thuyet minh ky thuat dieu khien tu dong_encoder

GIỚI THIỆU VỀ ENCODER1.1 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 a

  

BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI:

ENCODER

GVHD: Thầy Phùng Trí Công Thành viên:

Ngô Triết Lãm MSSV: 21301995

Nguyễn Văn Trí MSSV: 21304360

Phan Minh Luật MSSV: 21302265

Nguyễn Văn Liêm MSSV: 21302037

Trần Nhật Minh MSSV: 21302384

MỤC LỤC

1.

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 đông 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 quá trình gia công 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

+ 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 không giống nhau Nhờ có encoder mà ta có thể tính toán 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 công cụ,hàng không

vũ trụ

• Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất:

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 tròn 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 không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên 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 không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không

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)

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 vòng 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)

+ 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 Còn 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 không 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 hoàn toàn toán học: Với một số nhị phân có 2 chữ số

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

+ ví dụ với đĩa encoder có 2 vòng lỗ (2 dải băng, ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa Vòng phía ngoài, 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 vòng lỗ thứ hai, thì chúng ta đang ở vị trí không 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 vòng lỗ) nằm ở ngoài 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 1/2N vòng quay Vì thế chúng ta cần rất nhiều lỗ Nếu đặt ở trong thì không thể nào vẽ được vì ở trong bán kính nhỏ hơn Ngoài ra, nếu đặt ở trong thì về kết cấu cơ khí, nó quá gần trục và quá

Với encoder có 8 vòng lỗ ta sẽ quản lý được 1/28 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.

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)

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 vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào

nó quay hết một vòng Chưa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý được, encoder sẽ bị sai một xung Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy Ngày hôm nay sai một xung, ngày hôm sau sai một xung Đến cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi mà chúng ta mới đếm được 1 vòng.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

nào đó mà chúng ta không 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 thông qua lỗ định vị thì ta biết được đĩa đã quay song một

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

+ 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

+ Không 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)

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 D-FlipFlop để xác định chiều quay của

Encoder:

-Chiều quay thuận:

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

-Chiều quay nghịch:

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