Encoder là gì ?
Như thường lệ thì trước khi vào nội dung chính chúng ta sẽ điểm qua một số thông tin cơ bản về loại thiết bị này trước nhé. Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa, là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo ra tín hiệu kỹ thuật số đáp ứng với chuyển động. Là một thiết bị cơ điện có khả năng làm biến đổi chuyển động thành tín hiệu số hoặc xung. Bộ mã hóa Encoder là một bộ phận rất quan trọng trong cấu tạo của máy CNC. Nó giúp đo và hiển thị các thông số về tốc độ của máy. Encoder là thành phần quan trọng của động cơ, giúp chúng ta đọc được tốc độ và vị trí của động cơ, nhờ các xung vuông có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ của động cơ.
Trong ngành gia công cơ khí chính xác. Máy CNC là thiết bị được dùng gia công cơ khí chính xác hoàn toàn tự động. Để điều khiển và xác định các góc quay của dao hoặc bàn gá, hiển thị trên máy tính là đường thẳng hoặc góc bao nhiêu độ. Thì bên trong các cánh tay robot máy CNC được bố trí các Encoder làm nhiệm vụ trên.
Có hai loại bộ mã hóa đó là bộ mã hóa tuyến tính và mã hóa quay. Encoder tuyến tính đáp ứng chuyển động dọc theo một đường dẫn, còn Encoder quay thì đáp ứng với chuyển động quay.
Cấu tạo của encoder là gì ?
Các bạn có thể quan sát hình ảnh mô tả bên dưới để phần nào hiểu thêm về cấu tạo của encoder nhé. Cụ thể thì chúng bao gồm:
- 1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ.
- 1 đèn Led dùng làm nguồn phát sáng.
- 1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng.
- Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu.
Nguyên lý làm việc của encoder là gì ?
Khi Encoder chuyển động bộ chuyển đổi sẽ xử lý các chuyển động và chuyển thành các tín hiệu điện. Các tín hiệu này sẽ được truyền đến các thiết bị điều khiển PLC và được xử lý để biểu thị các giá trị cần đo đạt bằng chương trình riêng biệt. Đối với các tín hiệu có ánh sáng chiếu qua hay không có ánh sáng chiếu qua. Người ta vẫn có thể ghi nhận được đèn Led có chiếu qua lỗ này hay không. Hơn thế nữa, số xung đếm được và tăng lên được tính bằng số lần mà ánh sáng bị cắt.
Ví dụ: trên đĩa có 1 lỗ duy nhất, khi mỗi lần con mắt thu nhận được 1 tín hiệu đèn Led thì có nghĩa là đĩa đã quay được 1 vòng. Bởi vậy, đây chính là nguyên lý hoạt động của Encoder cơ bản, còn đối với nhiều chủng loại Encoder khác thì khi đĩa quay có nhiều lỗ hơn khi đó tín hiệu thu nhận sẽ khác hơn. Các bạn có thể tham khảo video mô phỏng dưới đây để hiểu thêm về nguyên lý hoạt động của encoder nhé.
Có các loại encoder nào ?
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, có thể là đĩa quay của bánh xe, trục động cơ hay bất kì thiết bị nào cần xác định vị trí góc. Một bộ mã hóa thường được phân loại theo các phương tiện đầu ra của nó, gồm 2 loại chính: Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối.
Encoder tuyệt đối:
Encoder tuyệt đối (adsolute encoder): đúng với cái tên tuyệt đối thì tức là tín hiệu ta nhận được từ Encoder cho biết chính xác vị trí của Encoder mà người sử dụng không phải xử lý thêm gì cả. Encoder tuyệt đối (adsolute encoder): được sử dụng đĩa theo mã nhị phân hay mã Gray.
Encoder kiểu tuyệt đối thường có kết cấu bao gồm những phần như sau: Bộ phát ánh sáng (LED), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát ra (photosensor), đĩa mã hóa (có chứa dải băng mang tín hiệu). Đĩa mã hóa ở encoder được chế tạo từ vật liệu trong suốt đảm bảo, hơn nữa người ta đã chia mặt đĩa thành các góc đều nhau cùng các đường tròn đồng tâm. Hơn nữa, các đường tròn đồng tâm và bán kính thường giới hạn các góc hình thành bởi các phân tố diện tích. Tập hợp các phân tố diện tích có cùng giới hạn bởi 2 vòng tròn đồng tâm thường được gọi là dải băng. Trong đó, số dải băng còn tùy thuộc vào công nghệ sản xuất hay còn gọi là chủng loại sản phẩm, tương ứng với một dải băng suy ra ta có một đèn LED và một bộ thu.
Các đặc điểm cơ bản của dòng encoder này bao gồm:
- Sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray.
- Có kết cấu gồm: bộ phát ánh sáng (LED), đĩa mã hóa (có chứa dãi băng mang tín hiệu), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát ra.
- Đĩa mã hóa ở Encoder được chế tạo từ vật liệu trong suốt, người ta đã chia mặt đĩa thành các góc đều nhau cùng các đường tròn đồng tâm.
- Ưu điểm: giữ được giá trị tuyệt đối khi Encoder mất nguồn.
- Nhược điểm: giá thành cao vì chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu khó.
Encoder tương đối:
Encoder tương đối (incremental encoder): loại thiết bị này sẽ phát ra tín hiệu tăng dần hoặc theo chu kỳ, có các đặc điểm như sau:
- Đĩa mã hóa bao gồm một dãy băng tạo xung, thường được chia thành nhiều lỗ bằng nhau và được cách đều nhau.
- Chất liệu có thể là trong suốt để giúp ánh sáng chiếu qua.
- Là Encoder chỉ có 1,2 hoặc tối đa 3 vòng lỗ, và thường có thêm một lỗ định vị.
- Ưu điểm: giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả về dễ dàng.
- Nhược điểm: dễ bị sai lệch về xung khi trả về. Sẽ tích lũy sai số khi hoạt động lâu dài.
Phân loại Encoder theo công nghệ:
Bên cạnh các loại encoder tuyệt đối và tương đối thì chúng ta còn có một số cách phân loại khác và có các loại như:
- Encoder Magnetic (loại từ trường)
- Encoder Mechanical (loại cơ khí)
- Encoder Resistive (loại điện trở)
- Encoder Optical (loại quang)
Cách thức xác định chiều quay của encoder:
Thông thường Encoder có 2 tín hiệu xung A và B giúp chúng ta xác định chiều quay của động cơ. Tín hiệu khe Z là tín hiệu chỉ xuất ra khi động cơ quay được một vòng. Để xác định chiều quay của động cơ. Các bạn xem hình 3 phía trên bên trái (hình hơi bé các bạn thông cảm). Khi đèn LED phát tín hiệu. Hai pha A và B có nhiệm vụ thu tín hiệu. A và B sẽ tạo ra các xung vuông bật tắt theo trình tự. Sự chênh lệch tần số xung giữa A và B ta có thể phân biệt được chiều quay của động cơ. Xem hình bên phải pha A có chu kỳ trước pha B. Ta quy ước đó là chiều thuận và ngược lại.
Encoder thường có 6 dây hoặc 4 dây tùy loại. Các dây bao gồm : 2 dây nguồn, 2 dây pha A và B, 1 dây pha Z. Dựa vào 2 dây A và B ta xác định được số vòng quay, vận tốc, chiều quay của động cơ. Để lập trình xử lý tín hiệu encoder, bạn có thể nối 2 dây tín hiệu A và B vào 2 chân timer hoặc ngắt ngoài của vi điều khiển, thiết lập vi điều khiển ở chế độ counter, vi điều khiển sẽ đếm xung từ vi điều khiển.
Các vị trí có thể lắp đặt encoder:
Encoder thường được lắp đặt 3 vị trí cơ bản như:
- Lắp phía sau động cơ Servo
- Gắn trên trục động cơ Linear, ứng dụng cho các chuyển động tịnh tiến
- Gắn trên băng tải: xác định tốc độ của băng tải,…
Các ứng dụng của encoder trong thực tế là gì ?
Bộ mã hóa Encoder trở thành một nguồn quan trọng cho nhiều ứng dụng. Dù là liên quan đến tốc độ, hướng hay khoản cách, khả năng của Encoder cho phép người sử dụng thông tin này để kiểm soát chính xác.
- Ứng dụng về biểu thị tốc độ: khi một máy bơm được kết nối với biến tần để bơm chất lỏng vào bồn chứa. Khi đó chất lỏng chảy vào bồn phải có tốc độ nhất định. Encoder được kết nối với biến tần sẽ phản hồi tốc độ thực tế dòng chảy của chất lỏng.
- Ứng dụng về đo lường: khi chúng ta cần cắt các cuộn nhôm dài hàng trăm, hàng nghìn mét thành từng tấm có kích thước nhất định thông qua máy cắt. Encoder khi đó sẽ được lắp vào băng tải, đọc nguyên liệu mỗi khi đi qua Encoder và tính độ dài của tấm nhôm từ khi cho vào đến vị trí cắt. Có thể điều chỉnh dao cắt theo độ dài được yêu cầu thông qua các thông số về kích thước tấm nhôm.
- Ứng dụng về đếm số lượng: việc lắp đặt bộ mã hóa Encoder vào chương trình của các băng chuyền sản phẩm. Nó sẽ giúp chúng ta xác nhận mỗi chai sản phẩm vào và trạm trên băng chuyền. Nếu các chai không ra khỏi trạm trong khoảng thời gian đã được lập trình và không đúng như giá trị mà Encoder đã đếm. Cũng có nghĩa là máy móc đã bị hư hỏng.
- Ứng dụng của Encoder trong ngành cơ khí: nói về cấu tạo của máy CNC thì Encoder được trang bị như một thiết bị giúp đo lường và xác định được vị trí chính xác nhất của các trục máy cũng như vị trí mà dao cắt. Do đó khi sử dụng máy CNC để gia công sẽ đạt được sự chính xác nhất. Hơn thế nữa, thông qua mà Encoder ghi nhận sẽ báo về hệ thống điều khiển của PLC. Từ đó, người sử dụng có thể điều chỉnh được vị trí cắt dao nhằm hạn chế sai sót.
- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp:
- Ô tô: trong ngành công nghiệp ô tô thì Encoder được sử dụng làm cảm biến chuyển động cơ học, có thể được áp dụng để kiểm soát tốc độ.
- Điện tử tiêu dùng và thiết bị văn phòng: bộ mã hóa Encoder được sử dụng như thiết bị dựa trên PC, máy in và máy quét.
- Công nghiệp: Encoder được sử dụng trong máy dán nhãn, đóng gói và chế tạo máy với bộ điều khiển động cơ đơn và đa trục.
- Y tế: bộ mã hóa Encoder được sử dụng trong máy quét y tế, điều khiển chuyển động bằng kính hiển vi hoặc nano của các thiết bị tự động và bơm phân phối.
- Quân đội: Encoder được sử dụng trong ứng dụng ăng ten định vị.
- Dụng cụ khoa học: thiết bị khoa học thực hiện các bộ mã hóa Encoder trong việc định vị kính viễn vọng quan sát.
