XT Mechanical Blog xin chào các bạn. Hôm nay chúng tôi sẽ giới thiệu bài viết số 7, cũng là bài viết cuối cùng trong chuỗi bài viết "Kiến thức cơ bản về Encoder". Nối tiếp nội dung bài viết trước về sai số góc, ở bài viết này chúng tôi sẽ đề cập tới một dạng Encoder từ có cách sắp xếp ngoài trục off-axis.

Mục lục

7-1. Cấu tạo của Encoder từ off-axis

7-2. Nguyên lý hoạt động của Encoder từ off-axis

7-3. Tính năng và ứng dụng của Encoder từ off-axis

Nào chúng ta hãy cùng bắt đầu.

---

Ở bài viết số 5, nguyên lý hoạt động và tính năng của Encoder từ, chúng tôi đã giới thiệu cấu hình shaft-end: trong đó trục quay, nam châm vĩnh cửu và tâm phần tử Hall được căn chỉnh trên cùng một đường thẳng, là cấu hình lý tưởng cho Encoder từ. Về mặt lý thuyết, đồ thị Lissajous trở thành một hình tròn hoàn hảo và sai số phát hiện góc bằng không. Mặt khác, trong cách bố trí shaft-end, bộ mã hóa (IC) chiếm vị trí “đắc địa” ở tâm trục quay, điều này có nhược điểm về mặt cơ học là không thể sử dụng đầu trục quay này cho các mục đích khác. Để tránh vấn đề này, một phương pháp là cố tình đặt IC ra khỏi tâm của trục quay, để đầu trục quay tự do. Kiểu sắp xếp này được gọi là sắp xếp ngoài trục off-axis

.

Hình 7-1. Sơ đồ cấu trúc của Encoder từ với cách sắp xếp ngoài trục off-axis

7-1. Cấu tạo của Encoder từ off-axis

Ở bài viết số 5, chúng tôi đã giới thiệu các khái niệm về cảm biến (phần tử) Hall, nam châm vĩnh cửu. Ngoài ra, có hai loại phần tử Hall: một loại có thể phát hiện cường độ từ trường theo phương thẳng đứng và loại còn lại có thể phát hiện cường độ từ trường theo phương ngang. Trong cách sắp xếp off-axis, loại có thể phát hiện hướng của từ trường theo phương ngang được sử dụng. Và để đầu trục được tự do thì nam châm được sử dụng cũng phải là dạng hình vòng (hình 7-2).

Hình 7-2. Nam châm vĩnh cửu hình vòng từ hóa hướng tâm

Cách bố trí phần tử Hall và nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu hình vòng được siết chặt vào trục quay qua lỗ. Khác với cách bố trí shaft-end, trong bất kì trường hợp nào mà phần tử Hall được cố ý dịch chuyển khỏi tâm của trục quay đều được định nghĩa là sự sắp xếp off-axis. Để tiện giải thích thì chúng ta sẽ sử dụng cách bố trí như hình 7-3, trong đó phần tử Hall phát hiện cường độ của từ trường ngang được đặt bên cạnh nam châm vòng. Ưu điểm cơ học của cách bố trí off-axis không chỉ là đầu của trục quay có thể được giải phóng mà còn có thể làm kích thước Encoder “mỏng” hơn và trục quay có thể được chế tạo thành trục rỗng để tiết kiệm không gian bằng cách đưa dầu cắt (trong các máy công cụ) và dây cáp vào bên trong.

Hình 7-3. Encoder từ với cách sắp xếp off-axis

7-2. Nguyên lý hoạt động của Encoder từ off-axis

Thay đổi phân bố từ trường do chuyển động quay

Khi trục động cơ quay, từ trường được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu gắn ở đầu trục sẽ quay. Lúc này, cường độ từ trường ở vùng gần tâm trục quay là không đổi và quay theo. Những thay đổi trong phân bố từ trường này được  phần tử Hall phát hiện và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Phần tử Hall là cảm biến từ chỉ có thể phát hiện cường độ từ trường theo một hướng duy nhất nên để phát hiện vị trí quay cần sử dụng một phần tử Hall để phát hiện cường độ Bx của thành phần trục X và một phần tử Hall khác để phát hiện cường độ By của thành phần trục Y của từ trường.

θ = 0°	θ = 45°	θ = 90°	θ = 135°	θ = 180°

Hình 7-4. Từ trường đầu vào phần tử Hall trong cách sắp xếp off-axis

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

Thông tin từ trường trục X và trục Y được phần tử Hall chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi AD (tương tự - số), và sau đó được gửi đến mạch số học, nơi nó được chuyển đổi thành thông tin góc bằng các hàm lượng giác. Bằng cách kết hợp các thành phần trục X và trục Y trực giao với nhau ta thu được hình Lissajous. Nhưng trong cách sắp xếp off-axis, hình Lissajous thu được là  một hình elip bị biến dạng đáng kể. Điều này là do cường độ và hướng của từ trường thay đổi cùng lúc với nam châm vòng quay bên cạnh nó và góc quay của nam châm vòng không khớp với hướng của từ trường đầu vào phần tử Hall. Nếu thành phần trục X là Bx và thành phần trục Y là By, thì góc quay θ có thể được tính dưới dạng góc tuyệt đối bằng cách tính arctan (By/Bx), nhưng do hình Lissajous bị biến dạng nên góc quay θ tính được sẽ bao gồm sai số góc trong đó.

Hình 7-5a. Từ trường Bx và By	Hình 7-5b. Hình Lissajous

Hiệu chỉnh thông tin góc của phần tử Hall

Trong các bài toán điều khiển động cơ, sẽ rất tệ nếu góc quay θ có sai số góc lớn, vì vậy việc hiệu chỉnh hết sức cần thiết. Có hai loại phương pháp hiệu chỉnh. Một là tạo trước một bảng góc quay θ và góc thực, sau đó thực hiện phép nội suy tuyến tính trong khi tham khảo thông tin trong bảng. Hai  là tính toán trước các tham số hiệu chỉnh từ thông tin về thành phần sai số có trong góc quay θ, sau đó loại bỏ sai số góc bằng cách hiệu chỉnh sao cho hình Lissajous trở thành một hình tròn hoàn hảo.

Điểm chung của cả hai phương pháp là trong công việc hiệu chỉnh, trước khi thực hiện tính toán hiệu chỉnh, cần có thông tin góc thực (= thông tin tham chiếu) để tìm ra sai số trong góc quay θ.

Hình 7-6. Hiệu chỉnh đường Lissajous thành hình tròn

7-3. Tính năng và ứng dụng của Encoder từ off-axis

Vì Encoder từ được thiết kế để phát hiện những thay đổi trong từ trường nên chúng có khả năng chống chịu môi trường tốt như chống lại các chất ô nhiễm, bụi, dầu và nước. Vì vậy, nó thích hợp sử dụng trong môi trường có nhiều bụi bẩn. Hơn nữa, ưu điểm cơ học của cách bố trí off-axis là đầu trục quay tự do nên được sử dụng trong các động cơ chính của máy may công nghiệp và động cơ có phanh điện từ. Ngoài ra, nó phù hợp cho các ứng dụng trong đó trục quay là trục rỗng để dầu cắt hoặc cáp được truyền qua nó. Vì vậy nó được sử dụng trong động cơ trục chính của máy công cụ và cánh tay robot.

Bài viết hôm nay cũng là bài viết cuối cùng kết thúc chuỗi bài viết "Kiến thức cơ bản về Encoder". Chúng tôi hi vọng qua chuỗi bài viết, bạn đọc có thể cơ bản nắm bắt được phân loại, cấu trúc, nguyên lý và ứng dụng của từng loại Encoder hiện nay. Mọi đóng góp về nội dung bạn đọc vui lòng để lại bình luận phía dưới. Hẹn gặp lại!

 

Tác giả: Đinh Văn Hòa

Nguồn: https://www.akm.com