Bộ mã hóa — Cảm biến góc quay

Định vị trong các loại thiết bị công nghiệp khác nhau được cung cấp bằng cách sử dụng các thiết bị trông đơn giản — bộ mã hóa (hay nói cách khác là cảm biến góc).

Bộ mã hóa được sử dụng để chuyển đổi chuyển động thẳng hoặc quay thành tín hiệu kỹ thuật số nhị phân. Bộ mã hóa là một thiết bị có trục được kết nối với trục quay của vật thể đang nghiên cứu và cung cấp khả năng điều khiển điện tử góc quay của vật thể sau. Theo nguyên tắc hoạt động, bộ mã hóa được chia thành quang học và từ tính.

Trên trục của bộ mã hóa quang có một đĩa với các cửa sổ ngắt quãng xung quanh chu vi, trên đó có đèn LED và một phototransistor đảm bảo hình thành tín hiệu đầu ra ở dạng chuỗi xung hình chữ nhật với tần số tỷ lệ thuận với cả số cửa sổ và tốc độ quay của đĩa/trục. Số lượng xung cho biết góc quay.

Bộ mã hóa quang học có sẵn dưới dạng bộ mã hóa gia tăng và tuyệt đối.

Bộ mã hóa tăng dần có một đĩa không liên tục với nhiều cửa sổ có cùng kích thước với bán kính cơ sở và hai lần đọc bộ ghép quang, cho phép bạn sửa cả góc quay và hướng quay của trục.Trên bán kính bổ sung của đĩa có một cửa sổ ngắt duy nhất và một bộ ghép quang tương ứng xác định vị trí bắt đầu (nhà).

Mô-men xoắn âm - Bộ mã hóa gia tăng cung cấp số đọc tương đối về góc quay, thông tin về góc quay này không được lưu khi dừng quay. Ưu điểm của chúng bao gồm thiết kế đơn giản (và theo đó, chi phí thấp) ở độ phân giải cao và tần suất hoạt động cao.

Bộ mã hóa gia tăng với độ bền cao được tập trung vào các ứng dụng công nghiệp - trong kỹ thuật cơ khí, nhà máy cán, đóng tàu, dệt may, giày dép, chế biến gỗ. Đối với những bộ mã hóa như vậy, các thông số quyết định là độ phân giải theo góc quay, khả năng làm việc ở tần số cao, mức độ bảo vệ cao để chịu được các điều kiện của môi trường khắc nghiệt.

Một đĩa có các đường hoặc rãnh làm gián đoạn chùm ánh sáng tới cảm biến quang học. Một mạch điện tử cảm nhận sự phá vỡ chùm tia và tạo ra các xung đầu ra kỹ thuật số từ bộ mã hóa.

Đĩa mã hóa — một thiết bị để chuyển đổi các chuyển vị góc của trục thành dạng kỹ thuật số. Hình ảnh hình học của mã kỹ thuật số được áp dụng cho đĩa mã hóa. Các ký hiệu bit mã được áp dụng trên một rãnh đồng tâm và các bit ít quan trọng nhất (ít quan trọng hơn) được đặt gần ngoại vi hơn.

Tùy thuộc vào phương pháp đọc mã (tiếp xúc, quang điện, điện từ, cảm ứng, tĩnh điện, v.v.), hình ảnh hình học của mã bao gồm dẫn điện và cách điện, trong suốt và mờ đục, từ tính và không từ tính, v.v.

Phổ biến nhất là các đĩa mã hóa với nhiều loại mã nhị phân, loại trừ sự xuất hiện của lỗi khi vượt qua ranh giới của các phần rời rạc riêng biệt, khi một số bit có thể được đọc ở một bên của ranh giới và một số ở bên kia (do cài đặt không chính xác của các thiết bị di động hoặc do mã đọc không đồng thời trong khi đĩa đang quay Các mã này bao gồm cái gọi là mã Fau (Mã Barker) và mã Phản xạ (Mã xám).

Một số bộ mã hóa quay quang học sử dụng đĩa mã hóa phản chiếu. Đĩa này có các phần xen kẽ hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng và nguồn sáng cùng với bộ thu được đặt ở một bên của đĩa. Nếu chỉ có một nguồn sáng và máy thu, chuỗi xung từ cảm biến cho phép bạn tìm hiểu xem đĩa đã quay bao nhiêu bước so với vị trí trước đó.

Một cảm biến không thể cho biết hướng quay, nhưng nếu bạn thêm một cặp nguồn-đến-máy thu thứ hai, lệch pha 90 so với cặp đầu tiên, thì bộ vi điều khiển sẽ có thể xác định hướng quay của đĩa bằng độ lệch pha giữa các mạch xung.

Nên nhớ rằng bất kỳ hệ thống nào phát hiện chuyển động quay tương đối của đĩa nhưng không thể đo vị trí góc tuyệt đối của nó đều là bộ mã hóa gia số.

Bộ mã hóa tuyệt đối có một đĩa không liên tục với các cửa sổ đồng tâm có bán kính khác nhau có kích thước tương đối được xác định bởi mã nhị phân và được đọc đồng thời, tạo ra tín hiệu đầu ra được mã hóa cho từng vị trí góc (mã xám, mã nhị phân...).

Trong trường hợp này, có thể lấy dữ liệu về vị trí tức thời của trục mà không cần bộ đếm kỹ thuật số hoặc quay trở lại vị trí ban đầu, vì đầu ra có một từ được mã hóa — «n bit», được bảo vệ khỏi nhiễu điện.

Bộ mã hóa tuyệt đối được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu lưu trữ dữ liệu đầu vào trong một thời gian dài, nhưng chúng có thiết kế phức tạp hơn và đắt tiền hơn.

Bộ mã hóa tuyệt đối với giao diện bus trường có giao diện đầu ra cho giao tiếp bus trường theo tiêu chuẩn CANopen, ProfiBus, DeviceNet, Ethernet, InterBus và sử dụng mã nhị phân để xác định góc quay. Các giao diện truyền thông trên có thể lập trình theo một số tham số: ví dụ: hướng quay, độ phân giải xung trên mỗi vòng quay, tốc độ truyền.

Bộ mã hóa gắn trên trục động cơ cung cấp điều khiển định vị chính xác một cách hiệu quả. Các bộ mã hóa như vậy thường được sản xuất theo phiên bản «lỗ» và các khớp nối đặc biệt là những yếu tố quan trọng trong thiết kế của chúng, cho phép bù lại phản ứng dữ dội của trục động cơ.

Định vị trong các điều kiện trên cung cấp bộ mã hóa từ tính hiệu quả nhất, trong đó việc chuyển đổi góc dịch chuyển của trục thành tín hiệu điện tử được thực hiện không tiếp xúc dựa trên hiệu ứng Hall, không liên quan đến chuyển động quay của bộ cắt quang bên trong cảm biến và cho phép xử lý tín hiệu với tốc độ lên tới 60.000 vòng/phút.

Trong bộ mã hóa từ tính, chuyển động quay tốc độ cao của trục ngoài, trên đó cố định một nam châm hình trụ vĩnh cửu, được cảm nhận bằng cảm biến Hall kết hợp trên một tinh thể bán dẫn đơn với bộ điều khiển xử lý tín hiệu.

Khi các cực của nam châm vĩnh cửu quay trên vi mạch với cảm biến hội trường véc tơ cảm ứng từ biến thiên tạo ra điện áp Hall, điện áp này chứa thông tin về giá trị tức thời của góc quay trục. Bộ vi điều khiển cung cấp khả năng chuyển đổi nhanh điện áp Hall sang tham số góc định vị.

Khả năng chuyển đổi như vậy mà không cần kết nối cơ học trực tiếp của nam châm và các phần tử cảm biến Hall là ưu điểm chính của bộ mã hóa từ tính, mang lại cho chúng độ tin cậy và độ bền cao, đồng thời cho phép chúng hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng tốc độ cao liên quan đến tự động hóa công nghiệp, in ấn, gia công kim loại , đo lường và Thiết Bị Đo Lường.