• Like
Encoder
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

Published

kk

kk

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
No Downloads

Views

Total Views
8,806
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
310
Comments
0
Likes
5

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay. Đĩa quay có thể làbánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Trongcác bài toán đo tốc độ động cơ, trong các máy CNC dùng để xác định khoảng dịchchuyển của 1 đối tượng thông qua đếm số vòng quay của trục.1. Khái niệmEncoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc. Đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị tríthẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được vị trí trục hoặc bàn máy.Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu số. Encoder được sử dụng làm phần tử chuyểnđổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot. Trong máy công cụ điều khiển số, chuyểnđộng của bàn máy được dẫn động từ một động cơ qua vít me đai ốc bi tới bàn máy. Vị trí củabàn máy có thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn.2. Phân loại1. Encoder tuyệt đối (absolute encoder): sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray2.Encoder tương đối (incremental encoder): có tín hiệu tăng dần hoặc theo chu kỳ• Encoder tương đối kiểu thẳng• Encoder tương đối kiểu quay3. Chi tiết và nguyên lý hoạt độngNguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ(rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ, đèn ledkhông chiếu xuyên qua được. Chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kiacủa đĩa, người ta đặt một con mắt thu( photosensor). Với các tín hiệu có hoặc không có ánh sángchiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệuđèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder.Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay(mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề đểchúng ta tìm hiểu về encoder.
  • 2. Hình 1. Cấu tạo chung encoder Các bạn thấy trong hình có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố định. Thực ra là để che khe hẹp ánh sáng đi qua, giúp cho việc đọc encoder được chính xác hơn mà thôi. Chúng tôi không để cập đến đĩa này ở đây. Vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây chính là vấn đề về độ mịn của encoder. Có nghĩa là làm thế nào biết đĩa đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng. Dưới đây chúng ta sẽ đi vào cụ thể từng loại encoder. 3.1 Encoder tuyệt đối (absolute encoder)• Sơ đồ nguyên lý, kết cấu: Encoder kiểu tuyệt đối, kết cấu gồm các phần sau: bộ phát ánh sáng(LED phát), đĩa mã hóa (chứa các dải băng mang tín hiệu) và một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ thu thường là photosensor). Hình 2. Nguyên lý và kết cấu
  • 3. Đĩa mã hóa được chế tạo từ vật liệu trong suốt. Người ta chia mặt đĩa thành các góc đều nhau và các đường tròn đồng tâm. Các đường tròn đồng tâm và bán kính giới hạn các góc hình thành các phân tố diện tích. Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởi hai vòng tròn đồng tâm gọi là dảy băng. Số dải băng trên mặt đĩa tùy thuộc khả năng công nghệ, ứng với một dải băng ta có một đèn LED và một photosenser. Trên các dải băng, các diện tích phân tố có phân tố trong suốt (ánh sáng có thể xuyên qua được) và cũng có phân tố được phủ lên một lớp mà ánh sáng không thể chiếu xuyên qua được. Sự trong suốt và không trong suốt đặc trưng đặc tính của các phân tố.• Nguyên lý hoạt động: Ba bộ phận quan trọng nhất cấu thành encoder tuyệt đối là đèn LED, đĩa mã hóa và các photosensor. Ánh sáng được chiếu từ đèn LED qua đĩa mã hóa đến các photosensor. Số đèn LED bằng với số dải băng (hay còn gọi là vòng lỗ) trên đĩa mã hóa và cũng bằng với số photosensor ( hoặc cũng có thể dùng một đèn LED nhưng công suất của đèn này phải lớn, ánh sáng của nó phải chiếu phủ hết các dải băng trên đĩa mã hóa). Trên encoder, đèn LED, dải băng và photosensor phải sắp xếp nằm trên một đường thẳng. Đèn LED và photosensor được gắn cố định trên vỏ encoder. Còn đĩa mã hóa thì quay quanh trục mang các tín hiệu mã hóa nhằm xác định góc quay. Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa, nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa đến photosensor làm xuất hiện dòng chảy qua photosensor ( lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 1 trong mã nhị phân). Nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không đến được photosensor (lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 0 trong mã nhị phân). Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo một cách hoàn toàn toán học: Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng (góc đo nhỏ nhất trong trường hợp này là 90 độ). Tương tự vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2^n) vòng. Thế làm sao để xác định 2^n trạng thái này của đĩa encoder. Ở đây, tôi đưa ra ví dụ với đĩa encoder có 2 vòng lỗ (2 dải băng). Các bạn sẽ thấy rằng, ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa. Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau. Như vậy, chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2 vòng lỗ, và 2 đèn thu ( photosensor ). Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (trong cùng), đèn đọc đang nằm ở vị trí có lỗ hở, thì tín hiệu nhận được từ con mắt thu sẽ là 1. Và ở vòng lỗ thứ hai, thì chúng ta đang ở vị trí không có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị 0.
  • 4. Hình 3. Đĩa encoder 2 vòng lỗVà như vậy, với số 10, chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư nào. Cũng cónghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng. Trong ví dụ trên, nếuđèn LED đọc được 10 thì vị trí của LED phải nằm trong góc phần tư thứ hai, phía trên, bên trái.Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta sẽ quản lý được đến 1/(2^10) tức làđến 1/1024 vòng. Hay người ta nói là độ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng (pulseper revolution – ppr).Sau đây là ví dụ encoder 8 vòng lỗ: hình 4. đĩa encoder 8 vòng lỗVậy cách thiết kế encoder như thế nào?Các bạn luôn chú ý rằng, để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit thứ N (đốivới encoder có N vòng lỗ) nằm ở trong cùng, có nghĩa là lỗ lớn nhất có góc rộng 180 độ, nằmtrong cùng. Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit 0 (nếu xem là số nhị phân) sẽ thay đổi liên tục mỗi1/2^N vòng quay. Vì thế chúng ta cần rất nhiều lỗ. Nếu đặt ở trong thì không thể nào vẽ được vìở trong bán kính nhỏ hơn. Ngoài ra, nếu đặt ở trong thì về kết cấu cơ khí, nó quá gần trục và quá
  • 5. nhiều lỗ nên sẽ rất yếu. Vì hai điểm này, nên bit 0 luôn đặt ở ngoài cùng, và bit N-1 luôn đặt trong cùng như hình trên. Với encoder có 8 vòng lỗ ta sẽ quản lý được 1/2^8 của đĩa (tức là quản lý được 1/256 của đĩa, tương đương với góc 360/256=1,4 độ). Vậy với encoder 8 vòng lỗ này ta sẽ biết được góc quay của đĩa với độ chính sác là 1,4 độ. 3.2 Encoder tương đối (incremental encoder)• Encoder tương đối kiểu quay: Sơ đồ nguyên lý, kết cấu: Hình 5. Đĩa encoder tương đối kiểu quay Về cơ bản thì encoder tương đối và encoder tuyệt đối đều giống nhau chỉ khác nhau ở đĩa mã hóa. Ở encoder tương đối đĩa mã hóa gồm 1 dải băng tạo xung. Trên dải băng này được chia ra làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể được thây bằng vật liệu trong suốt cho ánh sáng truyền qua). Khi đĩa từ quay qua một lỗ thì photosensor nhận được tín hiệu từ đèn LED chiếu qua thì encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm. Chẳng hạn như với đĩa mã hóa gồm 360 lỗ, khi đĩa quay qua 90 lỗ thì photosensor nhận được 90 lần tín hiệu do đó biến đếm sẽ tăng lên 90. Từ đó ta biết được đĩa đã quay được một góc là 90 độ. Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết một vòng? Nếu cứ đếm vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết một vòng. Chưa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý được, encoder sẽ bị sai một xung. Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy. Ngày hôm nay sai một xung, ngày hôm sau sai một xung. Đến cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi các bạn mới đếm được 1 vòng.
  • 6. Hình 6. Lỗ định vị trên encoder tương đối kiểu quayĐể tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đã quaycủa encoder. Như vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng encoder đi ngang qua lỗ địnhvị này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu đó. Nếu vì một rung động nào đó màchúng ta không thấy encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung và việc đi qua lỗ định vị, chúngta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder.Nguyên lý hoạt động: Hình 7. Nguyên lý hoạt động encoder tương đối kiểu quayEncoder tương đối cũng gồm các bộ phận cơ bản là nguồn phát( đèn LED), đĩa quay( đĩa mãhóa), cảm biến (photosensor). Khi đĩa quay qua một lỗ thì cảm biến trên nhận được tín hiệu lúc
  • 7. đó encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm. Cho đến khi cảm biến bên dưới nhận được tín hiệu thông qua lỗ định vị thì ta biết được đĩa đã quay song một vòng. Giá trị biến đếm mà encoder nhận được sẽ cho ta biết được góc độ mà đĩa đã quay. Ứng với dải băng có càng nhiều lỗ thì góc đếm nhỏ nhất mà encoder đếm được sẽ càng nhỏ (càng mịn).• Encoder tương đối kiểu thẳng: Encoder kiểu thẳng cũng có các thành phần cơ bản và nguyên lý hoặc động như encoder kiểu quay nhưng chỉ khác ở chổ đĩa mã hóa là một thước thẳng và dùng để đo kích thước thẳng. Chiều dài Encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động thẳng tương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước. Vì vậy Encoder thẳng thường đắt hơn nhiều so với Encoder dạng quay. 4. Ứng dụng thực tiễn của encoder:o Trên máy CNC encoder được trang bị để đo và tìm được chính xác vị trí của các trục máy cũng như vị trí dao cắt. Nhờ đó quá trình gia công được thực hiện chính xác. Kết quả encoder đo được sẽ gửi về bộ phận kiểm tra tích cực trên máy để điều chỉnh lại vị trí chi tiết hay vị trí của dao cắt nhằm sữa chữa lỗi và hạn chế được phế phẩm.o Encoder còn được trang bị trên động cơ của thang máy để biết được chính xác vị trí của thang máy. Đảm bảo được thang máy sẽ dừng ở đúng cửa ra vào.o Trên các rô bốt công nghiệp encoder không thể thiếu. Nó dùng để quản lý các cử động của các khớp nối, cử động của cánh tay rô bốt để đảm bảo chính sác vị trí của các cử động.o Trong các cuộc thi robocon. Tín hiệu gởi về của encoder giúp ta biết được vị trí của robocon trên sân đấu. Ở các khúc cua thì vận tốc của 2 bánh xe phải và bánh xe trái sẽ không giống nhau. Nhờ có encoder mà ta có thể tính toán và lập trình được số vòng quay của 2 bánh xe ở các khúc cua.