XT Mechanical Blog xin chào các bạn. Hôm nay chúng tôi sẽ giới thiệu bài viết số 4 trong chuỗi bài viết "Kiến thức cơ bản về Encoder". Trong bài trước, chúng tôi đã giới thiệu về Encoder tương đối và Encoder tuyệt đối. Ở bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động và đặc điểm của bộ mã hóa quang (Encoder quang).

Mục lục

4-1. Cấu trúc bộ Encoder quang

4-2. Nguyên lý hoạt động của Encoder quang

Nào chúng ta hãy cùng bắt đầu.

4-1. Cấu trúc bộ Encoder quang

Encoder quang phát hiện thông tin vị trí quay bằng tín hiệu xung ánh sáng. Nó bao gồm bộ phát sáng, bộ thu sáng và đĩa mã hóa được gọi là Code Wheel với một số khe hở được “khoan thủng” trên đường kính. Khi đĩa mã hóa được gắn vào trục quay như động cơ, ánh sáng từ bộ phát sáng đi qua hay không đi qua các khe hở trên đĩa mã hóa để tạo ra tín hiệu xung ánh sáng. Tín hiệu ánh sáng này được thu nhận bởi bộ thu sáng, chuyển đổi thành tín hiệu điện xuất ra ngoài.

 

Hình 4-1. Sơ đồ cấu trúc bộ mã hóa quang học.

Bộ phát ánh sáng (LED)

Loại đèn LED hồng ngoại thông thường được sử dụng làm bộ phát ánh sáng. Tuy nhiên để hạn chế sự phát tán của ánh sáng, những loại LED có bước sóng ngắn hơn cũng được sử dụng. Đối với các ứng dụng đòi hỏi tính năng và độ phân giải cao, người ta sử dụng diode laser với mức giá cao hơn.

Thấu kính (Lens)

Ánh sáng phát ra từ bộ phát sáng là ánh sáng phát tán không được định hướng, do đó cần sử dụng thấu kính lồi để biến nó thành ánh sáng định hướng song song.

Đĩa mã hóa (Code wheel)

Đĩa mã hóa là một đĩa tròn có các khe hở được khoan thủng trên đường kính để cho ánh sáng phát ra từ bộ phát sáng đi qua hoặc bị che khuất. Vật liệu sử dụng để sản xuất đĩa mã hóa bao gồm kim loại chịu được rung động và thời tiết cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp, nhựa giá rẻ được sử dụng để sản xuất đĩa mã hóa cho các ứng dụng dân dụng và thủy tinh được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi độ phân giải cao. Đôi khi, một khe cố định (Fixed Slit) được đặt trên vị trí đối diện với đĩa mã hóa để ánh sáng đi qua hoặc bị che khuất được rõ ràng hơn.

Bộ thu sáng (Photo sensor)

Bộ thu sáng photo sensor thường được sử dụng là các photodiode hoặc phototransistor được làm từ các vật liệu bán dẫn như silic (Si), germani (Ge), InGaP,...

4-2. Nguyên lý hoạt động của Encoder quang

1. Phân loại nguyên lý theo cấu tạo:

Encoder quang được phân thành 2 loại theo cấu tạo: "kiểu truyền qua" với nguồn sáng và cảm biến nhận sáng đặt đối diện nhau, tức về hai phía mặt của đĩa mã hóa, và "kiểu phản xạ" với nguồn sáng và cảm biến nhận sáng được bố trí trên cùng một mặt và sử dụng đĩa mã hóa để phản xạ ánh sáng.

Hình 4-2-1. Enconder quang kiểu truyền qua (trái) và kiểu phản xạ (phải)

Kiểu truyền qua:

Cảm biến nhận sáng phát hiện ánh sáng được phát ra từ nguồn sáng đi qua hoặc không đi qua các khe của đĩa mã hóa. Do đó, Encoder dạng này có ưu điểm là có thể tăng độ chính xác của tín hiệu và thiết kế cấu trúc đơn giản nên dễ dàng phát triển tính năng sản phẩm.

Kiểu phản xạ:

Cảm biến nhận sáng phát hiện ánh sáng được phản xạ từ đĩa mã hóa. Do đó, Encoder dạng này có ưu điểm là dễ dàng để thu gọn kích thước và hình dạng, và có thể sản xuất bằng cách xếp chồng lên nhau, giúp đơn giản hóa quá trình lắp ráp.

2. Phân loại theo định dạng tín hiệu điện đầu ra:

Nếu phân loại theo định dạng tín hiệu điện đầu ra, Encoder quang cũng được phân loại thành 2 loại: "kiểu tăng dần" (incremental) và "kiểu tuyệt đối" (absolute). Kiểu tăng dần xuất ra tín hiệu về sự thay đổi góc quay (hoặc khoảng cách di chuyển), trong khi kiểu tuyệt đối xuất ra tín hiệu về góc quay tuyệt đối của đĩa mã hóa. Chi tiết đã được trình bày trong bài viết số 3.

3. Nâng cao độ phân giải và độ chính xác

Để tăng độ phân giải, cần tăng số khe trên đĩa mã hóa để tăng độ chính xác. Tuy nhiên, để thu gọn kích thước và hình dạng của Encoder thì diện tích của mỗi khe trên đĩa cần được giảm nhỏ. Điều này đòi hỏi độ chính xác cao trong quá trình lắp ráp các linh kiện, do đó sẽ đến một giới hạn vật lý khi tăng độ phân giải của bộ mã hóa.

Để tăng độ phân giải hơn nữa, có thể sử dụng kỹ thuật nội suy điện trên tín hiệu của các pha A và B thay vì tín hiệu xung để tạo ra tín hiệu sóng sin giả. Kỹ thuật này được gọi là nội suy điện và giúp tăng độ phân giải và độ chính xác của encoder quang bằng cách tối ưu hoá cấu trúc của nguồn sáng, đĩa mã hóa, cảm biến nhận sáng và giảm thiểu méo hình dạng sóng sin giả.

Hình 4-2-2. Tín hiệu sóng sin giả (trên) và tín hiệu xung (dưới)

4-3. Đặc điểm và ứng dụng chính của Encoder quang

Encoder quang là loại Encoder sử dụng cảm biến quang phát hiện xem ánh sáng có thông qua khe nhỏ hay không, do đó nếu thiết kế hình dạng của khe nhỏ một cách khoa học có thể tăng độ chính xác và độ phân giải. Vì vậy, chúng được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển servo và motor trục rỗng, nơi yêu cầu độ chính xác cao. Bên cạnh đó, vì chúng không bị ảnh hưởng bởi trường từ trường xung quanh, nên chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng có từ trường mạnh. Vì lý do này, chúng được sử dụng trong các thiết bị sử dụng động cơ lớn.

Tổng kết

Encoder quang là loại Encoder phát hiện và chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thông qua khe nhỏ thành tín hiệu điện. So với Encoder từ, chúng dễ dàng tăng độ chính xác và độ phân giải và có thể được sử dụng trong các ứng dụng có từ trường mạnh. Ngoài ra, Encoder kiểu phản xạ rất dễ để thu nhỏ kích thước và sản xuất bằng phương pháp chồng lên lớp để đơn giản hóa quá trình lắp ráp.

Trong bài viết tiếp theo, chúng tôi sẽ giải thích về nguyên lý hoạt động và tính năng của Encoder từ.

Hẹn gặp lại!

 

Tác giả: Đinh Văn Hòa

Nguồn: https://www.akm.com