Encoder (bộ mã hóa) là thiết bị hoặc thành phần có chức năng chuyển đổi dữ liệu hoặc chuyển động cơ học thành tín hiệu số hoặc xung điện. Tùy thuộc vào lĩnh vực kỹ thuật, encoder được chia thành hai ngữ cảnh sử dụng chính: trong cơ khí – tự động hóa và trong công nghệ thông tin – trí tuệ nhân tạo (AI).

Cấu Tạo 

Encoder cấu tạo chính gồm:

• Đĩa quang tròn có rảnh nhỏ quay quanh trục: Trên đĩa được đục lỗ (rãnh), khi đĩa này quay và chiếu đèn led lên trên mặt đĩa thì sẽ có sự ngắt quãng xảy ra. Các rãnh trên đĩa chia vòng tròn 360 độ thành các góc bằng nhau. Và một đĩa có thể có nhiều dãy rãnh tính từ tâm tròn.
• Bộ cảm biến thu (photosensor)
• Nguồn sáng (Light source)

Nguyên Lý Hoạt Động 

Nguyên lý hoạt động của Encoder quang học tương đối đơn giản.

Khi trục Encoder quay, đĩa mã hóa quay theo. Nguồn sáng LED chiếu qua đĩa và cảm biến thu được đặt ở phía đối diện.

Trên đĩa có các khe hoặc vùng cho phép ánh sáng đi qua. Khi một khe nằm giữa LED và cảm biến, ánh sáng có thể truyền tới cảm biến. Khi phần không có khe đi qua, ánh sáng bị chắn.

Quá trình này diễn ra liên tục khi đĩa quay, khiến cảm biến liên tục chuyển đổi giữa hai trạng thái có và không có ánh sáng. Kết quả là Encoder tạo ra chuỗi tín hiệu xung điện, thường có dạng xung vuông.

Số lượng xung tạo ra trong một vòng quay được sử dụng để xác định độ phân giải của Encoder.

Ví dụ, Encoder có độ phân giải 1000 PPR (Pulse Per Revolution) sẽ tạo ra 1000 xung trong mỗi vòng quay theo quy ước của nhà sản xuất.

Từ tín hiệu Encoder, bộ điều khiển có thể tính toán:

• Tốc độ quay của động cơ.
• Số vòng quay.
• Vị trí góc của trục.
• Chiều quay.
• Quãng đường di chuyển trong một số hệ thống chuyển động.

Đối với Encoder Incremental, các kênh tín hiệu thường được bố trí lệch pha để bộ điều khiển xác định chiều quay. Trong khi đó, Encoder Absolute cung cấp mã vị trí tương ứng với từng vị trí góc.

Các Loại Phổ Biến

Encoder có nhiều cách phân loại khác nhau. Tuy nhiên, xét theo phương pháp xác định vị trí, hai loại phổ biến nhất là Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối.

Encoder Tuyệt Đối – Absolute Encoder

Absolute Encoder là loại Encoder có khả năng cung cấp thông tin về vị trí tuyệt đối của trục.

Mỗi vị trí góc trên đĩa mã hóa tương ứng với một mã tín hiệu riêng. Vì vậy, hệ thống điều khiển có thể xác định vị trí của trục mà không cần phải đếm toàn bộ số xung từ một vị trí ban đầu như Encoder Incremental.

Đĩa mã hóa của Absolute Encoder thường sử dụng mã nhị phân hoặc mã Gray và được chia thành nhiều vòng mã hóa đồng tâm.

Cấu tạo cơ bản gồm:

• Nguồn sáng LED.
• Đĩa mã hóa.
• Bộ cảm biến thu ánh sáng.
• Mạch xử lý tín hiệu.

Một ưu điểm đáng chú ý của Absolute Encoder là khả năng xác định vị trí ngay cả khi hệ thống mất điện rồi khởi động lại, tùy thuộc vào loại Encoder và thiết kế hệ thống.

Encoder Tương Đối – Incremental Encoder

Incremental Encoder tạo ra tín hiệu theo sự thay đổi của vị trí. Thay vì cung cấp trực tiếp mã vị trí tuyệt đối, Encoder tạo ra các xung khi trục quay để bộ điều khiển đếm và tính toán vị trí hoặc tốc độ.

Đĩa mã hóa thường có một vòng các khe hoặc vùng mã hóa được bố trí đều nhau.

Incremental Encoder phổ biến với các tín hiệu A và B, trong đó hai tín hiệu lệch pha nhau giúp xác định chiều quay. Một số loại có thêm tín hiệu Z, thường được sử dụng làm tín hiệu tham chiếu hoặc xác định vị trí gốc.

Vì cấu tạo đơn giản, giá thành tương đối hợp lý và dễ tích hợp với nhiều hệ thống điều khiển, Incremental Encoder được sử dụng rất rộng rãi trong máy móc và tự động hóa công nghiệp.

Ứng Dụng Trong Thực Tế

Encoder được sử dụng trong rất nhiều hệ thống cần kiểm soát chuyển động. Một số ứng dụng phổ biến gồm đo tốc độ, đo chiều dài, đếm sản phẩm và xác định vị trí.

Về Biểu Thị Tốc Độ

Khi một máy bơm được kết nối với biến tần để bơm chất lỏng vào bồn chứa. Khi đó chất lỏng chảy vào bồn phải có tốc độ nhất định. Encoder được kết nối với biến tần sẽ phản hồi tốc độ thực tế dòng chảy của chất lỏng.

Về Đo Lường

Khi chúng ta cần cắt các cuộn nhôm dài hàng trăm, hàng nghìn mét thành từng tấm có kích thước nhất định thông qua máy cắt. Encoder khi đó sẽ được lắp vào băng tải, đọc nguyên liệu mỗi khi đi qua Encoder và tính độ dài của tấm nhôm từ khi cho vào đến vị trí cắt. Có thể điều chỉnh dao cắt theo độ dài được yêu cầu thông qua các thông số về kích thước tấm nhôm.

Về Đếm Số Lượng

Việc lắp đặt bộ mã hóa Encoder vào chương trình của các băng chuyền sản phẩm. Nó sẽ giúp chúng ta xác nhận mỗi chai sản phẩm vào và trạm trên băng chuyền. Nếu các chai không ra khỏi trạm trong khoảng thời gian đã được lập trình và không đúng như giá trị mà Encoder đã đếm. Cũng có nghĩa là máy móc đã bị hư hỏng.

Trong Ngành Cơ Khí

Nói về cấu tạo của máy CNC thì Encoder được trang bị như một thiết bị giúp đo lường và xác định được vị trí chính xác nhất của các trục máy cũng như vị trí mà dao cắt. Do đó khi sử dụng máy CNC để gia công sẽ đạt được sự chính xác nhất. Hơn thế nữa, thông qua mà Encoder ghi nhận sẽ báo về hệ thống điều khiển của PLC. Từ đó, người sử dụng có thể điều chỉnh được vị trí cắt dao nhằm hạn chế sai sót.

Trong Các Ngành Công Nghiệp

• Ô tô: Trong ngành công nghiệp ô tô thì Encoder được sử dụng làm cảm biến chuyển động cơ học, có thể được áp dụng để kiểm soát tốc độ.
• Điện tử tiêu dùng và thiết bị văn phòng: Bộ mã hóa Encoder được sử dụng như thiết bị dựa trên PC, máy in và máy quét.
• Công nghiệp: Encoder được sử dụng trong máy dán nhãn, đóng gói và chế tạo máy với bộ điều khiển động cơ đơn và đa trục.
• Y tế: Bộ mã hóa Encoder được sử dụng trong máy quét y tế, điều khiển chuyển động bằng kính hiển vi hoặc nano của các thiết bị tự động và bơm phân phối.
• Quân đội: Encoder được sử dụng trong ứng dụng ăng ten định vị.
• Dụng cụ khoa học: Thiết bị khoa học thực hiện các bộ mã hóa Encoder trong việc định vị kính viễn vọng quan sát.

Các Thông Số Kỹ Thuật 

• Đường kính trục, dạng trục: Encoder có dạng trục dương hoặc âm. đường kính trục từ 5~50mm. Thường đường kính lớn hơn 6mm sẽ là loại trục âm (trục lõm)
• Độ phân giải: hay còn gọi là số xung – tương ứng số tín hiệu encoder đếm được khi quay 1 vòng. Encoder có số xung càng cao thì giá càng cao. Thang máy thường dùng xung 1024p/r, chế tạo máy vào khoảng 360p/r, 1000p/r. Ngoài ra còn có các xung lên đến 6000p/r hoặc 6pr.
• Điện áp: Encoder thường xuyên bị cháy do khi lắp đặt không chú ý nguồn cấp. Nếu encoder có dãy điện áp:5~24V thì rất dễ. Tuy nhiên với một số encoder trục lớn: 30-40mm, encoder theo máy sẽ thường gặp điện áp xác định: 5V, 12V hoặc 15V. Do đó phải đọc kỹ lại trước khi lắp. Vì encoder cháy rồi thì bắt buộc thay thế cả con, rất tốn tiền.
• Ngõ ra: AB, ABZ, AB đảo, ABZ đảo. Bạn dễ dàng xác định tín hiệu ngõ ra bằng cách xem số dây được kí hiệu trên tem.
• Dạng ngõ ra: Có nhiều dạng ngõ ra, liệt kê sơ sơ gồm: Open Collector, Voltage Output, Complemental, Totem Pole, Line Driver. Dạng ngõ ra quy định nguồn cấp, đầu đọc thông tin …
• Dây cáp: cáp càng dài càng dễ bị nhiễu. Dây tiêu chuẩn từ 1-3m. Đôi khi lên đến 10m theo nhu cầu sử dụng.
• Phụ kiện: đi kèm encoder trục dương là Coubling, encoder trục âm là Pass. Coubling giúp nối encoder trục dương với motor trục dương, Pass giúp gắn encoder vào máy. Một encoder trục âm có 1-2 pass tùy loại

Lời Kết

Ngày nay, Encoder được ứng dụng rộng rãi trong máy CNC, robot, Servo, băng tải, máy đóng gói, máy dán nhãn, thang máy, thiết bị y tế và nhiều hệ thống tự động hóa công nghiệp. Việc hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý và các thông số kỹ thuật của Encoder sẽ giúp người dùng lựa chọn đúng thiết bị và xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động hiệu quả hơn.