📘 Bách khoa mã hóa
Bộ mã hóa từ tính
Bộ mã hóa từ tính sử dụng nam châm đa cực và cảm biến từ để chuyển đổi chuyển động quay hoặc tịnh tiến thành tín hiệu điện. Thiết bị có ưu thế chống dầu bẩn, bụi, rung, làm việc ở dải nhiệt rộng và dung sai lắp đặt lớn, vì vậy rất phổ biến làm phần tử phản hồi vị trí trong tự động hóa công nghiệp, ô tô & thiết bị hạng nặng, robot và thiết bị ngoài trời.
Bộ mã hóa từ tính là gì (What is a Magnetic Encoder)
Bộ mã hóa từ tính là hệ thống cảm biến đo vị trí và tốc độ dựa trên sự biến thiên tuần hoàn của từ trường. Cấu trúc điển hình gồm phần từ (vòng/ băng từ đa cực, hoặc nam châm được nạp từ theo hướng xuyên tâm/ dọc trục) và đầu đọc (vi mạch cảm biến từ kèm mạch xử lý/điều hòa tín hiệu). Trong khe hở không khí xác định, đầu đọc thu hai thành phần gần sin/cos biến thiên theo dịch chuyển; qua khối tiền khuếch đại tương tự (AFE) và nội suy/giải mã, hệ thống xuất ra xung gia tăng A/B/Z, sin/cos 1 Vpp (hoặc dạng dòng 11 µApp), hoặc vị trí tuyệt đối theo các giao thức SSI/BiSS/SPI/EnDat.
So với bộ mã hóa quang học, bộ mã hóa từ tính có tính thích nghi môi trường cao hơn, tuổi thọ dài hơn, chi phí tốt hơn; nhưng ở ngưỡng cực đại về độ phân giải, tính tuyến tính và SDE (sai số phân chia con) thường kém hơn các giải pháp quang học cao cấp.
Nguyên lý làm việc (Working Principle)
1) Công nghệ cảm biến từ
- Hall: chi phí thấp, độ tin cậy đã được kiểm chứng; độ chính xác vị trí/góc ở mức trung bình; cần bù trôi nhiệt.
- AMR (điện trở từ dị hướng): độ nhạy cao hơn Hall, miễn nhiễm nhiễu tốt.
- GMR/TMR (điện trở từ khổng lồ/ xuyên hầm): độ nhạy cao nhất, nhiễu thấp; hỗ trợ khe hở nhỏ và độ phân giải cao; TMR trôi nhiệt thấp hơn nhưng chi phí cao hơn.
- Đo vi sai: các kênh đồng/ ngược pha khử từ trường tạp và trôi chung, tăng khả năng chống nhiễu.
2) Tạo tín hiệu và giải tính góc
- Phần từ được nạp N/S luân phiên theo chu vi hoặc dọc đường thẳng tạo từ trường tuần hoàn; đầu đọc thu về hai kênh xấp xỉ sin/cos; tính góc ví dụ:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Nội suy số hoặc PLL để chia nhỏ góc/độ dịch chuyển; dạng tuyệt đối tạo mã duy nhất bằng mã hóa đơn/đa vòng, đếm dự phòng và/hoặc khung truyền giao thức.
3) Quan hệ tốc độ–tần số (công thức văn bản)
- Quay:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Tịnh tiến:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
trong đó RPM là tốc độ quay, pole_pairs là số cặp cực từ, edges_per_cycle là số sườn hữu hiệu mỗi chu kỳ điện; v là tốc độ tuyến tính, p là bước cực của băng từ.
Phân loại (Classification)
- Theo dạng chuyển động: bộ mã hóa quay (vòng/ nam châm nạp từ xuyên tâm hoặc dọc trục, đồng trục/ngoài trục on-axis/off-axis) / bộ mã hóa tịnh tiến (băng/ thang từ đa cực).
- Theo ngõ ra: gia tăng (A/B/Z, mức TTL/HTL/RS422; sin/cos 1 Vpp, 11 µApp) / tuyệt đối (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; hoặc qua gateway sang CANopen/EtherCAT…).
- Theo phần từ: vòng đa cực (gắn ID/OD, bước cực cố định), nam châm nạp xuyên tâm/ dọc trục (ít cặp cực, kích thước nhỏ), băng từ mềm (hành trình dài, dễ lắp).
- Theo vi mạch cảm biến: cảm biến góc tích hợp (AFE + CORDIC/SIN/COS) / kiến trúc rời rạc (AFE + ADC + MCU/FPGA nội suy & mã hóa).
Ngõ ra & giao diện (Outputs & Interfaces)
| Loại | Kiểu tín hiệu | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|
| Xung vuông gia tăng | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Bộ đếm tốc độ cao PLC, vòng tốc độ/ vị trí |
| Sin/Cos | 1 Vpp, 11 µApp | Nội suy độ phân giải cao, ứng dụng yêu cầu SDE thấp |
| Tuyệt đối nối tiếp | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Vị trí tuyệt đối, đếm đa vòng, chẩn đoán |
| Trường bus/ Ethernet công nghiệp | CANopen, EtherCAT, PROFINET (qua mô-đun giao diện) | Đồng bộ đa trục, khoảng cách xa, chẩn đoán online |
Thông số chính (Key Specifications)
| Chỉ tiêu | Khoảng/ mô tả điển hình |
|---|---|
| Độ phân giải | Quay: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR với nội suy); Tịnh tiến: thang 5–50 µm nội suy tới 1–5 µm; loại cao cấp đạt cận dưới micromet. |
| Độ chính xác góc | Tuyệt đối quay: ±0,05° ~ ±0,5° (phụ thuộc phần từ và độ đảo tâm). |
| Lặp lại/ jitter | Lặp lại tốt hơn ±0,05°; jitter phụ thuộc SNR và xung nhịp nội suy. |
| SDE (sai số phân chia con) | Thường tốt hơn ±0,1° (loại cao cấp ≤ ±0,03°); bản tịnh tiến tính theo µm. |
| Khe hở từ | 0,5–2,5 mm (tùy năng lượng nam châm và mảng cảm biến). |
| Bước/ cặp cực | Vòng: 2–64 cặp cực phổ biến; băng từ bước 2–5 mm phổ biến. |
| Tốc độ tối đa | Cơ khí > 10.000 RPM; tịnh tiến > 3 m/s (tùy giao diện). |
| Dải nhiệt độ | −40 °C ~ +125/150 °C (cấp ô tô), cần bù trôi nhiệt. |
| Chống bẩn/ bảo vệ | IP50–IP67; thân thiện với dầu, bụi, dung dịch làm mát. |
| EMC/ESD | Đáp ứng EMC công nghiệp/ô tô; bố trí vi sai và che chắn là then chốt. |
Lưu ý: Hiệu năng thực tế chịu ảnh hưởng bởi vật liệu & chất lượng nạp từ, độ đảo (runout)/nghiêng, khe hở, che chắn và thuật toán bù.
Phần từ & cơ khí (Magnet & Mechanics)
- Vật liệu từ: NdFeB (tích trữ năng lượng cao, dễ khử từ – cần kiểm soát nhiệt), SmCo (ổn định nhiệt cao, giá cao), ferrite (giá thấp, kích thước lớn).
- Kiểu nạp từ: xuyên tâm/ dọc trục hoặc vòng đa cực; độ đồng đều bước cực tác động trực tiếp tới tuyến tính và méo hài.
- Sai số hình học: độ đảo (runout) gây sai số góc điều hòa bậc 1/2; độ nghiêng/độ rung mặt đầu gây mất cân bằng biên độ & pha và méo dạng.
- Dung sai khe hở: quá lớn làm suy biên và giảm SNR; quá nhỏ dễ cạ chạm và lệch nhiệt.
- Kháng từ trường tạp: cấu trúc vi sai, tập trung từ thông hoặc vòng che chắn; tránh điều hòa “răng” stator động cơ; khi cần đánh giá khả năng miễn nhiễm từ trường tạp.
Nguồn sai số & bù trừ (Error Sources & Compensation)
- Mất cân bằng biên độ/pha & méo elip: giảm SDE bằng AGC, cân pha và bù elip.
- Trôi nhiệt: mô hình hóa hệ số nhiệt của cảm biến/nam châm và biến thiên từ dư theo nhiệt; hiệu chỉnh online theo nhiệt độ.
- Đảo tâm/ sai số bước cực: tuyến tính hóa bằng LUT tại nhà máy hoặc hiệu chuẩn tại chỗ (fit đa điểm/ bù điều hòa).
- Từ trường tạp/ EMI: đi dây vi sai, truyền RS422, che chắn và nối đất một điểm; thêm che chắn sắt non khi cần.
- Đếm đa vòng: duy trì đếm khi mất điện bằng thu hồi năng lượng/ bánh răng/ FRAM/NVRAM cùng kiểm tra nhất quán dự phòng.
So sánh với công nghệ khác (Comparisons)
| Công nghệ | Độ phân giải/độ chính xác | Thích nghi môi trường | Chi phí | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|---|
| Bộ mã hóa từ tính | ★★★☆ (tới 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Công nghiệp/ô tô, môi trường khắc nghiệt, tuổi thọ dài |
| Bộ mã hóa quang học | ★★★★★ (cấp nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Máy công cụ chính xác, đo lường, nền tảng bán dẫn |
| Bộ mã hóa cảm ứng | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Nhiệt độ cao/ EMI mạnh, cơ khí hạng nặng |
| Resolver (biến áp góc) | ★★☆ (tương tự) | ★★★★★ | ★★★ | Rung/ nhiệt cao, hồi tiếp động cơ |
| Chiết áp (potentiometer) | ★ | ★★ | ★ | Giá rẻ, tuổi thọ thấp/ độ chính xác thấp |
Ứng dụng (Applications)
- Tự động hóa công nghiệp: băng tải & cơ cấu tải nặng, hệ lai servo/ bước, thang máy & thiết bị cảng.
- Ô tô/ giao thông: chuyển mạch & định vị động cơ, lái & bàn đạp, vị trí khung gầm & ghế (ISO 26262).
- Robot & cobot: góc khớp, encoder bánh AGV/AMR, nền tảng di động ngoài trời.
- Năng lượng tái tạo & thiết bị outdoor: theo dõi gió/ mặt trời, van & cơ cấu chấp hành, máy móc mỏ & xây dựng.
Lưu ý lắp đặt & tích hợp (Installation & Integration)
- Căn tâm/đồng trục: với loại quay, ưu tiên vai định vị/đồ gá, kiểm soát độ đảo hướng kính & hướng trục; với loại tịnh tiến, đảm bảo độ thẳng của băng từ và độ ổn định giá đỡ.
- Cài đặt khe hở: theo datasheet, để dự phòng trên toàn dải nhiệt; xác nhận biên độ dự trữ ở SNR tối thiểu và tốc độ tối đa.
- Đi dây & kết cuối: ưu tiên vi sai RS422 hoặc dạng dòng; khớp trở kháng, che chắn & nối đất một điểm để tránh vòng lặp.
- Tham số giao thức: độ dài khung, CRC, thời tuyến và bit cảnh báo của SSI/BiSS/SPI/EnDat phải khớp với bộ điều khiển.
- Dự phòng & an toàn: trục quan trọng dùng kênh/ cảm biến kép và giám sát nhất quán (SIL/PL hoặc ASIL).
Tiêu chuẩn & tuân thủ (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (cấp bảo vệ IP)/ IEC 60068-2 (rung/ sốc/ nhiệt cao-thấp/ ẩm)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (miễn nhiễm/ phát xạ EMC công nghiệp), ISO 7637 (quá độ trên xe)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (an toàn chức năng cho máy/ truyền động/ ô tô)
- AEC-Q100/Q200 (độ tin cậy linh kiện cấp ô tô cho vi cảm biến/ thụ động)
Hạng mục cụ thể chọn theo ngành và yêu cầu dự án.
Hướng dẫn chọn mã hóa (Selection Guide)
- Mục tiêu độ chính xác: độ chính xác góc/ tuyến tính, độ phân giải, SDE và jitter.
- Công nghệ cảm biến: Hall (ưu tiên chi phí) / AMR / GMR / TMR (ưu tiên phân giải & ổn định nhiệt).
- Giải pháp phần từ: vòng/ băng/ nam châm đơn; bước cực & kích thước, vật liệu & cấp nhiệt.
- Giao diện ngõ ra: gia tăng/ sin-cos hoặc SSI/BiSS/SPI/EnDat; có cần gateway fieldbus & chẩn đoán online hay không.
- Môi trường & tuổi thọ: cấp IP, dầu/ bụi/ dung dịch làm mát, miễn nhiễm từ trường tạp; với ô tô/ outdoor cần yêu cầu cấp ô tô/ độ bền.
- Cơ khí & khe hở: dung sai căn tâm, cửa sổ khe hở, giới hạn tốc độ; đồ gá lắp và tính đồng nhất theo lô.
- Bù & hiệu chuẩn: hỗ trợ bù nhiệt/ điều hòa/ LUT tuyến tính; thực hiện tại nhà máy hoặc tại chỗ.
- An toàn & dự phòng: cấp an toàn chức năng, fail-safe và giao diện giám sát lỗi.
Thuật ngữ (Glossary)
- Bước/ cặp cực (pole pitch/pairs): chiều dài không gian của một chu kỳ N-S/ số cặp cực.
- SDE (Sub-Division Error): sai số phân chia con; sai số tuần hoàn còn lại sau nội suy.
- Stray-Field Immunity: khả năng miễn nhiễm với từ trường tạp bên ngoài.
- CTE: hệ số giãn nở nhiệt; ảnh hưởng khớp nhiệt giữa nam châm và chi tiết cơ khí.
Tóm tắt: Nắm vững nguyên lý cảm biến từ, thiết kế phần từ & cơ khí, giao diện và chiến lược bù, rồi đối sánh với mục tiêu độ chính xác và điều kiện làm việc sẽ giúp triển khai phản hồi vị trí tin cậy, bền bỉ và có khả năng chẩn đoán trong môi trường khắc nghiệt.