Trong thực tế sản xuất ,việc đo tốc độ thường là đo tốc độ quay của máy .Trong trường hợp chuyển động thẳng thường xuyên chuyển việc đo tốc độ dài sang việc đo tốc độ quay ,do đó cảm biến tốc độ chiếm vị trí ưu thế trong lĩnh vực đo tốc độ .
Các máy phát tốc độ một chiều và xoay chiều thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỷ lệ với vận tốc cần đo được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động kinh điển.
Trong trường hợp này ta nghiên cứu cảm biến tốc độ quang học là các cảm biến đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống công nghiệp hiện đại .
Để đo tốc độ rôto ta có thể sử dụng cá phương pháp sau đây - Sử dụng máy phát tốc
- Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa - Sử dụng máy đo góc tuyệt đối
- Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ .
.Dưới đây sẽ trình bày chi tiết về cảm biến quang (encoder) và cách sử dụng cảm biến quang để đo tốc độ quay của động cơ .
Cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa hay còn gọi là encoder là thiết bị đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được tốc độ quay động cơ vị trí trục hoặc bàn máy. Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu số. Encoder được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot.
Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một động cơ qua vit me đai ốc bi tới bàn máy. Vị trí của bàn máy có thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn.
Phân loại
Theo dạng chuyển động của Encoder mà người ta chia nó thành hai kiểu có nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống nhau:
- Encoder thẳng: chiều dài của encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động thẳng tương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước.
- Encoder quay: là một đĩa nhỏ và kích thước encoder không phụ thuộc vào khoảng cách đo. Nó có thể đo được cả thông số dịch chuyển và tốc độ.
Encoder quay chia làm hai loại: encoder tuyệt đối và encoder tương đối.(
absolute encoder và incremental encoder)
Encoder tương đối thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh Z (Index). Trong hình trình bày nguyên lý của một encoder bao gồm một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát - thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh Z của encoder. Cứ mỗi lần động cơ quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh Z xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của động cơ. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và các cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A( hoặc B) của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh Z, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của động cơ, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chỉ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Kênh A và B thông thường được bố trí lệch nhau 900.
Hình 3.3 dạng xung của các kênh đầu ra
Ngoài cách bố trí như trên để tạo ra 2 kênh A và B lệch nhau 900 người ta còn có thể sử dụng các cặp thu-phát A và B đặt lệch nhau như sau
Hình 3.4 Bố trí các cặp thu phát
Thông thường các encoder còn kèm theo khả năng xử lý sườn xung tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép thăng số lượng vạch đếm trong một vòng đĩa lên 4 lần .Chuỗi xung A hoặc B được đưa tới đầu vào của khâu đếm tiến ,biết số xung trong một chu kỳ ta sẽ tính được tốc độ quay của động cơ.
0 60N ( òng/Phút)= 4N n n v T (3.4)
Trong đó : Tn là chu kỳ điều chỉnh tốc độ ,ở đây là chu kỳ đếm xung được tính bằng giây.
N0 là số xung trong một vòng còn gọi là độ phân giải của encoder N là số xung đếm được trong thời gian Tn
Chiều quay của động cơ được xác định thông qua tín hiệu xung 2 kênh A và B .Ví dụ xung A xuất hiện trước thì động cơ quay thuận và ngược lại xung B xuất hiện trước thì động cơ quay ngược.
Hình 3.5 Ghép nối encoder tương đối với TMS320F2812
DSP F2812 hỗ trợ mạch đếm xung encoder chuyên dụng hỗ trợ đếm cả sườn lên và sườn xuống của 2 kênh A,B của encoder vì vậy độ phân giải encoder được tăng lên 4 lần tức là 4000 xung đếm / vòng .Ngoài ra còn có chân phát hiện xung Z để xác nhận động cơ đã quay hết một vòng .Từ các xung đếm này ta có thể xác định chính xác tốc độ và vị trí động cơ .
Các tham số cơ bản của encoder động cơ RH14D-3002 Bảng 3.2 Thông số encoder [12]
Ghép nối đầu ra Line driver
VDC +5 ± 5% Nguồn cung cấp
mA 60max
Điện áp đầu ra VOL,VOH V 0,5max - 2,5min
Tần số lớn nhất KHZ 125
Độ phân giải P/rev 1000
Tín hiệu ra A B Z A B Z, , , , ,
Mô men quán tính Kgm2 3x10-8
Dây dẫn mm Ø 4 x 600L Ø 0.12/7 Strand
RH-5A/8D/11D/14D Line Driver AL/BL Brown A Signal Blue A Signal Red B Signal Green B Signal Yellow Z Signal Orange Z Signal
White Power Supply
Black Common
Shield Floating
Encoder tuyệt đối (Absolute encoder)
Với encoder tuyệt đối ta có thể xác định được chính xác vị trí roto.Nguyên lý cơ bản của loại encoder này dựa trên việc mã hóa các số nhị phân . Ví dụ với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng
Hình 3.6 Đĩa mã hóa encoder tuyệt đối 2 rãnh
Xét một encoder như hình 3.6 gồm có 2 rãnh .Rãnh trong cùng là một nửa vòng tròn trong suốt ,một nửa mờ .Khi đọc rãnh này ta xác định được vị trí roto đang
(MSB) .Rãnh giữa được chia thành bốn phần màu trong suốt và mờ liên tiếp nhau.Đọc rãnh này ta xác định được vị trí rôt đang ở ¼ vòng tròn nào .Các rãnh tiếp theo cho ta xác định được vị trí 1/8 , 1/16….của vòng tròn .Rãnh ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng ứng với bit có trọng số nhỏ nhất (LSB) .Hình 3.7
là đĩa mã hóa tuyệt đối gồm 8 rãnh .
Hình 3.7 Đĩa mã hóa encoder tuyệt đối 8 rãnh