Bộ mã hóa quay
Bộ mã hóa quay là cảm biến chuyển đổi chuyển động quay cơ học thành tín hiệu số hoặc tương tự và được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp, robot, máy CNC, thiết bị y tế và hệ thống giao thông. Bằng cách phát hiện dịch chuyển góc, tốc độ và hướng, chúng cung cấp phản hồi chính xác cho hệ thống điều khiển. Bài viết này giải thích chi tiết về định nghĩa, nguyên lý hoạt động, phân loại, thông số kỹ thuật, phân tích so sánh, các ứng dụng, quy định tiêu chuẩn và tư vấn lựa chọn cho bộ mã hóa quay.
Bộ mã hóa quay là gì
Bộ mã hóa quay là thiết bị phản hồi động cơ hoặc cảm biến vị trí dùng để đo dịch chuyển góc, tốc độ và hướng quay của trục. Chức năng chính là chuyển đổi chuyển động quay thành tín hiệu điện được bộ điều khiển giải mã để xác định vị trí hiện tại và trạng thái chuyển động. Bộ mã hóa quay được chia thành hai loại chính: bộ mã hóa gia tăng (xuất tín hiệu xung) và bộ mã hóa tuyệt đối (cung cấp thông tin vị trí duy nhất).
Nguyên lý hoạt động
Phát hiện quang học
- Sử dụng nguồn sáng chiếu lên đĩa có vùng trong suốt và không trong suốt.
- Khi đĩa quay, bộ dò quang tạo ra tín hiệu xung.
Phát hiện từ
- Sử dụng cảm biến từ trở, Hall hoặc GMR để phát hiện sự thay đổi cực từ.
Phát hiện cảm ứng/điện dung
- Biến đổi điện cảm hoặc điện dung để cảm nhận dịch chuyển góc, phù hợp môi trường khắc nghiệt (bụi bẩn cao, rung động).
Logic tín hiệu đầu ra
- Bộ mã hóa gia tăng xuất tín hiệu pha A và B (vuông góc) và pha Z (xung tham chiếu không).
- Bộ mã hóa tuyệt đối cung cấp tín hiệu nhị phân nhiều bit hoặc mã Gray duy nhất.
Các loại
✓ Theo tín hiệu đầu ra
- Gia tăng: Xuất tín hiệu xung, thích hợp phát hiện tốc độ và hướng.
- Tuyệt đối: Cung cấp thông tin vị trí duy nhất, đơn vòng hoặc đa vòng.
✓ Theo cấu trúc cơ khí
- Trục đặc
- Trục rỗng
- Trục rỗng mù
✓ Theo công nghệ phát hiện
- Bộ mã hóa quang
- Bộ mã hóa từ
- Bộ mã hóa cảm ứng
- Bộ mã hóa điện dung
✓ Theo giao thức công nghiệp & đầu ra
- TTL/HTL/RS422
- Sin/Cos
- SSI, BiSS-C, EnDat
- Profibus, Profinet, EtherCAT, CANopen
Thông số kỹ thuật
| Thông số | Phạm vi/Chi tiết |
|---|---|
| Độ phân giải | 1 đến 4.194.304 PPR hoặc 8 đến 24 bit |
| Tốc độ tối đa | 3000 đến 12.000 vòng/phút, mẫu đặc biệt lên tới 20.000 RPM |
| Cấp bảo vệ | IP50 đến IP68 |
| Nhiệt độ hoạt động | -40°C đến +105°C |
| Thông số điện | 5V, 10-30V, dòng ra < 100mA |
| Chống rung/sốc | IEC 60068-2: 10-20g (rung), 50-200g (sốc) |
| Loại tín hiệu đầu ra | TTL, HTL, RS422, SSI, BiSS-C, Profinet, EtherCAT |
Ưu điểm và hạn chế
Ưu điểm:
- Độ phân giải và độ lặp lại cao.
- Phản hồi nhanh, thích hợp kiểm soát động.
- Nhiều giao diện và giao thức truyền thông.
- Chống nhiễu điện từ tốt trong môi trường công nghiệp phức tạp.
Hạn chế:
- Loại quang nhạy với bụi bẩn.
- Mẫu có độ phân giải cao có thể đắt tiền.
- Một số công nghệ bị giảm hiệu suất trong điều kiện nhiệt độ/rung động cực đoan.
So sánh với cảm biến góc khác
| Loại | Độ chính xác | Chi phí | Chống nhiễu | Linh hoạt ứng dụng |
|---|---|---|---|---|
| Chiết áp | Thấp | Thấp | Kém | Hệ thống đơn giản |
| Resolver | Trung bình | Trung bình | Cao | Môi trường rung động, nhiệt độ cao |
| Bộ mã hóa quay | Cao (tới 24 bit) | Trung bình/Cao | Cao | Các hệ thống công nghiệp khác nhau |
Các lĩnh vực ứng dụng
- Tự động hóa công nghiệp: Phản hồi động cơ, cánh tay robot.
- Máy CNC: Phản hồi vị trí trục chính và trục cấp phôi.
- Robot: Điều khiển khớp và phản hồi đường đi.
- Thiết bị y tế: Phát hiện quay MRI, CT scanner.
- Thang máy và giao thông: Phản hồi định vị cabin và điều khiển cửa.
- Năng lượng gió và mặt trời: Góc cánh quạt và hệ thống theo dõi mặt trời.
Tiêu chuẩn ngành
- IEC 61800-5-2:2016: An toàn chức năng của hệ thống truyền động.
- ISO 13849-1:2015: An toàn hệ thống điều khiển máy móc.
- IEC 60529:2020: Mã bảo vệ xâm nhập (IP code).
- IEC 60068-2: Kiểm tra môi trường rung và sốc.
- ISO 9001:2015: Hệ thống quản lý chất lượng sản xuất.
Sự cố phổ biến và cách xử lý
| Sự cố | Nguyên nhân có thể | Giải pháp |
|---|---|---|
| Không có tín hiệu đầu ra | Mất nguồn, lỗi dây, cảm biến hỏng | Kiểm tra nguồn, dây, thay thế linh kiện hỏng |
| Mất hoặc dao động tín hiệu | Nhiễu, lão hóa cáp, lỏng cơ khí | Kiểm tra nối đất, thay cáp, siết chặt cơ cấu |
| Lỗi hoặc dao động đầu ra | Nhiễu quang học, nhiễu từ, điện tử lão hóa | Làm sạch, loại bỏ nguồn nhiễu, thay linh kiện |
| Trễ hoặc mất bước đầu ra | Sai cấu hình giao thức hoặc không tương thích | Xác minh giao thức, kiểm tra dây, cập nhật cài đặt |
Hướng dẫn lựa chọn
- Yêu cầu ứng dụng: Xác định các tham số đo (vị trí, tốc độ, hướng).
- Loại bộ mã hóa: Chọn gia tăng hoặc tuyệt đối (đơn vòng/đa vòng).
- Công nghệ phát hiện: Quang học, từ, cảm ứng hoặc điện dung.
- Độ phân giải & tín hiệu: Phù hợp độ chính xác và giao diện hệ thống.
- Phù hợp môi trường: Xác nhận cấp IP và khả năng chịu rung/sốc.
- Giao diện cơ khí: Đường kính trục, phương pháp gắn và yêu cầu tải.
- Khả năng giao tiếp: Tương thích PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động.
- Tiêu chuẩn tuân thủ: Ưu tiên sản phẩm đạt các tiêu chuẩn IEC, ISO, UL.
Tài liệu tham khảo
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- IEC 60068-2 Series
- ISO 9001:2015
Bằng cách hiểu rõ cấu trúc, nguyên lý hoạt động, thông số hiệu suất và các ứng dụng của bộ mã hóa quay, kỹ sư và nhà tích hợp hệ thống có thể lựa chọn chính xác và tích hợp hệ thống, tối ưu hóa hiệu suất điều khiển và độ tin cậy của hệ thống.