ cung cấp vị trí thực ngay khi có điện. Điều này loại bỏ yêu cầu về chuỗi định vị ban đầu (homing) và không làm mất dữ liệu định vị trong quá trình ngắt/bật nguồn, điều cần thiết trong hầu hết các ứng dụng an toàn quan trọng và các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao về vị trí. Bộ mã hóa tuyệt đối còn được chia thành các loại sau:

• Một vòng: Cung cấp vị trí tuyệt đối trong một vòng quay 360 độ.
• Đa vòng: Được trang bị thêm một cơ cấu bánh răng để đếm số vòng quay đầy đủ, từ đó tạo ra một mã duy nhất trong phạm vi chuyển động rất rộng.

Không có gì ngạc nhiên khi độ phức tạp và khả năng cao hơn của bộ mã hóa tuyệt đối khiến chúng có giá cao hơn so với các loại bộ mã hóa gia tăng.

Đầu ra tín hiệu và cách giải mã bộ mã hóa quay

Tín hiệu đầu ra dạng sóng vuông do bộ mã hóa tạo ra phải được giải mã chính xác tại bộ điều khiển nhận (thường là PLC, vi điều khiển hoặc bộ biến tần). Việc phân loại chính xác các loại tín hiệu đầu ra khác nhau là rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích phần cứng và tính toàn vẹn của tín hiệu.

Tín hiệu chủ đạo được tạo ra là tín hiệu Quadrature (các pha A/B) như đã giải thích trong các đoạn trước. Tuy nhiên, mạch điều khiển đầu ra quyết định các đặc tính điện của cách thức các tín hiệu này được điều khiển. Các ví dụ điển hình là:

• Push-Pull (HTL – Mạch logic ngưỡng cao): Một loại đầu ra phổ biến và được sử dụng rộng rãi. Nó làm dao động tín hiệu theo hướng dương (lên mức điện áp nguồn) và âm (xuống mức đất) nhằm tạo ra tín hiệu mạnh và có khả năng chống nhiễu tốt. Loại đầu ra này thường được sử dụng trong các hệ thống công nghiệp 24V.
• TTL (Mạch logic Transistor-Transistor): Bộ khuếch đại này cung cấp tín hiệu vuông 5V và được thiết kế dành cho các đoạn cáp dài hơn nhờ các tín hiệu đầu ra A và A-not, B và B-not, Z và Z-not – đây là bộ khuếch đại đường truyền vi sai. Nhờ các tín hiệu vi sai này, bộ khuếch đại có khả năng khử nhiễu chế độ chung cực kỳ hiệu quả.
• Cực thu hở (NPN/PNP): Một trong các loại đầu ra là Open Collector (NPN/PNP), được sử dụng như một công tắc. Loại đầu ra này có thể đưa đường tín hiệu xuống mức đất (NPN) hoặc lên mức điện áp nguồn (PNP), nhưng không thể chủ động đưa tín hiệu theo hướng ngược lại. Điều này đòi hỏi phải có một điện trở kéo lên (pull-up) hoặc kéo xuống (pull-down) bên ngoài ở phía bộ điều khiển, thường được nối với một chân chung như VCC hoặc mức đất, và được sử dụng để thiết lập một trạng thái logic xác định. Cách kết nối này rất hữu ích khi kết nối giữa các hệ thống có điện áp logic khác nhau.

Quá trình giải mã các tín hiệu A/B diễn ra một cách logic. Bộ điều khiển liên tục kiểm tra xem kênh nào trong hai kênh đang khả dụng. Nếu kênh đối diện hoặc cùng kênh, hệ thống sẽ thực hiện kiểm tra để xác định hướng. Trong trường hợp trạng thái của kênh A vừa thay đổi, bộ điều khiển sẽ kiểm tra trạng thái hiện tại của kênh B. Khi trạng thái của B khác với trạng thái trước đó của A, hướng sẽ là theo chiều kim đồng hồ; và tình huống ngược lại cũng tương tự (khi trạng thái trước đó của A giống với trạng thái của B, thì hướng sẽ là ngược chiều kim đồng hồ). Logic này thường được áp dụng cho bộ đếm phần cứng hoặc thông qua phần mềm bằng cách sử dụng ngắt ngoại vi để đảm bảo giám sát thời gian thực đáng tin cậy. Số lượng dây (ví dụ: 3 dây, 5 dây) mà bộ mã hóa mang theo liên quan đến loại đầu ra của nó (bộ mã hóa có đầu ra loại DC phải có nhiều dây hơn), khả năng tiêu thụ điện năng của nó, và liệu bộ mã hóa có tín hiệu Z hay đầu ra vi sai hay không.

Các thông số kỹ thuật quan trọng khi lựa chọn bộ mã hóa quay

Cần tiến hành phân tích kỹ lưỡng để xác định nhu cầu của ứng dụng, từ đó quyết định loại bộ mã hóa nào sẽ được sử dụng. Trước khi đưa ra quyết định chọn loại bộ mã hóa tăng dần (so với loại tuyệt đối), có một số thông số kỹ thuật quan trọng mà người dùng cần phải xem xét:

• Nghị quyết (PPR/CPR): Đó chính là số xung hoặc số vòng quay. Độ phân giải cao hơn cho phép đạt được độ chính xác cao hơn trong các phép đo, nhưng điều này đòi hỏi phải sử dụng bộ điều khiển có khả năng truyền và nhận dữ liệu ở tốc độ cao hơn. Bộ điều khiển này phải đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác định vị của hệ thống.
• Độ chính xác: Không nên nhầm lẫn điều này với độ chính xác. Độ chính xác là sai số lớn nhất giữa vị trí do bộ mã hóa chỉ ra và vị trí vật lý thực tế. Thông thường, người ta đo lường độ chính xác này bằng phút cung hoặc giây cung.
• Đầu ra Loại: Loại đầu ra được chọn (Push-Pull, TTL hoặc Open Collector) phải tương thích với mạch đầu vào của bộ điều khiển như đã trình bày ở trên.
• Thông số kỹ thuật cơ khí: Điều này (bao gồm đường kính trục, kiểu lắp đặt (ví dụ: lắp bằng mặt bích, lắp bằng servo) và kích thước thực tế của thân bộ mã hóa). Nó phải phù hợp về mặt kích thước với thiết kế của máy.
• Môi trường Chỉ số bảo vệ (Chỉ số IP): Chỉ số IP (Ingress Protection) là tiêu chuẩn đánh giá khả năng chống bụi và chống nước của bộ mã hóa. Thiết bị này đạt cấp độ IP65, có nghĩa là nó hoàn toàn kín bụi và chống được tia nước phun, do đó có thể ứng dụng trong hầu hết các môi trường công nghiệp. Chỉ số chống rung và chống va đập: Đây cũng là yếu tố thiết yếu đối với các máy móc phải chịu áp lực cơ học lớn.

Một người nghiệp dư sở hữu máy in 3D để bàn có thể sẽ bỏ qua chi phí cao và sử dụng bộ mã hóa gia tăng cơ khí đơn giản hơn hoặc bộ mã hóa quang học có độ phân giải thấp. Ngược lại, một kỹ sư thiết kế đang phát triển cánh tay robot để lắp đặt trên dây chuyền sản xuất phải chú trọng đến định vị tuyệt đối, độ chính xác cao và chỉ số IP đủ cao, do đó sẽ có xu hướng lựa chọn bộ mã hóa tuyệt đối từ tính hoặc quang học có thông số kỹ thuật cao.

Các ứng dụng thực tế trong các hệ thống công nghiệp và tiêu dùng

Các bộ mã hóa quay có rất nhiều ứng dụng khác nhau, tùy thuộc vào các lĩnh vực ứng dụng cụ thể và hầu như mọi ngành công nghệ.

• Tự động hóa công nghiệp: Bộ mã hóa là yếu tố then chốt trong hệ thống phản hồi của động cơ. Chúng có thể được lắp đặt ở phần sau trục truyền động của động cơ servo, động cơ bước hoặc động cơ một chiều để truyền thông tin về tốc độ và vị trí đến bộ điều khiển, từ đó giúp nâng cao khả năng điều khiển băng tải, máy đóng gói và các dây chuyền sản xuất tự động.
• Hệ thống robot: Cánh tay robot đa trục sử dụng bộ mã hóa tuyệt đối dọc theo mỗi khớp để đo chính xác cả góc và vị trí của từng đoạn. Thông tin này rất quan trọng để xác định vị trí của bộ phận thực thi cuối cùng của robot, đồng thời giúp bộ điều khiển thực hiện các chuyển động chính xác.
• CNC & In 3D: In ấn 3D Trong các thiết bị điều khiển số bằng máy tính (CNC) và máy in 3D, các bộ mã hóa được lắp đặt trên các động cơ servo điều khiển trục vít bi và khung dầm. Chúng đảm bảo đầu gia công hoặc vòi phun in hoạt động với độ chính xác ở mức micromet.
• Ngành ô tô: Trong các mẫu ô tô hiện đại, bộ mã hóa được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ việc cảm biến góc quay vô-lăng trong hệ thống kiểm soát ổn định điện tử cho đến các nút điều khiển có phản hồi xúc giác của hệ thống thông tin giải trí.
• Điện tử tiêu dùng: Một bộ mã hóa tăng dần giá rẻ có thể được tìm thấy trong bánh xe cuộn của chuột máy tính — ở quy mô nhỏ hơn. Các bộ mã hóa cũng có thể được sử dụng để mang lại cảm giác xoay mượt mà và liên tục cho núm điều chỉnh âm lượng của các thiết bị âm thanh cao cấp với độ chính xác kỹ thuật số.

Cách kết nối bộ mã hóa quay với vi điều khiển

Một trong những nhiệm vụ kỹ thuật điển hình nhất là làm thế nào để kết nối loại cảm biến vị trí này với một thiết bị có thể giải mã tín hiệu của nó, chẳng hạn như bộ điều khiển Arduino, Raspberry Pi hoặc Bộ điều khiển logic lập trình (PLC). Việc này được thực hiện thông qua các điểm tiếp xúc điện phù hợp và một chương trình để đọc các tín hiệu.

Trước tiên, hãy xác định rõ các mức điện áp. Một bộ mã hóa công nghiệp 24 V HTL cần có giao diện 5 V. Đối với các đầu ra kiểu thu mở (open-collector), phải lắp đặt các điện trở bên ngoài để kéo mức điện áp lên cao nhằm đảm bảo mức cao ổn định trong các khoảng thời gian mà đầu ra không đang điều khiển.

Ngắt phần cứng cung cấp phương pháp dựa trên phần mềm hiệu quả nhất để đọc dữ liệu từ bộ mã hóa. Các chân trên vi điều khiển mà đầu ra của kênh A và B được kết nối đều hỗ trợ ngắt. Mỗi cạnh tăng và cạnh giảm của tín hiệu sẽ kích hoạt một chương trình xử lý ngắt (ISR). Chương trình xử lý ngắt của hệ thống quản lý kho (ISR) Trong ISR, logic giải mã xác định hướng và tăng hoặc giảm biến đếm vị trí. Kỹ thuật này vượt trội hơn hẳn so với phương pháp gọi là "polling" (kiểm tra lặp đi lặp lại trạng thái của chân trong một vòng lặp), vốn có thể bỏ sót một xung, ngay cả khi chương trình chính đang bận xử lý tác vụ khác.

Các lỗi thường gặp bao gồm việc nối dây sai (trộn lẫn các kênh A/B hoặc dây pha/dây trung tính) và không tính đến hiện tượng dao động tín hiệu khi sử dụng bộ mã hóa cơ học. Sử dụng tụ điện nhỏ trong phần cứng hoặc theo dõi trong vài mili giây và thay đổi trạng thái trong phần mềm bằng cách phản hồi theo thuật toán “chống dao động”. Hiện tượng dao động cũng có thể được khắc phục bằng cách sử dụng trở kháng tương đối cao trên đường tín hiệu chung giữa nhiều thiết bị. Việc tuân thủ quy trình cụ thể về đấu dây, lập trình và kiểm thử là vô cùng quan trọng.

Tại sao OMCH là nhà sản xuất bộ mã hóa đáng tin cậy của bạn

Bước đầu tiên là tìm hiểu lý thuyết và cách sử dụng bộ mã hóa quay. Bước thứ hai, nhưng cũng không kém phần quan trọng, là tìm kiếm một thiết bị có thể đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất mà hệ thống của bạn cần.

OMCH là nhà sản xuất chuyên nghiệp với hơn 10 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp và các sản phẩm điện. Chúng tôi đã và đang cung cấp các linh kiện hiệu suất cao, hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy ngay cả trong những điều kiện sử dụng khắc nghiệt nhất.

Dòng sản phẩm bộ mã hóa quay của chúng tôi được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các hệ thống tự động hóa và điều khiển hiện đại. Chúng tôi cung cấp:

• Độ phân giải cao và các mô hình có độ chính xác cao: Đảm bảo hệ thống của bạn đạt được độ chính xác như mục tiêu thiết kế.
• Các đầu ra tín hiệu đa dạng: Các sản phẩm của chúng tôi bao gồm tất cả các loại đầu ra chính, bao gồm Push-Pull (HTL), Bộ khuếch đại tín hiệu TTL và Đầu ra thu mở, nhằm đảm bảo tích hợp liền mạch với PLC hoặc phần cứng điều khiển hiện có của quý khách.
• Độ bền đạt tiêu chuẩn công nghiệp: Với chỉ số IP cao và kết cấu chắc chắn, các bộ mã hóa của chúng tôi được thiết kế để chịu được rung động, các chất gây ô nhiễm và sự biến động nhiệt độ trong môi trường nhà máy.

Dù máy móc của quý khách được thiết kế để phục vụ cho các ứng dụng như máy CNC tiên tiến, robot hay các quy trình tự động hóa công nghiệp phức tạp, giải pháp mà chúng tôi cung cấp luôn đảm bảo độ tin cậy bất kể mục đích ứng dụng là gì. Chúng tôi cam kết hỗ trợ sản phẩm phần cứng của mình bằng dịch vụ chuyên nghiệp, nhằm giúp quý khách lựa chọn bộ mã hóa phù hợp nhất cho dự án của mình.

Tìm hiểu thêm về các sản phẩm bộ mã hóa chuyên nghiệp chất lượng cao của chúng tôi cũng như cách chúng tôi có thể nâng cao hiệu suất hệ thống của quý khách tại https://www.omch.com. Chúng tôi sẵn sàng cung cấp cho quý khách các dịch vụ tư vấn lựa chọn và thử nghiệm miễn phí (mẫu thử).