Bộ mã hóa vòng quay là một thiết bị cơ điện được sử dụng để giám sát các vật thể quay như trục và trục. Bộ mã hóa quay có thể được sử dụng để đo vị trí, khoảng cách và vận tốc góc của trục quay.
Có hai loại bộ mã hóa quay: bộ mã hóa quay tăng dần và bộ mã hóa quay tuyệt đối. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét bộ mã hóa quay tuyệt đối, nguyên lý làm việc và ứng dụng của chúng.
Bộ mã hóa quay tuyệt đối là gì?
Bộ mã hóa quay tuyệt đối thuộc họ bộ mã hóa quay. Chúng được sử dụng để đo các thông số sau của các vật thể quay như trục hoặc trục:
- Vận tốc góc
- Thông tin vị trí
- Khoảng cách
Bộ mã hóa quay tuyệt đối được tìm thấy trong các ứng dụng yêu cầu phép đo chính xác vị trí và độ dịch chuyển góc. Các cảm biến này cũng tìm thấy các ứng dụng của chúng trong các hệ thống cần đo tốc độ quay.
Các cảm biến này tạo ra một từ duy nhất (một từ là tập hợp các bit) theo vị trí hiện tại của cảm biến.
Điều này khác với các bộ mã hóa quay tăng dần vì các bộ mã hóa tăng dần được thiết kế để xuất ra một dòng xung liên tục ở khắp mọi nơi trong khi bộ mã hóa tuyệt đối xuất ra một tập hợp các bit duy nhất cho mỗi vị trí của cảm biến.
Điều này cho phép chúng tôi đo lường vị trí chính xác (tuyệt đối) của trục thay vì tính toán thay đổi vị trí.
Hãy cùng tìm hiểu sâu về cách hoạt động của bộ mã hóa quay tuyệt đối.
Nguyên tắc làm việc của bộ mã hóa quay tuyệt đối
Các bộ mã hóa quay tuyệt đối, khi được so sánh với các bộ mã hóa quay tăng dần, hoạt động hơi phức tạp, nhưng đơn giản để sử dụng trong một ứng dụng.
Tương tự như các bộ mã hóa quay tăng dần, các bộ mã hóa tuyệt đối cũng có một trục quay gắn với cảm biến. Trục được kết nối với một đĩa bằng một bộ rãnh được đặt cẩn thận. Bánh xe này còn được gọi là 'bánh xe mã'.
Bánh mã có một mẫu bit độc đáo. Không giống như các bộ mã hóa gia tăng trong đó tất cả các vị trí được đặt trong một mô hình lặp lại, các vị trí của bộ mã hóa tuyệt đối của bộ mã hóa tuyệt đối khác với nhau.
Khi trục quay, bánh mã cũng quay cùng với nó. Có một bộ đèn LED phát ra chùm ánh sáng vào bánh mã. Khi chùm ánh sáng thẳng hàng với các khe, các chùm sáng đi qua bánh mã, khe cố định và chiếu sáng các quang trở.
Có những bộ mã hóa tuyệt đối từ tính thay thế mảng LED bằng mảng cảm biến từ tính và một bộ cực từ thay thế các điểm đánh dấu quang học.
Mỗi phototransistor hoạt động độc lập và khi được chiếu sáng, chúng xuất ra tín hiệu logic CAO. Khi không có chùm tia nào hiện diện tại một phototransistor cụ thể, nó sẽ xuất ra mức logic LOW.
Số lượng phototransistor và mức độ của các khe được khắc trong bánh mã xác định độ chính xác và độ phân giải của bộ mã hóa quay tuyệt đối.
Điều này thường được nêu trong bit. Ví dụ, một bộ mã hóa tuyệt đối có độ phân giải 8 bit có thể cung cấp thông tin 256 vị trí và có thể đo các dịch chuyển góc của gia số 1.41 độ.
Tùy thuộc vào loại bộ mã hóa tuyệt đối và cấu trúc của nó, có nhiều cấu hình đầu ra có sẵn:
- Đầu ra song song
- Loại cảm biến này có nhiều đường ra cung cấp thông tin vị trí. Ví dụ, một cảm biến đầu ra song song 8 bit có 8 đường tín hiệu và hai dây cấp nguồn. Đầu ra có thể được mã hóa trong nhị phân or mã màu xám định dạng.
- Cảm biến đầu ra song song có số lượng mạch tích hợp rất tối thiểu vì nó không liên quan đến nhiều quá trình xử lý.
- Đầu ra nối tiếp
- Bộ mã hóa tuyệt đối đầu ra nối tiếp xuất ra thông tin vị trí và tốc độ thông qua một giao thức truyền dữ liệu đồng bộ.
- Các cảm biến đầu ra nối tiếp có dữ liệu và đường xung nhịp, và xuất ra một bit cho mỗi xung đồng hồ. Các cảm biến này cũng có định dạng đầu ra được mã hóa nhị phân hoặc màu xám.
- Để tăng khả năng chống nhiễu, cảm biến loại đầu ra nối tiếp sử dụng giao tiếp cặp vi sai theo Tiêu chuẩn RS-422. Một cặp cho mỗi đồng hồ và một cặp cho các dòng dữ liệu.
- Hầu hết các phương pháp giao tiếp đồng bộ phổ biến cho bộ mã hóa tuyệt đối là SSI: Giao diện nối tiếp đồng bộ, BiSS: Giao diện nối tiếp đồng bộ hai chiều và DSL Hiperface. Ngoài ra còn có các giao diện độc quyền như EnDat2.2.
- Đầu ra analog
- Cảm biến đầu ra tương tự xuất ra một giá trị điện áp hoặc dòng điện tùy thuộc vào vị trí của cảm biến.
Ưu điểm của bộ mã hóa tuyệt đối
Các bộ mã hóa tuyệt đối, mặc dù chi phí cao hơn một chút nhưng có nhiều lợi thế về cảm biến vị trí:
- Đưa ra vị trí tuyệt đối của trục
- Khi được 'thăm dò', bộ mã hóa tuyệt đối xuất ra thông tin vị trí duy nhất liên quan đến vị trí hiện tại của nó. Điều này có nghĩa là không có hai vị trí của trục trong một chuyển động quay 360 độ là giống hệt nhau.
- Nhiều tùy chọn đầu ra
- Bộ mã hóa tuyệt đối có nhiều loại đầu ra: song song, nối tiếp (giao thức tiêu chuẩn và độc quyền)
- Miễn nhiễm với sự cố mất điện
- Bộ mã hóa tuyệt đối không bị lỗi nguồn. Họ luôn sẵn sàng cung cấp thông tin định vị ngay sau một chu kỳ điện.
- Độ phân giải cao
- Chỉ cần tăng số lượng bản mã hóa và đơn vị cảm biến, bộ mã hóa tuyệt đối có thể có độ phân giải cao hơn nhiều so với bộ mã hóa gia tăng.
Bộ mã hóa tăng dần so với tuyệt đối
Sự khác biệt chính giữa bộ mã hóa tuyệt đối và bộ mã hóa gia tăng là hoạt động của chúng. Bộ mã hóa tuyệt đối có thể cung cấp thông tin vị trí ngay cả khi trục không quay.
Bộ mã hóa tăng dần chỉ có thể cung cấp xung khi trục quay. Cần tiến hành đếm xung riêng biệt để xác định vị trí và khoảng cách tương đối.
Bộ mã hóa tăng dần phải có một điểm đánh dấu 'homing' riêng biệt để xác định vị trí ban đầu / tham chiếu của trục. Tuy nhiên, các bộ mã hóa tuyệt đối không cần bổ sung như vậy và có thể cung cấp một vị trí ngay lập tức cho trục nhà.
Điều này có thể rất hữu ích trong các ứng dụng mà việc xoay trục để có được vị trí 'nhà' là không mong muốn.
Bộ mã hóa tăng dần yêu cầu các mô-đun bộ giải mã tốc độ cao đặc biệt để có được thông tin về tốc độ, vị trí và khoảng cách. Điều này hạn chế sự tích hợp với các thiết bị điện tử không phải là PLC và vi điều khiển. Đôi khi chi phí xử lý cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của hệ thống.
Cảm biến tuyệt đối có độ phân giải tổng thể cao hơn so với các cảm biến tăng dần. Độ phân giải của bộ mã hóa gia tăng bị giới hạn ở kích thước vật lý của đĩa và đáp tuyến tần số của hệ thống.
Các bộ mã hóa tuyệt đối luôn sẵn sàng cung cấp thông tin vị trí theo yêu cầu, trong khi các bộ mã hóa gia tăng cần được theo dõi liên tục để thu được kênh xung và tính toán tốc độ, hướng và khoảng cách hiện tại. Do đó, các bộ mã hóa tuyệt đối có thể khôi phục sau sự cố mất điện một cách dễ dàng.
Ứng dụng mã hóa tuyệt đối
Bộ mã hóa tuyệt đối chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng định vị có độ chính xác cao như,
- Máy CNC nhiều trục (lắp ráp và sản xuất)
- Cánh tay robot (robot phẫu thuật, chẩn đoán hình ảnh)
- Hệ thống định vị của thang máy
- Ứng dụng in ấn
- Ngành công nghiệp ô tô thể thao (hệ thống lái bằng dây) và nhiều ngành khác.
Đầu ra bộ mã hóa tuyệt đối
Bộ mã hóa tuyệt đối xuất ra một tập hợp các bit được gọi là 'một từ' cho mỗi vị trí của trục. Có ba loại đầu ra cho bộ mã hóa tuyệt đối: song song, nối tiếp và tương tự.
Bộ mã hóa đầu ra song song có n-số dây (n = số bit (độ phân giải)) xuất ra các bit tương ứng của từ. Hình bên dưới cho thấy đầu ra bộ mã hóa tuyệt đối từ 6 bit. Từ đầu ra có thể là mã xám or nhị phân định dạng.
Bộ mã hóa đầu ra nối tiếp xuất ra một luồng dữ liệu khi được 'thăm dò'. Cảm biến được tích hợp sẵn mạch xử lý tín hiệu dựa trên vi điều khiển. Có các hệ thống bus nối tiếp như SSI, BiSS, EnDat, Modbus và Profibus cho phép thiết bị được hỗ trợ giao tiếp với cảm biến.
Cảm biến đầu ra tương tự xuất ra tín hiệu điện áp hoặc dòng điện tùy thuộc vào vị trí của cảm biến.
Các loại mã hóa tuyệt đối
Các bộ mã hóa tuyệt đối có thể được phân loại dựa trên công nghệ cảm biến như quang học và từ tính. Sử dụng bộ mã hóa quang học ánh sáng nhìn thấy (đèn LED) và bánh mã có rãnh.
Sử dụng bộ mã hóa từ tính cực từ và mảng cảm biến từ tính để có được vị trí hiện tại của bánh mã.
Cách phân loại khác dựa trên loại đầu ra. Có bộ mã hóa tuyệt đối một lượt và nhiều lượt. Bộ mã hóa tuyệt đối một lượt chỉ có thể cung cấp thông tin định vị trong một lượt 260 độ.
Bộ mã hóa nhiều lượt cung cấp dữ liệu bổ sung cung cấp số lượt 360 độ mà trục đã quay. Điều này giúp xác định số lần quay mà không cần phải đếm từ đầu.
Bộ mã hóa tuyệt đối một lượt so với nhiều lượt
Tùy thuộc vào tính khả dụng của một chức năng đặc biệt để đếm số vòng quay, có hai loại bộ mã hóa tuyệt đối: Bộ mã hóa tuyệt đối một lượt và nhiều lượt.
Bộ mã hóa tuyệt đối một lượt có thể đo vị trí trong một lượt quay.
Ví dụ: nếu bộ mã hóa tuyệt đối một lượt quay 360 độ từ vị trí ban đầu và đạt đến độ quay thứ 361, thì bộ cảm biến sẽ bắt đầu xuất lại từ đầu. Nó sẽ chỉ ra vị trí là 1 độ.
Các cảm biến này không thể đếm hoặc cung cấp một tín hiệu đặc biệt khi vòng quay vượt quá một vòng quay đầy đủ. Ví dụ, Bộ cảm biến dòng 845G của Allen Bradley có đầu ra 12 bit, 0 là tối thiểu và 4095 là vị trí tối đa. Khi nó đạt đến 4096, đầu ra đạt đến 0.
Bộ mã hóa tuyệt đối một lượt được tìm thấy trong các ứng dụng như:
- Kính thiên văn
- Ăng ten quay
- Máy phát điện tuabin gió
- Cổng / Cửa ra vào
Bộ mã hóa một lượt chỉ thiếu tính năng đếm vòng quay và có thể được sử dụng để đo tốc độ và vị trí. Nếu cần, vị trí ban đầu có thể được sử dụng làm tham chiếu và phương pháp phần mềm có thể được sử dụng để đếm số vòng quay gần đúng.
Mặt khác, bộ mã hóa tuyệt đối nhiều lần quay cũng có thể đếm số vòng quay. Ví dụ: một bộ mã hóa tuyệt đối đa vòng 12 bit có 4096 bước cho mỗi vòng quay và cũng có thể đếm 4096 vòng quay. Bộ mã hóa nhiều lượt sử dụng một trong các công nghệ sau để giữ lại số vòng quay:
- Loại bánh răng
- Bộ mã hóa hộp số sử dụng một bộ bánh răng hành tinh để theo dõi số vòng quay. Những loại này có một nhược điểm là bị mài mòn cơ học theo thời gian.
- Loại dự phòng pin
- Loại này sử dụng bộ đếm điện tử và bộ nhớ để lưu thông tin bộ đếm. Chúng có thể đếm số vòng quay ngay cả khi tắt nguồn. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, pin được tích hợp sẵn trong cảm biến. Có thể phải thay thế tùy theo tần suất sử dụng.
- Loại cảm biến Wiegand
- Wiegand-cảm biến loại dây sử dụng dây quấn đặc biệt gần trục và sử dụng xung từ trường để kích hoạt sự thay đổi cực. Thay đổi này xảy ra sau mỗi cuộc cách mạng hoàn thành. Công tắc này được sử dụng để đếm số vòng quay.
Bộ mã hóa nhiều lượt được tìm thấy trong các ứng dụng như,
- Khớp rô bốt
- Cần cẩu
- Động cơ Servo (360 servo)
- Hệ thống kiểm soát đĩa vệ tinh và nhiều hệ thống khác trong đó không thể truy cập / có sẵn điểm trục quay.
Bộ mã hóa tuyệt đối từ tính là gì?
Bộ mã hóa tuyệt đối từ tính sử dụng cực từ và cảm biến từ tính thay vì đèn LED và điốt quang được tìm thấy trong bộ mã hóa quang học. Hình ảnh dưới đây cho thấy một ví dụ về bánh xe bộ mã hóa từ tính được mã hóa tuyệt đối.
Cách bố trí cực ngoài có một cực từ nhiều hơn cách bố trí bên trong. Điều này làm cho các cặp cực bên trong và bên ngoài được bù trừ duy nhất.
Các cảm biến nhận tín hiệu từ một cực trên mỗi bánh xe tại một thời điểm và tính toán độ lệch pha của chúng (lệch pha). Độ lệch pha tương tự này sau đó được chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số để đưa ra đầu ra.
Bộ mã hóa từ tính rất mạnh mẽ và có khả năng chống sốc và rung động.
Họ tìm thấy các ứng dụng của chúng trong môi trường có thể tích tụ các hạt ô nhiễm như bụi, độ ẩm và các hạt vật chất khác. Tuy nhiên, do nguyên lý hoạt động của chúng, các bộ mã hóa từ tính rất dễ bị gián đoạn do từ trường mạnh gây ra.
Giao diện một bộ mã hóa tuyệt đối với Raspberry Pi
Mặc dù việc kết nối bộ mã hóa tuyệt đối với Raspberry Pi có thể đơn giản nhưng chương trình để đọc đúng các đầu vào có thể trở nên phức tạp một chút tùy thuộc vào loại cảm biến. Hãy cùng xem cách giao tiếp bộ mã hóa tuyệt đối loại đầu ra nối tiếp (EMS22A) với Raspberry Pi.
Đấu dây cảm biến
Cảm biến có định dạng dây sau:
Kết nối các dây của cảm biến như sau với Raspberry Pi:
- Chân 2 (CLK) -> Chân RPi 2
- Chân 4 (DO) -> Chân RPi 3 (nếu sử dụng nhiều cảm biến, hãy kết nối chân dữ liệu của cảm biến thứ hai với chân 14)
- Chân 6 (CS) -> Chân RPi 4
- Chân VCC -> RPi + 5V
- GND -> RPi GND pin
Mã mẫu
Để thăm dò thông tin từ cảm biến, mã mẫu sau được viết bởi HareshKarnan có thể được sử dụng. Nó sẽ in (các) số đọc từ cảm biến đi kèm khi được thực thi.
import time
import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
PIN_CLK = 2
PIN_DAT = [3,14]
PIN_CS = 4
delay = 0.0000005
ns = 2 # number of sensors attached
# totally 10 bits to be extracted from SSI signal
bitcount = 16
# pin setup done here
try:
GPIO.setup(PIN_CLK,GPIO.OUT)
GPIO.setup(PIN_DAT[:],GPIO.IN)
GPIO.setup(PIN_CS,GPIO.OUT)
GPIO.output(PIN_CS,1)
GPIO.output(PIN_CLK,1)
except:
print "ERROR. Unable to setup the configuration requested"
#wait some time to start
time.sleep(0.5)
print "GPIO configuration enabled"
def clockup():
GPIO.output(PIN_CLK,1)
def clockdown():
GPIO.output(PIN_CLK,0)
def MSB():
# Most Significant Bit
clockdown()
def readpos():
GPIO.output(PIN_CS,0)
time.sleep(delay*2)
MSB()
data = [0]*ns
for i in range(0,bitcount):
if i<10:
#print i
clockup()
for j in range(0,ns):
data[j]<<=1
data[j]|=GPIO.input(PIN_DAT[j])
clockdown()
else:
for k in range(0,6):
clockup()
clockdown()
GPIO.output(PIN_CS,1)
return data
try:
while(1):
print readpos()
time.sleep(0.001)
#break
finally:
print "cleaning up GPIO"
GPIO.cleanup()
Giá bộ mã hóa tuyệt đối
Giá bộ mã hóa quay tuyệt đối thay đổi từ $ 10-15 đến hơn $ 1000. Điều này chủ yếu là do các tính năng có sẵn, độ phân giải, loại đầu ra và giao thức đang được sử dụng. Các cảm biến độc quyền, có độ phân giải cao có xu hướng đắt hơn các loại cảm biến đầu ra đơn giản, song song có thể được mua với chi phí thấp hơn.
Kết luận
Bộ mã hóa quay được sử dụng để theo dõi các thành phần cơ học đang quay như trục và thanh. Bộ mã hóa tuyệt đối và bộ mã hóa gia tăng là hai loại bộ mã hóa quay.
Có những thiết bị giao diện bộ mã hóa đặc biệt có thể đọc đầu vào thô của bộ mã hóa quay và xuất thông tin về tốc độ, vị trí và khoảng cách tới máy tính.
Các bộ mã hóa được hỗ trợ cũng có thể được kết nối trực tiếp với PLC và các máy tính khác để lấy các giá trị thô và thực hiện các phép tính trong phần mềm.
