Nêu đặc điểm và so sánh về 3 loại cảm biến Encoder, Resolver, Tacho sensor 1 Encoder Encoder hay còn gọi là Bộ mã hóa quay hoặc bộ mã hóa trục, là một thiết bị điện chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục thành tín hiệu đầu ra analog hoặc kỹ thuật số. Encoder được dùng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ… của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục. Encoder được sử dụng trong ứng dụng cắt, máy vẽ và đặc biệt là bộ phận quan trọng trong sơ đồ cấu tạo của máy CNC. Encoder được dùng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ,…của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục. Thường được lắp đặt ở các vị trí:
ĐỀ TÀI: Nêu đặc điểm so sánh loại cảm biến : Encoder, Resolver, Tacho sensor Encoder: 1.1 Khái niệm: Encoder hay cịn gọi Bộ mã hóa quay mã hóa trục, thiết bị điện chuyển đổi vị trí góc chuyển động trục thành tín hiệu đầu analog kỹ thuật số Encoder dùng để phát vị trí, hướng di chuyển, tốc độ… động cách đếm số vòng quay trục Encoder sử dụng ứng dụng cắt, máy vẽ đặc biệt phận quan trọng sơ đồ cấu tạo máy CNC Encoder dùng để phát vị trí, hướng di chuyển, tốc độ,…của động cách đếm số vòng quay trục Thường lắp đặt vị trí: • • • Sau động servo Gắn trục động Linear, ứng dụng cho chuyển động tịnh tiến Gắn băng tải Đơn vị để đánh giá encoder thường số xung/vòng 1.2 Cấu tạo chung Encoder – Một đĩa quay khoét lỗ gắn vào trục động Trên đĩa đục lỗ (rãnh), đĩa quay chiếu đèn led lên mặt đĩa có ngắt quãng xảy Các rãnh đĩa chia vòng trịn 360o thành góc Và đĩa có nhiều dãy rãnh tính từ tâm trịn - Một đèn led dùng để làm nguồn phát sáng - Một cảm biến quang (photo sensor) xếp thẳng hàng - Bảng mạch khuếch đại tín hiệu 1.3 Nguyên lý hoạt động chung Khi đĩa quay quanh trục, đĩa có rãnh để tín hiệu quang chiếu qua Chỗ có rãnh ánh sáng xun qua được, chỗ khơng có rãnh ánh sáng khơngxun qua Với tín hiệu ánh sáng có/khơng làm cho cảm biến thu ánh sáng bật/tắt liên tục, từ tạo tín hiệu dạng xung vng, tín hiệu dạng xung truyền xử lý trung tâm để đo đạc, xác định vị trí/tốc độ động thông qua thay đổi tần số xung Số xung Encoder quy ước số lần ánh sáng chiếu qua khe Ví dụ đĩa có 1000 khe vịng quay, encoder đếm 1000 tín hiệu Đây nguyên lý hoạt động loại Encoder bản, với nhiều chủng loại khác đương nhiên đĩa quay có nhiều lỗ tín hiệu thu nhận khác Encoder loại phổ biến thường có dạng xung A,B,Z Trong đó, A,B có số xung theo độ phân giải encoder, cịn pha Z có độ phân giải xung/vịng Giả sử ta xét với tín hiệu cạnh lên xung A Khi phát sườn lên xung A tức động quay góc 360/2n độ Để xác định chiều quay ta dựa vào vị trí tương đối xung A với xung B Do khe xung A xung B đặt lệch nên phát xung sườn lên xung A mà tín hiệu xung B mức chiều quay quay thuận, giá trị ghi mạch điều khiển tăng lên Ngược lại, tín hiệu xung B mức động quay ngược Xung Z thiết kế để xác định điểm “zero” roto mà xảy tượng điện loại encoder tương đối xác định vị trí ban đầu Cịn encoder tuyệt đối khơng cần đọc trực tiếp mã bit tương ứng góc quay 1.4 Ưu nhược điểm • Ưu điểm: giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả dễ dàng • Nhược điểm: dễ bị sai lệch xung trả Sẽ tích lũy sai số hoạt động lâu dài 1.5 Ứng dụng • Trong máy CNC, encoder dùng để gia cơng khí hồn tồn tự động Điều khiển xác định góc quay dao bàn gá, hiển thị máy tính đường thẳng góc độ • Trong robot tự động, encoder dùng để xác định tọa độ cánh tay robot Ngồi ra, encoder cịn gặp thang máy, máy cán tôn, máy cắt thép, máy dán tem sản phẩm, băng tải băng chuyền 1.6 Phân loại Encoder Có loại Encoder : - Encoder tuyệt đối có vị trí ban đầu cho biết vị trí so với góc Khi tắt máy khởi động lại hiển thị vị trí so với vị trí - Encoder tương đối có vị trị ban đầu vị trí trục động lúc bật máy Tắt máy bật lại vị trí bật máy vị trí 1.6.1 Encoder tuyệt đối Vấn đề : Xác định vị trí xác trục động khơng phải cần đếm số vịng Đối với ví dụ có Led nên ta có số nhị phân với giá trị biết động vị trí nửa.Với số nhị phân có chữ số, có 00, 01, 10, 11, tức trạng thái Điều có nghĩa với chữ số, chia đĩa encoder thành phần Và quay, xác định độ xác đến 1/4 vịng Ví dụ: Encoder – bits - Led có, Led có : Ta xác định encoder góc phần thứ Trạng thái 11 - Led khơng, led có : Ta xác định encoder góc phần thứ ba Trạng thái 01 Tương tự với n chữ số ta xác định độ xác tới 1/(2^n)vịng Ví dụ : Encoder bit cho độ xác 1/256 vịng Độ phân giải 256 Tùy vào ứng dụng mà cách thiết kế rãnh khác • Ưu điểm : giữ giá trị tuyệt đối Encoder nguồn • Nhược điểm: giá thành cao chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu khó 1.6.2 Encoder tương đối Encoder tuyệt đối cần nhiều vòng lỗ dẫn tới giới hạn kích thước encoder, việc gia cơng xác lỗ q nhỏ khơng thể thực Việc thiết kế dãy đèn led mắt thu ảnh hưởng lớn đến kích thước giới hạn Điều khắc phục encoder tương đối Mỗi lần quay qua lỗ, encoder tăng đơn vị biến đếm Tuy nhiên, lần có rung động đó, encoder bị sai xung Khi đó, hoạt động lâu dài, sai số tích lũy Để tránh điều tai hại xảy ra, đưa vào thêm lỗ định vị để đếm số vòng quay encoder Như vậy, cho dù có lệch xung, mà thấy encoder ngang qua lỗ định vị này, biết encoder bị đếm sai Nếu rung động đó, mà không thấy encoder qua lỗ định vị, từ số xung, việc qua lỗ định vị, biết rõ sai số encoder • Ưu điểm: giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả dễ dàng • Nhược điểm: dễ bị sai lệch xung trả Sẽ tích lũy sai số hoạt động lâu dài Resolver Khái niệm 2.1 Resolver hay gọi cảm biến đo góc tuyệt đối - Là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí tốc độ dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ - Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc tốc độ trục resolver - 2.2 Cấu tạo - Phần động : gắn liền với trục động chứa cuộn sơ cấp kích thích sóng mang - Phần tĩnh : có dây cuấn thứ cấp (cuộn sin cuộn cos) đặt lệch 90o Đầu dây thu tín hiệu điều biên V.sinwt.sinθ V.sinwt.cosθ chứa thơng tin vị trí tuyệt đối rotor máy đo, tương ứng vị trí tuyệt đối rotor động cần đo 2.3 Nguyên lý hoạt động - Người ta đặt điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor resolver rotor quay cuộn dây stator xuất điện áp - Vị trí : điện áp xoay chiều xuất cuộn cosin - Rời khỏi vị trí đến vị trí 90 : điện áp xuất cuộn sin cos - Đến vị trí 90 : khơng cịn điện áp xuất cuộn cosin điện áp xuất cuộn sin - Tương tự ta xét cho góc lớn - Có cách thu thập thông tin θ Cách thứ hiệu chỉnh sửa sai góc thu sở so sánh góc cài đặt sẵn số vi mạch có sẵn Các vi mạch cho tín hiệu góc dạng số với độ phân giải 10-16 bits/1 vịng tín hiệu tốc độ quay dạng tương tự Cách thứ có chất lượng cao dùng biến đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế - Resolver nhạy với nhiệt độ bị nhiễm điện từ, chúng không đạt độ phân giải cao cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin - Số hóa tín hiệu theo cách: Biến đổi tương tự-số vi mạch sử dụng xử lý tín hiệu số DSP 1.2 Ưu nhược điểm • Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, giống biến áp xoay, sử dụng môi trường bụi bẩn, rung lắc mạnh • Nhược điểm: Resolver nhạy với nhiệt độ bị nhiễm điện từ, chúng khơng đạt độ phân giải cao cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin 1.3 Ứng dụng • Resolver thường sử dụng để phát chuyển động quay vận tốc • Một dạng thơng dụng resolver điều khiển không chổi than Kiểu resolver tương tự với động điện bên có chứa rotor stator 3 Tachometer ( Máy đo tốc độ vòng quay ) 3.1 Khái niệm - Tacho-sensor (hay tachometer) loại cảm biến tốc độ, sử dụng để đo tốc độ quay trụ đĩa động loại máy tương tự Thiết bị hoạt động dựa nguyên lý chuyển động tương đối từ trường trục động cần đo Tacho-sensor thường hiển thị kết đo (vòng/phút) mặt đồng hồ hiệu chỉnh - Tachometer học đo tốc độ trục liên quan đến vòng quay phút - Tachometer điện biến vận tốc góc thành điện áp Máy đo tốc độ điện có nhiều ưu điểm máy đo tốc độ Vì chủ yếu sử dụng để đo tốc độ quay trục - Phụ thuộc vào chất điện áp cảm ứng, tachometer phân loại thành hai loại: • AC Tachometer Generator • DC Tachometer Generator 3.2 Cấu tạo DC Tachometer Generator - Các phần DC Tacho-sensor gồm: nam châm vĩnh cửu, phần ứng, cổ góp, chổi than, biến trở Vơn kế Khi hoạt động trục động cần đo ghép nối với trục sensor AC Tachometer Generator - 3.3 Các phần AC Tacho-sensor: nam châm vĩnh cửu, phần ứng, mạch chỉnh lưu, mạch lọc nhiễu, vôn kế Nguyên lý hoạt động - Nguyên lý chung Tacho-sensor gắn phần ứng vào trục động cần đo Khi động quay phần ứng sensor quay từ trường cố định, chuyển động quay tạo nên sức điện động có độ lớn tỷ lệ thuận với tốc độ quay động Sau vơn kế đo hiển thị lên mặt đồng hồ hiệu chỉnh - Ở DC tacho-sensor, với chổi than, cổ góp biến đổi dòng điện xoay chiều cuộn dây phần ứng thành dịng điện chiều Vơn kế cuộn dây chuyển động đo EMF cảm ứng Cực điện áp cảm ứng xác định hướng chuyển động trục Điện trở mắc nối tiếp với vôn kế để điều khiển dòng điện nặng phần ứng - Ở AC tacho-sensor, từ trường quay tạo EMF cuộn dây đứng yên stato Biên độ tần số emf cảm ứng tương đương với tốc độ trục Do đó, biên độ tần số sử dụng để đo vận tốc 3.4 • • • • • Ứng dụng Đo tốc độ quay Đo dòng chảy chất lỏng dùng bánh xe có góc nghiêng Áp dụng cho ngành y tế để đo tốc độ máu bệnh nhân Sử dụng xe điện để hiển thị tốc độ quay trục khuỷu động So sánh loại cảm biến Mục đích sử dụng Dạng tín hiệu thu Ưu điểm Nhược điểm Encoder Là cảm biến phản hồi để đo vị trí, vận tốc hệ thống điều khiển vịng kín Digital (là chuỗi xung) - Loại encoder tương đối cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ Còn loại encoder tuyệt đối cấu tạo phức tạp - Trả chuỗi xung nên việc đọc giá trị đơn giản - Có độ xác cao - Khơng sử dụng môi trường bụi bẩn rung lắc mạnh khiến cho đĩa quay bị va đập hỏng - Loại encoder tương đối xác định lại vị trí ban đầu xảy điện - Khi tốc độ quay lớn khơng có độ phân giải cao giới hạn tần số đầu Resolver Là cảm biến phản hồi để đo vị trí, vận tốc hệ thống điều khiển vịng kín Analog (là sóng hình sin lệch pha nhau) - Cấu tạo đơn giản, giống biến áp xoay - Sử dụng môi trường bụi bẩn, rung lắc mạnh Tacho-Meter Đo vận tốc hiển thị lên hình cho người dùng quan sát Bao gồm digital analog tùy loại - Được chế tạo dạng thiết bị cầm tay đồng hồ nên tiện lợi cho việc quan sát - Giá thành rẻ - Mạch giải mã tín hiệu từ cảm biến phức tạp phải tìm góc lệch hình sin tín hiệu - Do tín hiệu đọc analog nên dễ bị sai số - Độ phân giải thấp encoder - Độ xác khơng cao encoder resolver - Tốc độ tối đa đo chưa cao - Không sử dụng hệ thống phản hồi mà thiết bị để hiển thị ... vào chất điện áp cảm ứng, tachometer phân loại thành hai loại: • AC Tachometer Generator • DC Tachometer Generator 3.2 Cấu tạo DC Tachometer Generator - Các phần DC Tacho- sensor gồm: nam châm vĩnh... với trục sensor AC Tachometer Generator - 3.3 Các phần AC Tacho- sensor: nam châm vĩnh cửu, phần ứng, mạch chỉnh lưu, mạch lọc nhiễu, vôn kế Nguyên lý hoạt động - Nguyên lý chung Tacho- sensor gắn... resolver tương tự với động điện bên có chứa rotor stator 3 Tachometer ( Máy đo tốc độ vòng quay ) 3.1 Khái niệm - Tacho- sensor (hay tachometer) loại cảm biến tốc độ, sử dụng để đo tốc độ quay