Encoder tuyệt đối và encoder gia tăng

Encoder (bộ mã hóa) được xem như một thiết bị cảm biến để theo dõi và phản hồi các thông số quan trọng trong các máy móc hoặc hệ thống.

Vậy encoder là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao, ứng dụng của từng loại trong thực tiễn như thế nào? Cùng Hưng Phú tìm hiểu ngay sau đây nhé.

1.Encoder là gì?

Encoder là thiết bị chuyển đổi chuyển động cơ học (quay hoặc tịnh tiến) thành tín hiệu điện tử bằng cách tạo xung điện hoặc tín hiệu số mỗi khi có chuyển động, từ đó hệ thống có thể tính toán khoảng cách, tốc độ hoặc vị trí của đối tượng đo.

Encoder thường có cấu tạo gồm:

- Đĩa quay: Có các khe hoặc vạch, là phần chính giúp cảm biến đọc tín hiệu.

- Cảm biến quang hoặc từ: Dùng để phát hiện các tín hiệu từ đĩa quay.

- Mạch điện tử: Chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến thành tín hiệu điện đầu ra (thường là tín hiệu xung hoặc mã nhị phân).

2.Encoder tuyệt đối

Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder) là một loại cảm biến vị trí có khả năng cung cấp giá trị chính xác về góc quay, vị trí và hướng di chuyển ngay cả khi mất nguồn. Không giống như encoder tương đối, encoder tuyệt đối không cần đặt lại điểm gốc khi khởi động.

2.1 Nguyên lý hoạt động của Encoder Tuyệt Đối

- Khi trục encoder quay, đĩa mã hóa cũng quay theo.

- Các cảm biến đọc mẫu mã nhị phân (hoặc mã Gray) tại vị trí tương ứng.

- Dữ liệu được xử lý và truyền ra dưới dạng giá trị vị trí tuyệt đối.

- Khi mất nguồn, encoder vẫn nhớ vị trí trước đó nhờ hệ thống lưu trữ tích hợp.

2.2 Phân loại Encoder Tuyệt Đối

Encoder tuyệt đối được chia thành hai loại chính dựa trên số vòng quay có thể đo được:

* Single-turn Absolute Encoder (Encoder tuyệt đối đơn vòng)

- Chỉ đo lường góc quay trong một vòng quay (0° - 360°).

- Khi quay hết một vòng, giá trị sẽ trở về điểm gốc.

- Phù hợp cho các ứng dụng không yêu cầu theo dõi nhiều vòng quay.

* Multi-turn Absolute Encoder (Encoder tuyệt đối đa vòng)

- Có thể ghi nhớ vị trí qua nhiều vòng quay liên tiếp.

- Dùng bộ đếm cơ khí hoặc bộ nhớ điện tử để lưu trữ số vòng quay.

- Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu theo dõi vị trí dài hạn như robot công nghiệp, thang máy, cần trục...

2.3 Ưu điểm của Encoder Tuyệt Đối

- Không mất dữ liệu khi mất điện: Có thể nhớ vị trí chính xác mà không cần đặt lại.

- Độ chính xác cao: Đảm bảo xác định vị trí ngay cả khi hệ thống bị gián đoạn.

- Truyền tín hiệu số: Giảm sai số khi truyền tín hiệu so với encoder tương đối.

- Ứng dụng linh hoạt: Có thể sử dụng trong nhiều hệ thống phức tạp như điều khiển robot, CNC, máy móc công nghiệp...

2.4 Nhược điểm của Encoder Tuyệt Đối

- Giá thành cao hơn so với encoder tương đối.

- Cấu trúc phức tạp, yêu cầu bộ xử lý tín hiệu mạnh hơn.

- Khó sửa chữa, cần bảo trì đúng cách để đảm bảo hoạt động ổn định.

2.5 Ứng dụng của Encoder Tuyệt Đối

Encoder tuyệt đối được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao, bao gồm:

- Robot công nghiệp: Xác định vị trí cánh tay robot và điều khiển động cơ servo.

- Máy CNC: Kiểm soát vị trí dao cắt, đảm bảo sản phẩm có độ chính xác cao.

- Hệ thống thang máy: Định vị cabin thang máy và kiểm soát chuyển động.

- Ngành y tế: Sử dụng trong các thiết bị quét y tế như MRI, CT Scan.

- Cần trục & băng chuyền: Xác định vị trí hàng hóa và điều khiển tốc độ băng tải.

3. Encoder gia tăng (Encoder tương đối)

- Encoder tương đối (Incremental Encoder) là một thiết bị đo lường vị trí, tốc độ và hướng quay của trục động cơ. Khác với encoder tuyệt đối, encoder tương đối không lưu trữ vị trí khi mất điện mà chỉ cung cấp tín hiệu thay đổi vị trí dưới dạng xung.

3.1 Nguyên lý hoạt động của Encoder Tương Đối:

- Khi trục encoder quay, đĩa mã hóa cũng quay theo.

- Cảm biến quang hoặc từ tính nhận biết sự thay đổi của vạch trên đĩa và tạo ra các xung điện.

- Bộ điều khiển đếm số xung để xác định vị trí và tốc độ quay của động cơ.

- Nếu mất điện, encoder không thể nhớ vị trí trước đó, cần đặt lại điểm gốc khi khởi động.

3.2 Phân loại Encoder Tương Đối

- Encoder xung đơn (Single-channel Incremental Encoder): Chỉ có một kênh tín hiệu (A), xác định tốc độ nhưng không thể xác định hướng quay.

- Encoder hai kênh (Quadrature Encoder – A/B Phase): Có hai kênh tín hiệu (A và B) lệch pha 90°, giúp xác định cả tốc độ và hướng quay.

- Encoder có tín hiệu Z (A/B/Z Encoder): Kênh Z tạo một xung duy nhất trong mỗi vòng quay, giúp đặt lại điểm gốc.

3.3 Ưu điểm của Encoder Tương Đối

- Giá thành thấp hơn so với encoder tuyệt đối.

- Cấu tạo đơn giản, dễ dàng lắp đặt và sử dụng.

- Phù hợp cho đo tốc độ, chuyển động tương đối và điều khiển vòng lặp mở.

- Độ phân giải cao, có thể đo chính xác đến hàng nghìn xung trên vòng quay.

3.4 Nhược điểm của Encoder Tương Đối

- Không nhớ vị trí khi mất điện, cần đặt lại điểm gốc khi khởi động.

- Dễ bị sai lệch nếu bị nhiễu tín hiệu hoặc mất xung.

- Không phù hợp cho ứng dụng yêu cầu xác định vị trí tuyệt đối.

3.5 Ứng dụng của Encoder Tương Đối

Encoder tương đối được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống yêu cầu đo tốc độ, vị trí tương đối và điều khiển động cơ, bao gồm:

- Động cơ servo & động cơ bước: Giúp điều khiển chính xác vị trí và tốc độ quay.

- Máy CNC & Robot: Đo lường vị trí di chuyển của trục.

- Băng tải tự động: Theo dõi tốc độ di chuyển và chiều quay.

- Hệ thống thang máy: Kiểm soát tốc độ cabin di chuyển.

4. So sánh Encoder Tương Đối và Encoder Tuyệt Đối

5. Những lưu ý khi chọn mua Encoder

5.1. Xác định loại Encoder cần dùng

- Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder): Giữ vị trí ngay cả khi mất điện, thích hợp cho các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao và cần lưu vị trí.

- Encoder tương đối (Incremental Encoder): Chỉ đo sự thay đổi vị trí, tốc độ, hướng quay; cần đặt lại điểm gốc sau khi mất điện.

--> Lựa chọn: Nếu cần đo tốc độ và vị trí tương đối → Chọn encoder tương đối. Nếu cần định vị chính xác → Chọn encoder tuyệt đối.

5.2. Độ phân giải cao giúp đo chính xác nhưng cũng đòi hỏi bộ điều khiển mạnh hơn để xử lý tín hiệu.

- PPR (Pulse Per Revolution) hoặc CPR (Counts Per Revolution) càng cao, độ chính xác càng lớn.

- Ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao (robot, CNC, servo) → Chọn encoder có PPR cao (1000 – 5000 PPR).

- Ứng dụng thông thường (băng tải, động cơ bước) → Chọn PPR trung bình (100 – 1000 PPR).

5.3. Kiểm tra tương thích tín hiệu với bộ điều khiển PLC, vi điều khiển hoặc bộ đếm xung.

- Encoder tương đối: Tín hiệu xung A, B (hoặc A, B, Z cho reset gốc).

- Encoder tuyệt đối: Tín hiệu mã nhị phân, Gray Code, hoặc giao tiếp truyền thông như RS-485, SSI, CANopen, Modbus, Ethernet.

- Mức điện áp tín hiệu: 5V, 12V, 24V tùy theo bộ điều khiển sử dụng.

5.4. Đo đường kính trục và chọn encoder phù hợp (trục 6mm, 8mm, 10mm, 12mm...).

- Trục quay (Shaft Encoder): Lắp trực tiếp vào trục động cơ hoặc hệ thống truyền động.

- Hollow Shaft Encoder (Encoder rỗng trục): Dễ lắp đặt vào trục quay mà không cần khớp nối.

- Kit Encoder: Dạng module gắn lên động cơ, phù hợp cho robot và động cơ nhỏ.

5.5. Chọn encoder có chuẩn IP phù hợp để tăng tuổi thọ và độ bền.

- Nhiệt độ làm việc: Encoder có khả năng chịu nhiệt cao (ví dụ: -40°C đến 100°C) nếu dùng trong môi trường khắc nghiệt.

- Kháng bụi và nước (IP Rating):

- IP65 trở lên nếu làm việc ngoài trời hoặc môi trường bụi, nước.

- IP50-IP54 đủ cho môi trường trong nhà, không tiếp xúc trực tiếp với nước.

- Khả năng chống rung, chống sốc: Nếu lắp trên máy móc rung động mạnh, nên chọn encoder có vỏ chắc chắn.

5.6. Kiểm tra điện áp cấp trước khi đấu nối để tránh làm cháy mạch encoder.

- Các encoder thông dụng có nguồn 5V, 12V, 24V.

- Chọn nguồn cấp phù hợp với hệ thống điều khiển để tránh hư hỏng.

5.7. Mua encoder chính hãng để đảm bảo độ bền và tín hiệu ổn định.

Nên chọn encoder từ các thương hiệu chất lượng như:

- Hanyoung Nux (Hàn Quốc)

- Autonics (Hàn Quốc)

- Omron (Nhật Bản)

6. Kết luận

Encoder là một thiết bị quan trọng trong tự động hóa và điều khiển, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu đo lường chính xác vị trí ngay cả khi mất điện. 

Để sử dụng encoder hiệu quả, bạn cần lắp đặt đúng kỹ thuật, kiểm tra môi trường làm việc, duy trì bảo trì định kỳ và kiểm soát nguồn cấp. Nếu gặp sự cố, hãy kiểm tra dây kết nối, tín hiệu đầu ra và môi trường hoạt động để xử lý kịp thời.