Bộ mã hóa là gì?
Bộ mã hóa (Encoder) là một thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi chuyển động vật lý (như góc quay, dịch chuyển tuyến tính hoặc tốc độ) thành tín hiệu điện đầu ra, nhằm phục vụ hệ thống điều khiển số (như PLC, driver, máy tính công nghiệp) trong việc giám sát, phản hồi và điều khiển theo thời gian thực. Trong các lĩnh vực điều khiển chuyển động chính xác như tự động hóa công nghiệp, robot, thiết bị CNC, y tế và hàng không vũ trụ, bộ mã hóa đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát vòng kín và định vị chính xác.
Tổng quan phân loại bộ mã hóa (Comprehensive Classification of Encoders)
Bộ mã hóa có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí kỹ thuật khác nhau, bao gồm: hình thức đo lường, loại tín hiệu đầu ra, nguyên lý cảm biến và giao thức truyền thông.
1. Phân loại theo hình thức đo lường (By Measurement Format)
| Loại | Mô tả |
|---|---|
| Bộ mã hóa quay (Rotary Encoder) | Phát hiện chuyển động quay (góc quay), như trục động cơ, bàn xoay |
| Bộ mã hóa tuyến tính (Linear Encoder) | Phát hiện chuyển động thẳng, dùng trong máy công cụ, bàn định vị |
| Bộ mã hóa dây kéo (Draw Wire Encoder) | Đo hành trình dài thông qua sự kéo dài của dây thép |
| Bộ mã hóa dạng kit (Encoder Kit) | Thiết kế dạng module, không có vỏ, phù hợp tích hợp động cơ mini |
2. Phân loại theo loại tín hiệu đầu ra (By Signal Output Type)
| Loại | Mô tả |
|---|---|
| Bộ mã hóa gia tăng (Incremental Encoder) | Xuất tín hiệu xung A/B/Z phản ánh chuyển động tương đối, yêu cầu bộ đếm |
| Bộ mã hóa tuyệt đối (Absolute Encoder) | Cung cấp giá trị vị trí tuyệt đối, có loại một vòng và nhiều vòng, ghi nhớ vị trí khi mất điện |
| Bộ mã hóa tương tự (Analog Encoder) | Xuất tín hiệu điện áp hoặc dòng liên tục (0–10V, 4–20mA) |
3. Phân loại theo nguyên lý cảm biến (By Sensing Technology)
| Nguyên lý | Đặc điểm và ứng dụng |
|---|---|
| Quang học (Optical) | Độ chính xác và độ phân giải cao, thích hợp môi trường sạch |
| Từ tính (Magnetic) | Chống bụi, dầu tốt, phù hợp môi trường công nghiệp khắc nghiệt |
| Điện dung (Capacitive) | Nhỏ gọn, chống rung, tiêu thụ điện thấp, dùng trong thiết bị chính xác |
| Cảm ứng (Inductive) | Chống nhiễu cao, thích hợp máy móc nặng và môi trường yêu cầu an toàn cao |
4. Phân loại theo giao thức giao tiếp (By Communication Interface)
| Giao thức | Mô tả |
|---|---|
| Xung A/B/Z | Tín hiệu chuẩn gia tăng, dễ tương thích |
| Tín hiệu tương tự | Dùng cho hệ thống PLC truyền thống hoặc cũ |
| Giao tiếp nối tiếp (SSI/BiSS) | Chính xác và thời gian thực cao, phù hợp bộ mã hóa tuyệt đối cao cấp |
| Bus công nghiệp (CANopen/Profibus) | Linh hoạt, hỗ trợ nhiều nút kết nối |
| Ethernet công nghiệp (EtherCAT/Profinet) | Thời gian phản hồi nhanh, phù hợp mạng tự động hóa phức tạp |
Nguyên lý hoạt động của bộ mã hóa (How Encoders Work)
Bộ mã hóa gồm các thành phần sau:
- Bộ phận chuyển động: Trục quay, ray trượt tuyến tính hoặc cấu trúc dây kéo
- Đĩa mã / dải từ: Có cấu trúc định kỳ để đọc vị trí
- Cảm biến: Như cảm biến quang, từ, điện dung hoặc cảm ứng
- Bộ xử lý tín hiệu: Chuyển đổi tín hiệu cảm nhận thành tín hiệu chuẩn
- Giao diện đầu ra: Kết nối với bộ điều khiển để trao đổi dữ liệu thời gian thực
Khi đối tượng chuyển động, hệ thống cảm biến bên trong bộ mã hóa thu thập thông tin vị trí và chuyển nó thành tín hiệu điện. Các loại mã hóa khác nhau sử dụng phương pháp khác nhau: loại quang học sử dụng ánh sáng chiếu qua đĩa mã, loại từ tính dựa vào sự thay đổi từ trường, điện dung dựa vào sự phân bố điện trường, v.v.
Các thông số kỹ thuật chính (Key Performance Metrics)
| Thông số | Mô tả |
|---|---|
| Độ phân giải (Resolution) | Số tín hiệu ứng với đơn vị chuyển động (như số xung mỗi vòng PPR, số bit) |
| Độ chính xác (Accuracy) | Độ lệch tối đa giữa giá trị thực và giá trị đo được |
| Độ lặp lại (Repeatability) | Độ ổn định khi đo nhiều lần tại cùng một vị trí |
| Tần số phản hồi tối đa | Tốc độ chuyển động tối đa tương ứng với tần số tín hiệu đầu ra |
| Mức điện áp đầu ra | Chuẩn điện áp như TTL, HTL, RS422 |
| Cấp độ bảo vệ (IP) | Như IP65, IP67 – thể hiện khả năng chống bụi và nước |
Ứng dụng phổ biến của bộ mã hóa (Common Applications)
- Tự động hóa công nghiệp: Định vị băng chuyền, điều khiển servo, phản hồi xy-lanh điện
- Máy CNC: Giám sát trục X/Y/Z, thay dao tự động
- Robot: Xác định góc khớp, phản hồi mã hóa di chuyển nền
- Thiết bị y tế: Điều khiển chuyển động quét của MRI, CT
- Năng lượng tái tạo: Điều khiển hướng quạt gió, hệ thống theo dõi mặt trời
- Hàng không và quốc phòng: Điều khiển cánh lái tên lửa, giám sát tư thế bay
Hình ảnh cấu tạo và tín hiệu của bộ mã hóa
Hình 1: Hình ảnh tổng quan của bộ mã hóa quay
Hình 2: Sơ đồ cấu tạo bộ mã hóa gồm đĩa mã, cảm biến, bộ xử lý tín hiệu
Các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan (Relevant Standards)
- IEC 60050-351: Tiêu chuẩn thuật ngữ đo lường công nghiệp
- ISO 13849: Tiêu chuẩn chức năng an toàn máy móc (bao gồm bộ mã hóa an toàn)
- IEC 60529: Tiêu chuẩn cấp độ bảo vệ IP của thiết bị
- IEC 61800-5-2: Tiêu chuẩn an toàn chức năng cho hệ thống truyền động
- CiA 406: Thông số thiết bị bộ mã hóa CANopen
- IEC 61158: Bộ giao thức fieldbus công nghiệp
Bảng thuật ngữ (Glossary)
| Thuật ngữ | Ý nghĩa |
|---|---|
| PPR | Số xung mỗi vòng quay (Pulses Per Revolution) |
| CPR | Số đếm mỗi vòng (Counts Per Revolution) |
| Z Phase | Tín hiệu tham chiếu xuất hiện một lần mỗi vòng |
| TTL | Tín hiệu số tiêu chuẩn mức 5V |
| HTL | Tín hiệu đầu ra 10–30V, chống nhiễu tốt |
| RS422 | Chuẩn đầu ra vi sai, hỗ trợ truyền tốc độ cao và xa |
| SSI | Giao tiếp nối tiếp đồng bộ, thường dùng cho mã hóa tuyệt đối |
| BiSS | Giao thức truyền nối tiếp mã nguồn mở, hiệu suất cao |
Tổng kết: Bộ mã hóa là cầu nối quan trọng giữa hệ thống vật lý và hệ thống điều khiển số. Việc hiểu rõ phân loại, cấu tạo, đầu ra và tiêu chuẩn của chúng sẽ giúp bạn lựa chọn và tích hợp chính xác trong các hệ thống điều khiển tự động và định vị chính xác.