XT Mechanical Blog xin chào các bạn. Hôm nay chúng tôi sẽ giới thiệu bài viết số 5 trong chuỗi bài viết "Kiến thức cơ bản về Encoder". Trong bài trước, chúng tôi đã giới thiệu về Encoder quang. Ở bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động và tính năng của bộ mã hóa từ (Encoder từ).

Mục lục

5-1. Cấu tạo Encoder từ

5-2. Nguyên lý hoạt động của Encoder từ

Nào chúng ta hãy cùng bắt đầu.

5-1. Cấu tạo Encoder từ

Khi (thông tin) vị trí quay thay đổi trong từ trường, Encoder từ sẽ phát hiện, chuyển đổi thông tin đó thành tín hiệu điện và xuất thông tin đó đến bộ điều khiển. Encoder từ đơn giản nhất bao gồm một nam châm vĩnh cửu và một cảm biến từ. Nam châm vĩnh cửu được gắn vào trục động cơ, và một cảm biến từ được gắn cố định trên bảng mạch in (PCB) hoặc tương tự tại vị trí mà nó nhận được từ trường do nam châm vĩnh cửu tạo ra. Khi nam châm vĩnh cửu được gắn vào trục động cơ và quay theo, sự thay đổi và hướng của từ trường sẽ được cảm biến từ phát hiện, do đó có thể xác định vị trí quay và qua đó xác định được tốc độ quay của trục động cơ.

Hình 5-1. Sơ đồ cấu trúc đơn giản của encoder từ

Để giải thích về cách những thay đổi trong phân bố từ trường được chuyển đổi thành thông tin góc, chúng tôi sẽ đơn giản cấu trúc Encoder chỉ bao gồm một cảm biến từ được gọi là phần tử Hall và một nam châm vĩnh cửu (hình 5.1).

Cảm biến Hall

Cảm biến sử dụng phần tử Hall, là loại cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall để tạo ra điện áp tỷ lệ với cường độ của từ trường. Các phần tử Hall được sử dụng trong Encoder được làm bằng vật liệu bán dẫn mà chủ yếu hiện nay là các chất bán dẫn hỗn hợp như indi antimonide (InSb) có độ nhạy cao, gali arsenua (GaAs) với đặc tính nhiệt độ ổn định, indi arsenua (InAs) với độ nhạy và đặc tính nhiệt độ đều được cân bằng tốt, silicon (Si) có thể được gắn trên trên bản mạch của một IC. Ngoài ra, phần tử Hall có loại có thể phát hiện cường độ của từ trường theo hướng thẳng đứng và có loại có thể phát hiện cường độ của từ trường theo hướng nằm ngang.

Nam châm vĩnh cửu

Hình dạng của nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong Encoder thường có hình đĩa (hình đồng xu), được từ hóa theo hướng xuyên tâm hoặc hướng phẳng của đĩa, miễn là nó đáp ứng các điều kiện về mật độ từ thông cần thiết để hoạt động như một bộ mã hóa. Vật liệu và kích thước nam châm có thể được lựa chọn tùy vào đặc tính và ứng dụng của chúng. Ví dụ, chọn nam châm loại oxit samarium (SmCo) có đặc tính nhiệt độ tốt, nam châm loại neodymium (Ne-Fe-B) phù hợp để thu nhỏ và giảm trọng lượng, nam châm loại ferrite rẻ tiền...

Hình 5-2a Nam châm từ hóa hướng xuyên tâm	Hình 5-2b Nam châm bị từ hóa theo phương phẳng

Bố trí nam châm vĩnh cửu và phần tử Hall

Bố trí lý tưởng của các thành phần trong Encoder từ là sự căn chỉnh tâm của trục quay, nam châm vĩnh cửu và phần tử Hall nằm trên cùng một đường thẳng. Sự bố trí như vậy được gọi là bố trí Shaft-End. Tuy nhiên, ngay cả căn chỉnh Shaft-End thực sự cũng có sai số nhỏ gọi là "lệch trục". Nếu phần tử Hall bị lệch, cường độ của từ trường được phát hiện sẽ thay đổi, dẫn đến lỗi về độ chính xác của việc phát hiện góc. Tuy rất khó để loại bỏ hoàn toàn độ lệch trục, nhưng trong cách sắp xếp phần tử Hall được bố trí trong khu vực mà từ trường theo phương ngang và phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường theo phương nằm ngang là đồng nhất (hình 5-3a), nên dù có đặt lệch trục thì từ trường đưa vào phần tử Hall cũng không thay đổi nhiều. Do đó, có thể giảm sự xuất hiện của lỗi góc do lệch trục so với loại phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường theo phương thẳng đứng được sử dụng ở hình 5-3b.

Hình 5-3a Sự kết hợp giữa nam châm từ hóa hướng xuyên tâm và phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường theo hướng ngang	Hình 5-3b Sự kết hợp giữa nam châm từ hóa hướng xuyên tâm và phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường theo hướng thẳng đứng.

Tuy nhiên việc sử dụng nam châm từ hóa hướng tâm sẽ xuất hiện từ trường bị rò rỉ theo hướng bên cạnh và từ trường này ảnh hưởng xấu đến các thiết bị xung quanh. Nếu muốn làm yếu từ trường rò rỉ này thì có thể sử dụng một nam châm vĩnh cửu được từ hóa theo phương thẳng đứng. Tuy nhiên so với nam châm được từ hóa theo hướng xuyên tâm, diện tích từ trường đều theo hướng ngang hẹp hơn nên sai số góc do lệch trục tương đối lớn (hình 5-4a, b).

Hình 5-4a Sự kết hợp giữa nam châm được từ hóa theo hướng thẳng đứng và phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường theo hướng nằm ngang.	Hình 5-4b Sự kết hợp giữa nam châm được từ hóa theo hướng thẳng đứng và phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường theo hướng thẳng đứng.

Trên thực tế ngoài cách bố trí Shaft-End đã được giới thiệu, cũng có một cách bố trí mà các phần tử Hall được đặt ở những vị trí phía ngoài trục, gọi là cách bố trí Off-Axis, chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết về cách bố trí này ở những bài viết tiếp theo.

Từ đây trở đi để thống nhất, chúng ta sẽ sử dụng Encoder bao gồm một nam châm được từ hóa theo hướng xuyên tâm và phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường theo hướng ngang (hình 5-3a) để giải thích nguyên lý hoạt động.

5-2. Nguyên lý hoạt động của Encoder từ

Phần tử Hall phát hiện những thay đổi trong phân bố từ trường do chuyển động quay và chuyển chúng thành tín hiệu điện. Khi trục động cơ quay, từ trường do nam châm vĩnh cửu gắn vào đầu trục tạo ra sẽ quay (từ trường quay). Lúc này, vùng gần tâm trục quay quay với cường độ từ trường không đổi. Sự thay đổi trong phân bố từ trường này được phần tử Hall phát hiện và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Do phần tử Hall là một cảm biến từ chỉ có thể phát hiện cường độ của từ trường theo một hướng duy nhất, nên để phát hiện được vị trí quay, ngoài phần tử Hall dùng để phát hiện cường độ từ trường Bx theo thành phần trục X cần có thêm 1 phần tử Hall để phát hiện cường độ từ trường By theo thành phần trục Y (Hình 5-5a, b).

Hình 5-5a Sơ đồ cấu trúc của Encoder (cách bố trí Shaft-End)	Hình 5-5b Cường độ từ trường được phát hiện bởi phần tử Hall

Chuyển đổi tín hiệu điện của phần tử Hall thành thông tin góc

Hình 5-6a Từ trường trục X: Bx và từ trường trục Y: By	Hình 5-6b Hình Lissajous về cường độ từ trường

Thông tin từ trường của các thành phần trục X và trục Y (hình 5-6a) được chuyển đổi thành tín hiệu điện bởi phần tử Hall được bộ chuyển đổi AD (Analog to Digital) chuyển đổi thành tín hiệu số, gửi đến mạch số học và được chuyển đổi thành thông tin góc bằng các hàm lượng giác. Hình phẳng thu được bằng cách tổng hợp thành phần trục X và thành phần trục Y trực giao với nhau được gọi là hình Lissajous (hay dạng sóng Lissajous), do đó hình Lissajous vẽ được một vòng tròn (hình 5-6b). Do đó, kết quả góc đầu ra được chuyển đổi bằng hàm lượng giác có sai số bằng 0. Ngoài ra, ngay cả khi trục của phần tử Hall phát hiện cường độ từ trường theo hướng nằm ngang lệch trục thì từ trường đầu vào không thay đổi nhiều nên sai số trong kết quả góc đầu ra là nhỏ.

Giả sử thành phần trục X là Bx và thành phần trục Y là By, góc quay θ có thể thu được dưới dạng góc tuyệt đối bằng cách tính toán arctan(By/Bx) và có thể xuất ra bằng phương pháp tuyệt đối được giới thiệu ở bài viết số 3 . Nói cách khác, Encoder từ về cơ bản là bộ mã hóa góc tuyệt đối. Ngoài ra, bằng cách chuyển đổi thông tin góc tuyệt đối thành thông tin pha A, pha B và pha Z, có thể xuất ra dưới dạng tín hiệu xung trong phương pháp tương đối/phương pháp giả tuyệt đối. Lúc này, nếu độ phân giải của thông tin góc tuyệt đối đủ cao thì có thể xuất ra tín hiệu xung với độ phân giải tùy ý như 360ppr, 1000ppr, 2500ppr, 4000ppr.

IC cảm biến góc quay

IC cảm biến góc quay là một linh kiện điện tử kết hợp tất cả các thành phần cần thiết cho một Encoder từ, như phần tử Hall, bộ chuyển đổi AD và mạch số học. Encoder từ nhỏ gọn có thể được sản xuất với cấu hình rất đơn giản bao gồm IC cảm biến góc quay và nam châm vĩnh cửu, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tiêu dùng, công nghiệp và ô tô…

5-3. Tính năng và ứng dụng chính của Encoder từ

Encoder từ phát hiện những thay đổi trong từ trường nên nó có khả năng chống chịu môi trường như bụi, dầu và nước tốt. Vì vậy, nó thích hợp sử dụng trong các máy may công nghiệp được sử dụng trong môi trường có nhiều xơ vải, máy công cụ được sử dụng trong môi trường cắt dầu và nước...

Ngoài ra, như đã giải thích ở nguyên lý hoạt động ở trên, nó còn có ưu điểm là có thể chế tạo được bộ mã hóa xuất ra góc tuyệt đối với cấu hình rất đơn giản gồm IC cảm biến góc quay và nam châm vĩnh cửu. Vì vậy, nó phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và độ tin cậy cao. Ví dụ, nó được sử dụng trong các máy công cụ sử dụng động cơ đường kính nhỏ và các máy tự động hóa nhà máy (FA) đòi hỏi độ bền.

Nhìn chung, Encoder quang được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và độ phân giải cao, trong khi Encoder từ được sử dụng cho các ứng dụng chú trọng đến khả năng chống chịu môi trường, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và độ tin cậy cao. Các bộ Encoder từ mới nhất đã cải thiện độ chính xác và độ phân giải, đồng thời tương thích với các trục xuyên rỗng, do đó Encoder từ đang bắt đầu được sử dụng thay thế cho Encoder quang.

Tổng kết

• Encoder từ phát hiện thông tin vị trí quay khi có sự thay đổi trong từ trường, chuyển đổi nó thành tín hiệu điện và xuất ra.
• Encoder từ được bố trí Shaft-End, kết hợp một nam châm từ hóa hướng xuyên tâm và phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường theo hướng ngang để có khả năng chống lệch trục tốt.
• Encoder từ được sử dụng cho các ứng dụng chú trọng đến khả năng chống chịu môi trường, kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ cũng như độ tin cậy cao.
• Encoder từ đang bắt đầu được sử dụng ngay cả ở những nơi sử dụng Encoder quang vì độ chính xác và độ phân giải của chúng được cải thiện và chúng có thể được sử dụng với các trục rỗng.

Tiếp nối nội dung của bài viết này, trong bài viết tiếp theo chúng tôi sẽ giải thích về sai số góc của Encoder từ.

Hẹn gặp lại!

 

Tác giả: Đinh Văn Hòa

Nguồn: https://www.akm.com/jp/ja/products/rotation-angle-sensor/tutorial/magnetic-encoder/