Lịch sử của bộ mã hóa
Bộ mã hóa là cảm biến thiết yếu trong các hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp hiện đại. Nguồn gốc của chúng bắt đầu từ những năm 1940, dưới dạng bộ chuyển đổi góc cơ học. Với sự tiến bộ của điện tử, quang học, truyền thông và MEMS, bộ mã hóa đã phát triển thành các nền tảng đa chức năng với độ chính xác cấp nano, giao tiếp thông minh và khả năng tự chẩn đoán.
1940–1960: Nguyên mẫu đầu tiên và kỷ nguyên cơ khí
- Vào những năm 1940, nhờ vào công nghệ radar quân sự và điều hướng hàng không, các kỹ sư Đức và Anh đã phát triển bộ chuyển đổi quay kiểu chổi than để đo dịch chuyển góc.
- Năm 1947, Bell Labs (Hoa Kỳ) đề xuất khái niệm chuyển đổi góc cơ học thành tín hiệu xung điện — tiền thân của đĩa mã hóa.
- Đầu những năm 1950, bộ mã hóa cơ khí đầu tiên được giới thiệu, sử dụng nguyên lý tiếp xúc chổi than để kích hoạt tín hiệu chuyển mạch.
- Các bộ mã hóa này thường xuất ra mã Gray, được sử dụng trong thiết bị đo tầm quân sự và máy tính tương tự ban đầu.
Đặc điểm chính:
- Tiếp xúc cơ khí hoàn toàn, dễ mòn và tín hiệu không ổn định
- Tín hiệu đầu ra dạng chuyển mạch hoặc điện áp analog
- Chỉ được sử dụng hạn chế trong các phòng thí nghiệm quốc phòng
1970–1980: Sự phát triển của encoder quang và gia tăng
- Năm 1971, BEI Precision Instruments (Hoa Kỳ) ra mắt bộ mã hóa gia tăng quang học thương mại đầu tiên.
- Đĩa vạch làm từ nhựa hoặc thủy tinh với các sọc được khắc, ánh sáng đi qua các sọc này được phát hiện bởi quang điện, tạo ra xung A/B.
- Năm 1974, Heidenhain (Đức) bổ sung kênh Z (xung gốc) để định vị điểm xuất phát.
- Năm 1976, Koyo Electronics (Nhật Bản) phát hành bộ mã hóa công nghiệp cho hệ thống CNC, mở rộng ứng dụng.
Đổi mới:
- Cảm biến không tiếp xúc giúp kéo dài tuổi thọ và tăng độ tin cậy
- Các giao diện đầu ra TTL và HTL tiêu chuẩn được giới thiệu
- Độ phân giải đạt 1000–5000 xung mỗi vòng (PPR)
1990: Encoder tuyệt đối và bùng nổ điều khiển số
- Từ 1989 đến 1992, các hãng châu Âu như Baumer và Heidenhain tung ra encoder tuyệt đối một vòng, sử dụng đĩa đa rãnh và cảm biến quang học để tạo dữ liệu vị trí song song.
- Năm 1993, SICK Stegmann (Đức) phát triển encoder tuyệt đối nhiều vòng với cơ cấu bánh răng hoặc cảm biến từ để theo dõi vòng quay.
- SSI (Synchronous Serial Interface) trở thành chuẩn truyền thông nối tiếp do Hubner (Đức) quảng bá.
- Encoder lập trình được giới thiệu, cho phép cấu hình độ phân giải và hướng quay qua phần mềm.
Đột phá kỹ thuật:
- Lưu trữ vị trí sau khi mất nguồn điện
- Tích hợp chip ASIC giúp thu nhỏ và tích hợp cao hơn
- Tăng độ tin cậy và khả năng chống nhiễu
2000: Fieldbus, Ethernet và tích hợp hệ thống
- Encoder tích hợp giao tiếp fieldbus công nghiệp: CANopen (CiA 406), Profibus, DeviceNet, phù hợp cho mạng nhiều nút.
- Các giao thức Ethernet công nghiệp như EtherCAT (Beckhoff), Profinet (Siemens), EtherNet/IP (Rockwell) trở nên phổ biến trong điều khiển tốc độ cao.
- Năm 2005, Tamagawa (Nhật Bản) ra mắt encoder quay với chứng nhận SIL2, được sử dụng trong thang máy, robot và hệ thống đường sắt.
- Các tính năng bù nhiệt độ, lọc số và tự chẩn đoán bắt đầu được tích hợp.
Xu hướng chính:
- Giao tiếp qua mạng thay thế dây xung truyền thống
- Độ phân giải nhiều vòng vượt quá 30 bit
- Hỗ trợ cắm nóng, cấu hình trực tuyến và cập nhật từ xa
2010 đến nay: Encoder thông minh, bộ mini và không dây
- Encoder thông minh hỗ trợ Bluetooth, IO-Link và Wi-Fi công nghiệp, cho phép giao tiếp hai chiều với PLC hoặc nền tảng đám mây.
- Bộ mã hóa từ mini được ứng dụng trong robot cộng tác (Cobots), AGV và drone, đường kính chỉ Φ12 mm và trọng lượng dưới 10g.
- Encoder tuyến tính từ tính độ phân giải cao (như Renishaw, RSF) phục vụ sản xuất bán dẫn với độ chính xác tới nano.
- Cảm biến lai kết hợp nhận dạng hình ảnh và IMU tích hợp đang phát triển, cung cấp dữ liệu chuyển động 6-DOF đầy đủ.
Xu hướng tương lai
- Trí tuệ + Edge Computing: Encoder sẽ tích hợp bộ xử lý để xử lý dữ liệu cục bộ, bảo trì dự đoán và AI biên.
- Cảm biến hợp nhất đa chiều: Tích hợp với cảm biến nhiệt độ, IMU, mô-men xoắn và gia tốc để phát hiện chuyển động toàn diện.
- Encoder định nghĩa bằng phần mềm (SD-E): Cấu hình độ phân giải, hướng, giao thức và chẩn đoán từ xa.
- Thiết kế tiết kiệm năng lượng: Tiêu thụ điện thấp, vật liệu không ma sát và lắp ráp mô-đun sẽ là ưu tiên mới.
- Tối ưu hóa chuỗi cung ứng toàn cầu: Các quốc gia sẽ tăng cường năng lực sản xuất lưới mã, chip tùy chỉnh và giao thức truyền thông trong bối cảnh nhu cầu công nghệ cốt lõi tăng cao.
Kết luận
Sự phát triển của encoder phản ánh sự chuyển mình của ngành công nghiệp — từ analog đến số hóa, từ tập trung đến thông minh và từ đóng sang mở. Bắt nguồn từ ứng dụng quân sự, encoder đã trở nên phổ biến trong công nghiệp dân dụng. Hiểu lịch sử của chúng giúp ta nắm rõ bản chất kỹ thuật và sẵn sàng cho tương lai cảm biến công nghiệp.