Bộ mã hóa phổ biến trong các sản phẩm điều khiển chuyển động và bộ mã hóa vòng quay là thành phần chính của vòng phản hồi điều khiển chuyển động, bao gồm thiết bị tự động hóa công nghiệp và điều khiển quy trình, người máy, thiết bị y tế, năng lượng, hàng không vũ trụ, v.v.
Là thiết bị chuyển đổi chuyển động cơ học thành tín hiệu điện, bộ mã hóa cung cấp cho các kỹ sư dữ liệu cơ bản như vị trí, tốc độ, khoảng cách và hướng có thể được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
Quang học, từ tính và điện dung là ba công nghệ mã hóa chính dành cho các kỹ sư. Tuy nhiên, có một số yếu tố cần xem xét để xác định công nghệ nào là tốt nhất cho ứng dụng cuối cùng.
Bài viết này sẽ giới thiệu tổng quan về các công nghệ mã hóa quang học, từ tính và điện dung, đồng thời thảo luận ngắn gọn về ưu điểm và nhược điểm của từng công nghệ.
1. Bộ mã hóa quang học
Bộ mã hóa quang học đã là một lựa chọn phổ biến trong thị trường ứng dụng điều khiển chuyển động trong nhiều năm. Nó bao gồm một nguồn sáng LED (thường là nguồn sáng hồng ngoại) và một bộ tách sóng quang, được đặt ở cả hai mặt của tấm mã hóa.
Tấm mã được làm bằng nhựa hoặc thủy tinh, với một loạt các vạch hoặc khe trong suốt và mờ đục được sắp xếp cách nhau. Khi đĩa mã quay, đường quang LED bị chặn bởi các đường hoặc khe được sắp xếp cách nhau trên đĩa mã, do đó tạo ra hai xung vuông góc A và B điển hình, có thể được sử dụng để xác định tốc độ quay và tốc độ của trục .
Phân tích kỹ thuật của bộ mã hóa quang học, từ tính và điện dung
Hình 1: Các xung trực giao A và B điển hình cho bộ mã hóa quang học, bao gồm các xung chỉ số (Ảnh tín dụng: CUI Devices)
Mặc dù bộ mã hóa quang được sử dụng rộng rãi nhưng chúng vẫn có một số nhược điểm. Trong môi trường nhiều bụi bẩn như các ứng dụng công nghiệp, chất gây ô nhiễm có thể tích tụ trên tấm mã, do đó cản trở việc truyền ánh sáng LED tới cảm biến quang học.
Độ tin cậy và độ chính xác của bộ mã hóa quang học bị ảnh hưởng rất nhiều vì đĩa mã bị nhiễm bẩn có thể dẫn đến sự gián đoạn hoặc mất hoàn toàn sóng vuông.
Đèn LED có tuổi thọ hạn chế và cuối cùng sẽ bị cháy, dẫn đến lỗi bộ mã hóa. Ngoài ra, đĩa mã bằng thủy tinh hoặc nhựa dễ bị hư hỏng do rung động hoặc nhiệt độ khắc nghiệt, do đó hạn chế khả năng ứng dụng của bộ mã hóa quang học trong các ứng dụng môi trường khắc nghiệt; Việc lắp ráp nó vào một động cơ không chỉ tốn thời gian mà còn có nguy cơ nhiễm bẩn cao hơn.
Cuối cùng, nếu độ phân giải của bộ mã hóa quang cao, nó sẽ tiêu thụ dòng điện hơn 100 mA, ảnh hưởng nhiều hơn đến ứng dụng của nó trong thiết bị di động hoặc thiết bị chạy bằng pin.
2. Bộ mã hóa từ tính
Bộ mã hóa từ tính có cấu trúc tương tự như bộ mã hóa quang, nhưng sử dụng từ trường thay vì chùm sáng. Bộ mã hóa từ tính thay thế đĩa mã quang có rãnh bằng đĩa mã từ tính với các cực từ cách đều nhau quay trên một hàng cảm biến hiệu ứng Hall hoặc cảm biến từ trở.
Bất kỳ vòng quay nào của tấm mã sẽ khiến các cảm biến này phản hồi và tín hiệu thu được sẽ được truyền đến mạch đầu cuối điều hòa tín hiệu để xác định vị trí của trục.
So với encoder quang, encoder từ có ưu điểm là bền hơn, chống rung và va đập tốt hơn. Ngoài ra, hiệu suất của bộ mã hóa quang bị ảnh hưởng rất nhiều trong trường hợp có chất gây ô nhiễm như bụi bẩn và vết dầu, trong khi bộ mã hóa từ tính không bị ảnh hưởng, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Tuy nhiên, nhiễu điện từ do động cơ tạo ra (đặc biệt là động cơ bước) sẽ có tác động lớn đến bộ mã hóa từ tính và sự thay đổi nhiệt độ cũng sẽ khiến vị trí của nó bị lệch.
Ngoài ra, độ phân giải và độ chính xác của bộ mã hóa từ tính tương đối thấp và kém xa so với bộ mã hóa quang học và điện dung về mặt này.
3. Bộ mã hóa điện dung
Bộ mã hóa điện dung bao gồm ba phần chính: rôto, bộ phát cố định và bộ thu cố định. Cảm biến điện dung sử dụng một dải hoặc mô hình tuyến tính với một cực trên phần tử cố định và cực KHÁC trên phần tử CHUYỂN ĐỘNG để tạo thành một tụ điện biến đổi được cấu hình như một cặp máy thu/máy phát.
Rô-to được khắc kiểu sóng hình sin tạo ra tín hiệu cụ thể nhưng có thể dự đoán được khi trục động cơ quay. Tín hiệu này sau đó được chuyển đổi bởi ASIC trên bo mạch của bộ mã hóa để tính toán vị trí và hướng quay của trục.
Phân tích kỹ thuật của bộ mã hóa quang học, từ tính và điện dung
Hình 2: So sánh các đĩa mã hóa (Ảnh tín dụng: CUI Devices)
4. Bộ mã hóa điện dung
Bộ mã hóa điện dung hoạt động trên nguyên tắc giống như thước cặp kỹ thuật số, vì vậy nó cung cấp một giải pháp khắc phục nhiều nhược điểm của bộ mã hóa quang học và từ tính.
Công nghệ dựa trên điện dung được sử dụng trong dòng bộ mã hóa AMT của CUI Devices đã được chứng minh là có độ tin cậy cao và độ chính xác cao.
Do không cần đèn LED hoặc đường ngắm, bộ mã hóa điện dung có thể đạt được kết quả mong muốn ngay cả khi gặp các chất gây ô nhiễm môi trường có thể ảnh hưởng xấu đến bộ mã hóa quang học, chẳng hạn như bụi bẩn và vết dầu.
Ngoài ra, nó ít nhạy cảm với rung động và nhiệt độ cực cao/thấp hơn so với đĩa mã thủy tinh được sử dụng trong bộ mã hóa quang học.
Như đã đề cập trước đó, bộ mã hóa điện dung có xu hướng có tuổi thọ cao hơn bộ mã hóa quang vì đèn led không bị cháy.
Do đó, bộ mã hóa điện dung có kích thước gói nhỏ hơn và tiêu thụ ít dòng điện hơn trên toàn bộ dải phân giải chỉ từ 6 đến 18 mA, khiến nó phù hợp hơn cho các ứng dụng chạy bằng pin.
Do độ bền, độ chính xác và độ phân giải của công nghệ điện dung cao hơn so với bộ mã hóa từ tính nên nhiễu điện từ và nhiễu điện mà bộ mã hóa sau phải đối mặt không có tác động lớn đến nó.
Ngoài ra, bản chất kỹ thuật số của bộ mã hóa điện dung mang lại những lợi thế chính về tính linh hoạt và khả năng lập trình. Do độ phân giải của bộ mã hóa quang học hoặc từ tính được xác định bởi tấm mã hóa nên mỗi khi cần có độ phân giải khác, một bộ mã hóa mới được sử dụng, dẫn đến tăng thời gian và chi phí cho quá trình thiết kế và sản xuất.
Tuy nhiên, bộ mã hóa điện dung có nhiều độ phân giải có thể lập trình, giúp các nhà thiết kế không phải thay thế bộ mã hóa mỗi khi cần độ phân giải mới, điều này không chỉ giảm lượng hàng tồn kho mà còn đơn giản hóa việc tinh chỉnh vòng điều khiển PID và tối ưu hóa hệ thống.
Bộ mã hóa điện dung cho phép căn chỉnh kỹ thuật số và lập chỉ mục các Cài đặt xung khi động cơ BLDC khởi động có liên quan, một nhiệm vụ có thể lặp đi lặp lại và tốn thời gian đối với bộ mã hóa quang học.
Khả năng chẩn đoán tích hợp cho phép các nhà thiết kế truy cập thêm vào dữ liệu hệ thống để tối ưu hóa hệ thống hoặc khắc phục sự cố tại hiện trường.
Phân tích kỹ thuật của bộ mã hóa quang học, từ tính và điện dung
Hình 3: So sánh các chỉ số hiệu suất chính cho công nghệ điện dung, quang học và từ tính (Ảnh tín dụng: CUI Devices)
5. Cân nhắc các lựa chọn của bạn
Trong nhiều ứng dụng điều khiển chuyển động, nhiệt độ, độ rung và chất gây ô nhiễm môi trường là những yếu tố thách thức quan trọng mà bộ mã hóa phải giải quyết. Hóa ra các bộ mã hóa điện dung có thể vượt qua những thách thức này.
So với các công nghệ quang học hoặc từ tính, nó cung cấp cho các nhà thiết kế các giải pháp đáng tin cậy, chính xác và linh hoạt.
Hơn nữa, bộ mã hóa điện dung bổ sung khả năng lập trình và chẩn đoán, một tính năng kỹ thuật số giúp chúng phù hợp hơn với các ứng dụng Internet vạn vật (IoT) và Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) hiện đại.