📘 Bách khoa mã hóa
Bộ mã hóa quang
Các encoder quang học sử dụng thang/đĩa vạch quang và cảm biến quang-điện để chuyển đổi chuyển động quay hoặc tịnh tiến thành tín hiệu điện. Đây là cơ cấu phản hồi vị trí chủ đạo trong máy công cụ CNC, nền tảng bán dẫn, đo lường chính xác, robot và tự động hóa cao cấp. Nhờ độ phân giải cao, lỗi chia nhỏ (SDE) thấp và độ lặp lại xuất sắc, encoder quang học được ứng dụng rộng rãi cho định vị từ mức nano đến micromet.
Encoder quang học là gì (What is an Optical Encoder)
Encoder quang học là cảm biến lấy thông tin vị trí qua chuỗi nguồn sáng → lưới/quang khắc → phát hiện quang-điện. Lõi của hệ gồm đĩa/than đo có cấu trúc tuần hoàn (Scale/Disk) và đầu đọc (Readhead): trong khe hở quang học xác định, đầu đọc thu các vân sáng hoặc tín hiệu giao thoa do truyền/ phản xạ trên lưới; sau đó qua tiền khuếch đại tương tự và mạch nội suy/giải mã, xuất ra tăng dần A/B (có thể kèm mốc Z), sin/cos 1 Vpp, hoặc dữ liệu vị trí tuyệt đối nối tiếp (SSI/BiSS/EnDat, v.v.).
Theo dạng chuyển động, chia thành encoder quang quay (đĩa) và encoder quang tuyến tính (thước). So với suy diễn gián tiếp qua vít me/ thanh răng, encoder tuyến tính cho phép đo trực tiếp, giảm mạnh lỗi do độ rơ cơ khí (backlash), bước vít và giãn nở nhiệt; encoder quay cung cấp phản hồi góc và tốc độ độ phân giải cao cho động cơ và bàn quay.
Nguyên lý làm việc (Working Principle)
1) Ảnh hóa/ vân Moiré (Imaging/Moiré)
- Cấu trúc: nguồn sáng (LED/VCSEL) → quang học chuẩn trực/ tạo ảnh → mặt nạ/ lưới pha → mảng cảm quang.
- Cơ chế: chuyển động tương đối giữa thước và lưới tham chiếu trong đầu đọc tạo vân Moiré sinh tín hiệu sin/cos gần lý tưởng; qua nội suy và cân bằng biên độ/pha để đạt phân giải cao.
2) Giao thoa/ lưới pha (Interferential/Phase Grating)
- Cơ chế: chênh lệch pha giữa các bậc nhiễu xạ biến thiên tuyến tính theo dịch chuyển; chồng chập tạo sóng sin tinh khiết, cho SDE thấp hơn và tiềm năng phân giải cao hơn.
3) Truyền qua vs. phản xạ
- Truyền qua: nền thủy tinh/gốm; tỉ số tín hiệu-nhiễu cao, tuyến tính tốt; phù hợp môi trường sạch và định vị tinh.
- Phản xạ: lưới phản xạ mạ kim/ phủ; kết cấu gọn, dễ lắp; nhạy bẩn hơn → cần làm kín tốt và màn khí/ gạt sạch.
4) Logic đầu ra tăng dần và tuyệt đối
- Tăng dần: xung A/B vuông góc (lệch pha 90°); hướng xác định theo thứ tự pha; mốc Z xuất hiện một lần mỗi hành trình/ mỗi vòng.
- Tuyệt đối: mọi vị trí có mã duy nhất (nhị phân/Gray); có thể kèm chẩn đoán, nhiệt độ và thanh ghi trạng thái.
Xấp xỉ độ phân giải tuyến tính: Δx ≈ p / (N × M)
trong đó p = bước vạch, N = bội số nội suy tương tự (ví dụ 100×), M = hệ số nhân x4 số (thường 4×).
Độ phân giải góc tương đương (encoder quay): θ_res = 360° / (số vạch × 4).
Phân loại (Taxonomy)
- Theo chuyển động: encoder quang tuyến tính / encoder quang quay (đĩa)
- Theo đầu ra: tăng dần (TTL/HTL/RS422; 1 Vpp/11 µApp) / tuyệt đối (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, song song)
- Theo quang học: truyền qua / phản xạ; ảnh hóa / giao thoa; lưới biên độ / lưới pha
- Theo đóng gói: mở (động lực cao, ma sát thấp) / kín (IP65–IP67, chống sương dầu & dung dịch làm mát)
- Theo tầm đo/ vật liệu: thủy tinh/gốm (CTE thấp), dải thép (hành trình dài), lưới phản xạ phủ…
Cấu phần chính & chuỗi tín hiệu (Signal Chain)
- Nguồn & quang học: LED/laser, chuẩn trực/ hội tụ → quyết định độ đồng đều chiếu sáng & trôi nhiệt; khuyến nghị lão hóa kiểm soát và vòng kín công suất.
- Lưới/đĩa: bước
p, duty và chính xác pha quyết định độ tinh khiết tín hiệu & SDE. - Mảng cảm quang/ AFE: đa kênh, tự động cân bằng gain/offset/pha (cân bằng ABC).
- ASIC nội suy/ mã hóa: hiệu chỉnh biên độ/pha, bù elip, lọc số & khử jitter, mã hóa giao thức và driver đường truyền.
- Tầng vật lý: RS422 vi sai, 1 Vpp/11 µApp; thiết kế trở kháng kết thúc (termination), cáp (che chắn/ nối đất) và đường hồi dòng đúng chuẩn.
Đầu ra & giao diện (Outputs & Interfaces)
| Chế độ đầu ra | Tín hiệu điển hình | Mô tả |
|---|---|---|
| Vuông tăng dần | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Bộ đếm tốc độ cao PLC, vòng tốc độ/vị trí; cự ly xa ưu tiên vi sai |
| Sin/cos | 1 Vpp, 11 µApp | Siêu phân giải nhờ nội suy; SDE và jitter phụ thuộc chất lượng chuỗi |
| Nối tiếp tuyệt đối | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Giá trị tuyệt đối đơn/đa vòng, thanh ghi chẩn đoán/nhiệt độ/cảnh báo |
| Trường bus | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Đồng bộ đa trục, đồng hồ phân tán, cấu hình trực tuyến |
Ước tính băng thông (tuyến tính): f_max ≈ (v / p) × edges
trong đó v = tốc độ tuyến tính, edges = số sườn hiệu dụng mỗi chu kỳ (ví dụ nhân 4×).
Chỉ tiêu hiệu năng (Key Specifications)
| Chỉ tiêu | Phạm vi/ mô tả điển hình |
|---|---|
| Độ phân giải | Tuyến tính: 1 µm → 1 nm; Quay: ≤ 24 bit tương đương |
| Độ chính xác tuyến tính | Quang học cao cấp: ±1–±3 µm/m; tiêu chuẩn: ±3–±10 µm/m |
| Độ lặp lại | ≤ ±0.1–±0.3 µm (tuyến tính); loại góc có thể đạt dưới cung giây |
| SDE (lỗi chia nhỏ) | Chuỗi 1 Vpp chất lượng: ±20–±80 nm |
| Jitter (dao động) | Vài chục nanomet, chịu ảnh hưởng của AFE và nhiễu pha xung clock |
| Lỗi pha/ duty | Pha A/B 90° ± (1–5)°; duty 50% ± (2–10)% |
| Khả năng tốc độ | Tuyến tính > 1 m/s; quay tới > 12 000 RPM (tùy giao diện) |
| Cấp môi trường | IP40 (mở) đến IP67 (kín), thử nghiệm IEC 60068-2 (rung/ va đập) |
Lắp đặt & nguồn sai số (Installation & Error Sources)
- Khe hở & tư thế (pitch/roll/yaw) lệch chuẩn → mất cân bằng biên độ, SDE tăng.
- Lỗi Abbe: độ lệch tay đòn × lỗi góc; đưa đường đo đi qua tâm chuyển động hoặc bù bằng phần mềm.
- Lỗi cosin (góc nhỏ):
e ≈ (L × θ²) / 2. - Đĩa lệch tâm/ độ rung trục (quay): tạo hài cơ bản/ bậc hai trong lỗi góc.
- Giãn nở nhiệt (CTE): thủy tinh/gốm có CTE thấp; dải thép cần bù nhiệt và gá “nổi”.
- EMC/ nối đất: nối đất điểm đơn, che chắn hợp lý & kiểm soát đường hồi dòng để tránh nhiễu mode chung/ vòng lặp đất.
Hiệu chuẩn & bù sai (Calibration & Compensation)
- Ánh xạ tuyến tính: đo đường cong lỗi bằng giao thoa kế laser/ ballbar, nạp vào LUT của bộ điều khiển.
- Bù nhiệt: hiệu chỉnh thời gian thực dựa nhiệt độ thước/ kết cấu và mô hình CTE.
- Cân bằng biên độ/pha (bù elip): tự cân bằng offset, biên độ, pha trước khi nội suy.
- Chiến lược tham chiếu: mốc tham chiếu mã hóa theo khoảng cách rút ngắn quãng đường về gốc và tăng tính lặp lại.
So sánh với công nghệ khác (Comparisons)
| Công nghệ | Độ phân giải/ chính xác | Kháng bẩn/ môi trường | Tầm đo | Hạn chế chính |
|---|---|---|---|---|
| Encoder quang học | ★★★★★ | ★★★ | Trung/ dài | Nhạy bẩn & ngưng tụ, yêu cầu lắp đặt chặt chẽ |
| Từ tính | ★★☆ | ★★★★ | Dài | Tuyến tính & SDE kém hơn |
| Cảm ứng/ điện dung | ★★★ | ★★★★ | Trung | Nhạy kim loại lân cận/ dòng xoáy hoặc ẩm ướt |
| Resolver/ biến trở | ★★ | ★★★★★/★ | Trung/ ngắn | Độ phân giải thấp hoặc giao diện kém trực quan |
Ứng dụng (Applications)
Trục tuyến tính & quay của CNC, CMM và nền tảng đo lường; căn chỉnh/ phơi/ kiểm tra bán dẫn; bàn dịch chuyển chính xác; khớp robot & giám sát độ rơ hộp số; thiết bị hình ảnh/ xạ trị y tế; đồng bộ in ấn & bao gói; lắp ráp/ kiểm tra điện tử và bốc xếp tốc độ cao.
Bảo trì & xử lý sự cố (Maintenance & Troubleshooting)
- Định kỳ: vệ sinh (khăn không xơ + dung môi phù hợp), tuân thủ bán kính uốn cáp/ che chắn, giám sát nhiệt-ẩm & ngưng tụ.
- Triệu chứng thường gặp & đối sách:
- Mất xung/ hụt sườn: khe hở vượt ngưỡng, che bẩn → chỉnh tư thế/ vệ sinh/ bổ sung làm kín & màn khí.
- SDE/ jitter tăng: nhiễu từ AFE/ chuỗi nội suy, nối đất kém → tối ưu nguồn, đi dây & termination.
- Lỗi truyền tuyệt đối: tham số hoặc cực tính SSI/BiSS/EnDat không khớp → rà soát độ dài khung, CRC, thời gian & trở kháng.
- Lỗi góc điều hòa (quay): lệch tâm/ rung → cải thiện đồng tâm & độ cứng ổ bi, áp dụng bù hài.
Hướng dẫn chọn lựa (Selection Guide)
- Mục tiêu chính xác/ lặp lại (µm/m hoặc cung giây) và động học tốc độ.
- Nguyên lý quang (truyền/ phản xạ; ảnh hóa/ giao thoa) và bước vạch
p. - Giao diện (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, fieldbus) và băng thông điều khiển.
- Đóng gói & môi trường (mở/ kín, cấp IP, có dung dịch làm mát/ bụi).
- Thiết kế cơ-nhiệt (dung sai khe hở/ tư thế, CTE, gá nổi).
- Bù & chẩn đoán (bản đồ lỗi, thanh ghi nhiệt độ/ trạng thái, cảnh báo online).
- Vòng đời (khả năng bảo trì đầu đọc/ cáp, sẵn có phụ tùng, năng lực hiệu chuẩn).
Tiêu chuẩn & tài liệu tham chiếu (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (cấp bảo vệ IP)
- IEC 60068-2 (rung/ sốc/ ẩm-nhiệt)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (EMC công nghiệp: miễn nhiễm/ phát xạ)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (thử nghiệm định vị & đặc tính nhiệt máy công cụ)
- ISO 10360 (kiểm chứng CMM)
- ISO 14644 (yêu cầu phòng sạch)
Tóm tắt: Nắm vững nguyên lý, chỉ số, giao diện và các điểm then chốt về lắp đặt/ bù sai của encoder quang học cho phép đạt vận hành chính xác, bền vững, dễ chẩn đoán và ổn định dài hạn ngay cả trong điều kiện làm việc phức tạp.