Các loại bộ mã hóa

Bộ mã hóa là “đôi mắt” của hệ thống tự động hóa công nghiệp và điều khiển chuyển động chính xác, chuyển đổi chuyển động cơ khí thành tín hiệu điện với độ chính xác cao. Tùy theo yêu cầu ứng dụng và công nghệ thực hiện, có thể phân loại bộ mã hóa theo ba tiêu chí: loại tín hiệu đầu ra, hình thức đo lường và nguyên lý cảm biến. Dưới đây là phân tích chuyên sâu và chi tiết.

I. Phân loại theo loại tín hiệu đầu ra

1. Bộ mã hóa tăng dần (Incremental Encoder)

• Nguyên lý hoạt động: Sử dụng cảm biến quang hoặc từ để tạo ra các xung A/B vuông pha, kèm theo một xung Z duy nhất báo vị trí gốc.
• Chỉ tiêu chính:
  • Độ phân giải: Thông thường 500–10 000 PPR; có thể nhân lên (4×, 16×) để đạt hàng chục nghìn hoặc triệu PPR.
  • Chất lượng tín hiệu: Sai số pha < 5°, jitter < ±1 LSB.
• Chuẩn đầu ra: TTL (0–5 V), HTL (10–30 V), tín hiệu vi sai RS‑422.
• Ưu/nhược điểm:
  • Ưu điểm: Chi phí thấp, phản hồi nhanh, phù hợp điều khiển vòng kín tốc độ/vị trí.
  • Nhược điểm: Mất vị trí khi mất điện; cần bộ đếm bên ngoài và quy trình quay về gốc.
• Ứng dụng tiêu biểu: Servo drive, đo tốc độ động cơ, giám sát hành trình cơ chế tịnh tiến.

2. Bộ mã hóa tuyệt đối (Absolute Encoder)

• Nguyên lý hoạt động: Mỗi vị trí tương ứng một mã nhị phân hoặc mã Gray duy nhất, không cần quay về gốc vẫn đọc được vị trí tuyệt đối; phiên bản đa vòng dùng cơ cấu bánh răng hoặc mạch đếm vòng quay.
• Chỉ tiêu chính:
  • Độ phân giải vòng đơn: 8–20 bit; phạm vi đa vòng: 16–32 bit.
  • Định dạng mã: Gray, Binary, BCD, Excess‑3…
• Giao thức: SSI, BiSS‑C, EnDat 2.2 (đồng bộ), CANopen, Profinet (mạng).
• Ưu/nhược điểm:
  • Ưu điểm: Giữ vị trí khi mất điện, phù hợp hệ thống đa trục yêu cầu độ tin cậy cao; hỗ trợ cấu hình tham số trực tuyến.
  • Nhược điểm: Chi phí cao; giao thức nối tiếp đòi hỏi bộ điều khiển băng thông rộng.
• Ứng dụng tiêu biểu: Khớp robot, máy công cụ CNC đa trục, hệ thống an toàn quan trọng.

3. Bộ mã hóa lai (Hybrid Encoder)

• Định nghĩa: Kết hợp cả tín hiệu tăng dần và tín hiệu tuyệt đối trong cùng một thiết bị, vừa cung cấp xung tốc độ cao, vừa ghi nhận vị trí tuyệt đối.
• Đặc điểm: Đồng thời xuất ra xung tốc độ và giá trị vị trí tuyệt đối, thường dùng trong hệ thống an toàn dự phòng (redundancy).
• Ứng dụng tiêu biểu: Hệ thống an toàn cấp độ SIL, giám sát dù hàng không vũ trụ, AGV trong kho thông minh.

II. Phân loại theo hình thức đo lường

1. Bộ mã hóa xoay (Rotary Encoder)

• Cấu tạo: Trục đặc/trục rỗng/trục bán rỗng, lắp bằng mặt bích hoặc tấm panel.
• Thông số cơ khí: Đường kính trục φ3–φ20 mm; tải trọng hướng kính 10–50 N; tải trọng hướng trục 5–20 N; tuổi thọ vòng bi L₁₀ ≥ 10⁷ h.
• Lưu ý khi lắp: Đảm bảo độ đồng tâm < 0.05 mm, tránh chịu tải khung đỡ và rung động cao.
• Ví dụ ứng dụng: Phản hồi servo motor, điều khiển bàn xoay, định vị van.

2. Bộ mã hóa tuyến tính (Linear Encoder)

• Loại: Thanh quang học, thanh cảm từ, thanh cảm ứng; khe hở giữa đầu đọc và thanh đo giữ 0.1–1 mm.
• Độ chính xác: Độ phân giải 0.01–1 µm; sai số tuyến tính < ±1 µm/m.
• Khả năng chịu môi trường: Loại quang học yêu cầu môi trường sạch; loại từ có thể chạy trong dầu mỡ và bụi bẩn.
• Ví dụ ứng dụng: Bàn trượt CNC, tay đo CMM, máy phơi khắc chip bán dẫn.

3. Bộ mã hóa dây kéo (Draw‑Wire Encoder)

• Cấu tạo: Guồng dây thép đi kèm lò xo giữ căng, hành trình đo có thể lên đến vài mét.
• Độ chính xác: Độ phân giải 0.1 mm; độ lặp lại < ±0.5 mm.
• Ứng dụng phù hợp: Đo chiều cao bàn nâng, xác định vị trí cửa cuốn, thăm dò hầm.
• Khuyến cáo lắp đặt: Dây phải kéo thẳng đứng, tránh uốn cong và kéo lệch.

III. Phân loại theo nguyên lý cảm biến

1. Bộ mã hóa quang học (Optical Encoder)

• Cách thức: Nguồn sáng → đĩa lưới → cảm biến quang, sinh xung dựa trên thay đổi truyền/ phản xạ ánh sáng.
• Ưu điểm về độ phân giải: Có thể đạt đến triệu PPR; jitter < ±0.1 arcsec.
• Nhược điểm: Nhạy cảm với bụi, dầu mỡ và dao động nhiệt độ.
• Tiêu chuẩn: Tuân theo ISO 23125 cho bộ mã hóa quang.

2. Bộ mã hóa từ (Magnetic Encoder)

• Cách thức: Dùng cảm biến Hall hoặc cảm biến điện trở từ để phát hiện biến thiên từ trường.
• Tính ổn định: Chịu được ô nhiễm, rung động, sai số nhiệt độ thấp; độ chính xác thường 0.1–0.5°.
• Ví dụ ứng dụng: Định vị cabin thang máy, giám sát góc máy công nghiệp nặng.
• Tiêu chuẩn: Tuân theo DIN 32701 cho bộ mã hóa từ.

3. Bộ mã hóa điện dung (Capacitive Encoder)

• Cách thức: Sự thay đổi điện dung giữa các bản cực với chuyển động, đo bằng kích thích AC.
• Đặc tính: Tiêu thụ thấp, gọn nhẹ, chịu rung; độ chính xác đến ±1 µm.
• Nhược điểm: Nhạy cảm với môi trường kim loại và tĩnh điện.
• Ứng dụng: Robot siêu nhỏ, cánh tay y tế, nền tảng vi mô/điện tử.

4. Bộ mã hóa cảm ứng (Inductive Encoder)

• Cách thức: Dựa trên sự thay đổi tương tác cảm ứng giữa cuộn dây và vật kim loại để đo khoảng cách.
• Ưu điểm: Chịu được nhiệt độ cao, áp suất lớn và nhiễu điện từ mạnh.
• Độ chính xác: Thường ±10 µm; phù hợp công nghiệp nặng và giao thông đường sắt.
• Tiêu chuẩn: Dựa trên IEC 62130 cho cảm biến vị trí cảm ứng.

IV. Gợi ý lựa chọn bộ mã hóa

1. Xác định rõ yêu cầu: Hình thức chuyển động (xoay/tuyến tính), loại tín hiệu (tăng dần/tuyệt đối).
2. Phù hợp độ chính xác và tốc độ: Độ phân giải cao đòi hỏi băng thông điều khiển và khả năng nội suy phù hợp.
3. Khả năng chịu môi trường: Quang học cho phòng sạch; từ/cảm ứng cho môi trường khắc nghiệt.
4. Độ bền cơ khí: Lưu ý tải trọng vòng bi, tuổi thọ và căn chỉnh khi lắp.
5. Tương thích giao tiếp: Đảm bảo giao thức và giao diện hỗ trợ tích hợp hệ thống và chẩn đoán.

Với ba tiêu chí phân loại và so sánh chuyên sâu trên, bạn có thể nhanh chóng chọn được loại bộ mã hóa phù hợp nhất, tối ưu hiệu suất thiết bị và giảm chi phí phát triển, bảo trì.