thuyet minh ky thuat dieu khien tu dong_encoder

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ


BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI:

ENCODER
GVHD: Thầy Phùng Trí Cơng
Thành viên:
Ngơ Triết Lãm

MSSV: 21301995

Nguyễn Văn Trí

MSSV: 21304360

Phan Minh Luật

MSSV: 21302265

Nguyễn Văn Liêm

MSSV: 21302037

Trần Nhật Minh

MSSV: 21302384

ENCODER

MỤC LỤC

1.


ENCODER
1. GIỚI THIỆU VỀ ENCODER
1.1 Định nghĩa
Encoder dạng chuyển động quay (rotary encoder) còn được gọi là shaft
encoder là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các vị trí góc của trục quay từ giá trị
analog (tương tự) sang mã digital (số).
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có
thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí
góc…
1.2 Phân loại
- Encoder được chia làm 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute encoder) và encoder
tương đối (incremental encoder).
1.3 Ứng dụng
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có
thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí
góc… để cảm biến vị trí, tốc độ của đơng cơ…
- Ứng dụng của encoder quay:
+ Trên máy công nghệ cao encoder được trang bị để đo và tìm được chính
xác vị trí của các trục máy cũng như vị trí dao cắt. Nhờ đó q trình gia cơng
được thực hiện chính xác. Kết quả encoder đo được sẽ gửi về bộ phận kiểm tra
tích cực trên máy để điều chỉnh lại vị trí chi tiết hay vị trí của dao cắt nhằm sữa
chữa lỗi và hạn chế được phế phẩm.
+ Encoder còn được trang bị trên động cơ của thang máy để biết được chính

xác vị trí của thang máy. Đảm bảo được thang máy sẽ dừng ở đúng cửa ra vào.

3


ENCODER
+ Trên các rô bốt công nghiệp encoder không thể thiếu. Nó dùng để quản lý
các cử động của các khớp nối, cử động của cánh tay rô bốt để đảm bảo chính sác
vị trí của các cử động.
+ Trong các cuộc thi robocon. Tín hiệu gởi về của encoder giúpta biết được
vị trí của robocon trên sân đấu. Ở các khúc cua thì vận tốc của 2 bánh xe phải và
bánh xe trái sẽ khơng giống nhau. Nhờ có encoder mà ta có thể tính tốn và lập
trình được số vòng quay của 2 bánh xe ở các khúc cua.
+ Ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vưc:Robot, máy cơng cụ,hàng khơng
vũ trụ...
• Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất:

4


ENCODER

2.

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TỪNG LOẠI

ENCODER
2.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa trịn xoay, quay quanh trục.

Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa
quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xun qua được, chỗ có lỗ
(rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt
một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta
ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng.
Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt
thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder. Tuy nhiên, những vấn đề được
đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm
thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để
chúng ta tìm hiểu về encoder.
2.2. Encoder tuyệt đối (absolute encoder)
5


ENCODER
Encoder tuyệt đối là thiết bị chuyển đổi, áp dụng kỹ thuật số để tạo ra một
mã bằng số số tương ứng với mỗi góc quay của một trục.
2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

+ Một đĩa quay được mã hóa theo các rãnh đồng tâm.
+ Đầu đọc: gồm các tia sáng và các tế bào quang điện. Mỗi tia sáng riêng
biệt được chiếu đến từng rãnh cho từng tế bào quang điện. Mỗi tế bào quang điện
đưa ra 1 bít cho đầu ra số.

+ Ba bộ phận quan trọng nhất cấu thành encoder tuyệt đối là đèn LED,
đĩa mã hóa và các photosensor. Ánh sáng được chiếu từ đèn LED qua đĩa mã hóa
đến các photosensor. Số đèn LED bằng với số dải băng (hay còn gọi là vịng lỗ)
trên đĩa mã hóa và cũng bằng với số photosensor ( hoặc cũng có thể dùng một đèn
LED nhưng công suất của đèn này phải lớn, ánh sáng của nó phải chiếu phủ hết

các dải băng trên đĩa mã hóa).

6


ENCODER
+ Trên encoder, đèn LED, dải băng và photosensor phải sắp xếp nằm trên
một đường thẳng. Đèn LED và photosensor được gắn cố định trên vỏ encoder.
Cịn đĩa mã hóa thì quay quanh trục mang các tín hiệu mã hóa nhằm xác định góc
quay. Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa, nếu đối diện với tia sáng
là vùng diện tích trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa đến photosensor làm xuất
hiện dòng chảy qua photosensor ( lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 1
trong mã nhị phân). Nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn
sáng, ánh sáng khơng đến được photosensor (lúc này photosensor này nhận được
tín hiệu 0 trong mã nhị phân).
+ Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo
một cách hồn tồn tốn học: Với một số nhị phân có 2 chữ số.
0

0

0

1

1

0

1

1
Chúng ta có bảng:

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
vịng.Tương tự vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ
chính xác đến 1/(2n) vòng.

7


ENCODER
+ ví dụ với đĩa encoder có 2 vịng lỗ (2 dải băng, ở vịng trong cùng, có
một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa. Vịng phía ngồi, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau.
Như vậy, chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2 vòng lỗ, và 2 đèn thu
(photosensor). Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (trong cùng), đèn đọc đang nằm ở vị trí
có lỗ hở, thì tín hiệu nhận được từ con mắt thu sẽ là 1. Và ở vịng lỗ thứ hai, thì
chúng ta đang ở vị trí khơng có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị
0.

Để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit thứ N (đối với
encoder có N vịng lỗ) nằm ở ngồi cùng, có nghĩa là lỗ lớn nhất có góc rộng 180
độ, nằm trong cùng. Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit 0 (nếu xem là số nhị phân) sẽ
thay đổi liên tục mỗi 1/2 N vịng quay. Vì thế chúng ta cần rất nhiều lỗ. Nếu đặt ở
trong thì khơng thể nào vẽ được vì ở trong bán kính nhỏ hơn. Ngồi ra, nếu đặt ở
trong thì về kết cấu cơ khí, nó q gần trục và q.

8

ENCODER

Với encoder có 8 vịng lỗ ta sẽ quản lý được 1/2 8 của đĩa (tức là quản lý
được 1/256 của đĩa, tương đương với góc 360/256 = 1,4 độ). Vậy với encoder 8
vòng lỗ này ta sẽ biết được góc quay của đĩa với độ chính sác là 1,4 độ.
- Để giảm sai số cho Encoder tuyệt đối ta dùng mà Grey vì mã Grey
chỉ có 1 bit thay đổi.

9


ENCODER

2.2.2. Ưu nhược điểm của Encoder tuyệt đối

Ưu điểm:
+ Giá trị số hóa cho các vị trí.
+ Vị trí tuyệt đối có thể nhận được tại mọi thời điểm.
Khuyết điểm:
+ Nhiều tín hiệu ra
+ Giá thành cao so với Inc. Encoder
+ Số bit liên quan tới giá thành và độ phân giải
2.3. Encoder tương đối (incremental encoder)
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý, kết cấu

10


ENCODER

Encoder tương đối kiểu quay Về cơ bản thì encoder tương đối và encoder
tuyệt đối đều giống nhau chỉ khác nhau ở đĩa mã hóa. Ở encoder tương đối đĩa mã
hóa gồm 1 dải băng tạo xung. Trên dải băng này được chia ra làm nhiều lỗ bằng
nhau và cách đều nhau (lỗ có thể được thây bằng vật liệu trong suốt cho ánh sáng
truyền qua). Khi đĩa từ quay qua một lỗ thì photosensor nhận được tín hiệu từ đèn
LED chiếu qua thì encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm. Chẳng hạn như
với đĩa mã hóa gồm 360 lỗ, khi đĩa quay qua 90 lỗ thì photosensor nhận được 90
lần tín hiệu do đó biến đếm sẽ tăng lên 90.Từ đó ta biết được đĩa đã quay được
một góc là 90 độ.
Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết một
vòng? Nếu cứ đếm vơ hạn như thế này thì chúng ta khơng thể biết được khi nào
nó quay hết một vịng. Chưa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà ta khơng
quản lý được, encoder sẽ bị sai một xung. Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số
này sẽ tích lũy. Ngày hơm nay sai một xung, ngày hơm sau sai một xung. Đến
cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi mà chúng ta mới đếm được 1 vịng.Vì
vậy lỗ định vị trên encoder tương đối kiểu quay Để tránh điều tai hại này xảy ra,
người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder. Như
vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng encoder đi ngang qua lỗ định vị
này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu đó. Nếu vì một rung động
11


ENCODER
nào đó mà chúng ta khơng thấy encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung và
việc đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder.

2.3.2. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động encoder tương đối kiểu quay Encoder tương đối cũng

gồm các bộ phận cơ bản là nguồn phát( đèn LED), đĩa quay( đĩa mã hóa), cảm
biến (photosensor).

Khi đĩa quay qua một lỗ thì cảm biến trên nhận được tín hiệu lúcđó
encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm. Cho đến khi cảm biến bên dưới
nhận được tín hiệu thơng qua lỗ định vị thì ta biết được đĩa đã quay song một
vòng. Giá trị biến đếm mà encoder nhận được sẽ cho ta biết được góc độ mà đĩa
12


ENCODER
đã quay. Ứng với dải băng có càng nhiều lỗ thì góc đếm nhỏ nhất mà encoder
đếm được sẽ càng nhỏ (càng mịn).
2.3.3. Cấu trúc của Encoder tương đối:

Các tín hiệu ra: A, B, Z.
Các xung A và B: Có nhiều độ phân giải khác nhau cho mỗi vòng quay.
Xung Z: Đưa ra một xung cho mỗi vòng quay.

2.3.4. Các loại Encoder tương đối

Encoder 1 kênh
13


ENCODER
+ Sử dụng 2 cặp thu phát quang: 1 cặp đếm xung và 1cặp xác định điểm
chuẩn.
+ Vị trí xác định dựa vào số xung đếm được. Mỗi xung ứng với 1 góc cho
trước.

+ Khơng xác đinh đươc hướng quay.

Encoder tương đối 2 kênh
+ Thường có kênh A(V1); kênh B(V2); kênh Z (điểm chuẩn).
+ Kênh B được đặt lệch so với kênh A (lệch M+0.5 rảnh)

Giải thích hình vẽ
14


ENCODER
CCW: khi V2 chuyển từ 1 xuống 0 mà V1 ở mức cao thì Encoder quay
ngược chiều kim đồng hồ.

CW: khi V2 chuyển từ 1 xuống 0 mà V1 ở mức thấp thì quay cùng chiều
kim đồng hồ.
- Ta có thể dùng
FlipFlop để xác
chiều quay của
Encoder:

Dđịnh

- Chiều quay thuận:

Nếu A sớm pha 900 so với B thì ngõ ra của D-FlipFlop là “1”.

15

ENCODER

- Chiều quay nghịch:

B sớm pha 900 so với A thì ngõ ra của D F/F là “0”.

16