Báo cáo về máy ghép chữ tự động

Báo cáo mô tả về máy ghép chữ tự động, nguyên lý hoạt động và các loại thiết bị cũng như cảm biến có trong máy (Trường đại học Công nghiệp Hà nội )1.Tìm hiểu tổng quan về hệ thống ghép chữ?2.Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống ( nêu lý do lựa chọn cảm biến trong bản thiết thế?) Vị trí đặt cảm biến?3.Sơ đồ khối hệ thống4.Tìm hiểu phân tích các thiết bị khác có trên hệ thống5.Lựa chọn phương pháp điều khiển6.Đánh giá độ chính xác của hệ thống (giới hạn, nguyên nhân và biện pháp khắc phục)7.Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục

Giáo viên hướng dẫn : Th Nguyễn Đăng Hải

Sinh viên thực hiện : Lê Trung Hiếu

Nguyễn Trung Hiếu

Vũ Minh Hiếu

Lê Văn Hinh

Lê Quang Hòa

Lớp : ĐIỆN 8 – K10

Hà Nội - 2017

Trang 1

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Đề tài 5: Nghiên cứu và phân tích mô hình máy ghép chữ phòng 502A

1 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống ghép chữ?

2 Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống ( nêu lý do lựa chọn cảm biến trong bản thiết thế?) Vị trí đặt cảm biến?

3 Sơ đồ khối hệ thống

4 Tìm hiểu phân tích các thiết bị khác có trên hệ thống

5 Lựa chọn phương pháp điều khiển

6 Đánh giá độ chính xác của hệ thống (giới hạn, nguyên nhân và biện pháp khắc phục)

7 Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục

Trang 2

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế và điều khiển mô hình máy

ghép chữ tự động trang 4Chương 2: Nội dung thực hiện trang 4

2.1 Yêu cầu của đề tài trang 42.2 Các hướng giải quyết trang 52.2.1 Cảm biến sử dụng trang 52.2.2 Các bộ phận điểu khiển truyền động .trang 82.2.3 Các bộ điều khiển hoạt động trang 262.3.Lý do lựa chọn cho thiết kế trang 31

2.4 Tính chọn thiết bị trang 33

Chương 3: Kết luận trang

343.1 Các kết quả đạt được trang 34

3.2 Các hạn chế khi thực hiện trang 34

3.3 Biện pháp khắc phục trang 34

Chương 4: Bài dịch tư liệu Tiếng Anh trang

344.1 Bản tài liệu lý thuyết trang 34

4.2 Bản tài liệu cảm biến trang 43

Trang 3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY GHÉP CHỮ TỰ ĐỘNG

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY GHÉP CHỮ TỰ ĐỘNG

• Khả năng ứng dụng, phục vụ nghiên cứu của máy ghép chữ

- Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ, ngày nay có một lĩnh vực là kết quả của sự kết hợp giữa cơ khí, công nghệ thông tin và điện tử: cơ khí tự động hóa

- Cơ khí tự động hóa đã xuất hiện lâu trên thế giới và hiện nay đang phát triển mạnh mẽ Một trong những sản phẩm để phục vụ nghiên cứu và sản xuất đó là mô hình cánh tay gắp robot

- Cánh tay robot là thiết bị tự động được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ hiện nay, có thể thấy nó trong sản xuất công nghiệp, điều trị y

tế Vì nó là một cánh tay cơ khí giống như hành động cánh tay của con người nên có thể thay con người làm những công việc sản xuất thường ngày

- Cùng với sự phát triển của công nghệ, sinh viên trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội cùng với sự giúp đỡ của các giảng viên đã nghiên cứu và thiết kế một mô hình máy ghép chữ với một cánh tay robot khí nén

• Nguyên lý làm việc chung của mô hình.

- Cánh tay robot có thể gắp các miếng chữ từ vị trí sẵn có, rồi chuyển đến một vị trí cần xếp

- Hệ thống được lắp ráp trên một bàn kim loại, k gỉ vận hành bởi một động

cơ servo JSMA-SC04ABK01

- Động cơ được nối với một encoder mã hóa tín hiệu xung

- Tín hiệu mã hóa sẽ được đưa vào một bộ PLC xử lý, đưa cánh tay robot đến vị trí chữ được đặt và lập trình sẵn

- Trong quá trình di chuyển của cánh tay robot, sẽ có 2 cảm biến tiệm cận đảm bảo di chuyển dọc bàn không bị quá Và 4 cảm biến điện từ đảm bảo cánh tay dừng chính xác tại vị trí chữ cần lấy

- Tay robot sẽ nhặt được chữ nhờ miếng mút cao su ở đầu tay, cùng với sự hoạt động của bộ khí nén sẽ hút chặt lên và thả khi đến vị trí chỉ định

CHƯƠNG 2: CÁC NỘI DUNG CẦN THỰC HIỆN

2.1 Yêu cầu đề tài

Đề tài 5: Nghiên cứu và phân tích, tìm hiểu về mô hình máy ghép chữ phòng 502A

- Tìm hiểu được sơ lược về hệ thống máy ghép chữ phòng 502A và hiểu được tầm nghiên cứu và ứng dụng của mô hình trong thời kì công nghệ tiến bộ

- Nắm được các thành phần chính làm nên sự vận hành, di chuyển của mô hình, nắm được các cảm biến và chức năng, tầm quan trọng của cảm biến với mô hình.

Trang 4

- Nắm được cách điều khiển, vận hành của mô hình.

- Đánh giá độ chính xác của hệ thống (giới hạn, nguyên nhân và biện pháp khắc phục)

- Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục.

* Hình ảnh mô hình máy ghép chữ:

2.2 Các hướng giải quyết

2.2.1 Cảm biến sử dụng trong máy ghép chữ tự động

* Cảm biến tiệm cận:

- Khái niệm cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là

“PROX” tên tiếng anh là Proximity Sensors ) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm

Vận hành đáng tin cậy ngay cả trong môi trường khắc nghiệt (ví dụ: môi

trường ngoài trời hoặc môi trường dầu mỡ)mm Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy

Hình ảnh

Trang 5

Hình ảnh cảm biến tiện cận thực tế

- Phân loại Cảm biến Tiệm cận

Có 2 loại cảm biến tiệm cận công nghiệp chính là:

1 Cảm biến tiệm cận cảm ứng phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện

từ Dĩ nhiên, thiết bị chỉ phát hiện được vật kim loại

2 Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện dung tĩnh điện Do đó, thiết bị này có thể phát hiện mọi loại vật

Cảm biến tiệm cận cảm ứng Cảm biến tiệm cận điện dung

Trang 6

- Cách vận hành của Cảm biến từ

Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ

ở đầu cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện

từ dao động quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát

Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật

Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi

Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra vật đã được phát hiện

Vì nguyên tắc vận hành này sử dụng trường điện từ nên cảm biến cảm ứng vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chịu với môi trường Ví dụ: dầu hoặc bụi thường không làm ảnh hưởng đến sự vận hành của cảm biến

- Ứng dụng trong mô hìnhmáy ghép chữ tự động

Trong mô hình máy ghép chữ tự động , cảm biến điện từ đặt ở hai đầu tay

robot di chuyển trên thanh ray có tác dụng báo cho bộ điều khiển khi tay robot chạm ngưỡng giới hạn di chuyển về hai bên

-Cách vận hành của Cảm biến điện dung

Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra tranzito có logic NPN hoặc PNP (xem hình bên phải) Những loại này còn được gọi là kiểu DC-

3 dây

Tín hiệu ra của cảm biến từ loại 3 dây và 2 dây

Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2 kết nối (âm và dương) Chúng được gọi là kiểu DC-2 dây (xem sơ đồ bên dưới).Thường Mở/Thường Đóng

Cảm biến tiệm cận được chia theo chế độ hoạt động thường mở (NO) và

thường đóng (NC) mô tả tình trạng có tín hiệu đầu ra của cảm biến sau khi có hoặc không phát hiện được vật

Thường mở: Tín hiệu điện áp cao, khi phát hiện ra vật; tín hiệu điện áp thấp khi không có vật

Thường đóng: Tín hiệu cao khi không có vật; tín hiệu thấp khi phát hiện ra vật

- Ứng dụng trong mô hình máy ghép chữ tự động

Trong mô hình máy ghép chữ tự động , cảm biến điện dung gắn trên đầu mỗi

xi lanh nhằm nhận biết khi đầu hút của xi lanh gặp ô chữ như mong muốn Dobản chất của cảm biến điện dung là không phân biệt vật nhận biết là chất liệu gìcho nên dễ dàng nhận biết khi đầu xi lanh tiến gần đến ô chữ bằng chất liệunhưa mica

Khi tiếp nhận tín hiệu đã gặp ô chữ, cảm biến báo cho hệ thống điều khiểnbật hệ thống khí nén hút chữ cái, di chuyển về nơi cần sắp xếp

2.2.2 Các bộ phận điều khiển truyền động dùng trong máy ghép chữ tự động

a Động cơ servo:

Bảng chi tiết kỹ thuật chi tiết và kích thước lắp đặt cho động cơ servo với trình điều khiển

- Động cơ servo là thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển chuyển động

Để hoạt động được, chúng ta phải nối động cơ servo với các phần cứng, phần mềm hỗ trợ điều khiển chuyển động

Động cơ servo được kết hợp cơ khí với các thiết bị máy móc khác để cung cấp lực di chuyển các thiết bị này theo yêu cầu của ứng dụng

- Cấu hình hệ thống động cơ servo

Động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động đểcung cấp một lực cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định

Để đạt được điều này, chúng ta phải điều khiển vị trí, vận tốc và mô mencủa động cơ servo theo yêu cầu ứng dụng.

Để hoạt động chuẩn xác, động cơ servo phải kết hợp với:

1. Bộ điều khiển – Thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thực hiện đúng theo yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng

2. Bộ điều khiển động cơ – Thiết bị điện tử có chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm

3. Bộ mã hóa xung vòng quay – tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ

Cấu trúc động cơ servo

Trong công nghiệp, hầu hết các dạng động cơ servo sử dụng động cơ một chiều không chổi than

Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh Stator của động cơ được cuốn các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình

tự thích hợp để quay rotor

Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác, chuyển động

quay của rotor phụ thuộc vào tần số, pha, phân cực và dòng điện chạy

trong cuộn dây stator

- Thành phần bên trong của động cơ:

• Đĩa bộ mã hóa xung vòng quay

• Nam châm vĩnh cửu

• Cuộn dây stator

motor shaft: Trục động cơhousing: Khung động cơencorder: Bộ mã hóa

- Bộ điều khiển động cơ servo

Cần có nguồn điện cấp tương thích với thiết kế của động cơ

servo Bộ điều khiển động cơ servo thực hiện chức năng này.

Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động cơ servo đúng lượng, đúng

thời điểm để điều khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứng với các

đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung

vòng quay và từ bản thân động cơ servo

- Các chức năng khác của bộ điều khiển bao gồm:

+| Truyền thông với bộ điều khiển chuyển động

+ Đọc phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và điều chỉnh thời gian thực cho mạch vòng điều khiển kín

+ Xử lý các tín hiệu vào/ra ví dụ như các thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và các tín hiệu đầu ra về trạng thái hoạt động

- Khả năng làm việc của động cơ servo

Khả năng định vị của động cơ servo thường được tính toán để kiểm soát được chính xác hơn so với những động cơ DC thông thường khác Động cơ servo thường cấu tạo gồm 3 dây: dây nguồn, dây tiếp đất và dây điều khiển Không giống như động cơ DC hoạt động trên cơ chế xoay chiều bật tắt nguồn, năng lượng (nguồn điện) của động cơ servo được nạp vào liên tục Động cơ servo hoạt động bằng việc kiểm soát dòng điện, giúp động cơ định hướng chính xác hướng hoạt động của mình

Động cơ servo được thiết kế để dừng tại một vị trí cụ thể Các vị trí này cần được tính toán chính xác để khiến máy móc hoạt động được đúng với mục tiêu

đề ra theo ý đồ của người thiết kế Ví dụ như kiểm soát các bánh lái trên một chiếc thuyền hoặc cần khiến một cánh tay robot hay chân robot di chuyển trong một phạm vi nhất định

Động cơ servo sẽ không quay như động cơ DC thông thường vốn hoạt động xoay qua lại với góc quay đạt tới mốc 360 độ (hoặc hơn) Trong khi đó, động cơ servo sẽ hoạt động bằng việc nhận một tín hiệu lệnh quyết định góc vị trí ở đầu

ra và sử dụng sức mạnh (cơ năng) của một động cơ DC cấu tạo bên trong sẽ quay trục quay đến đúng vị trí Vị trí này được xác định bởi các vi cảm biến

PWM được sử dụng cho các tín hiệu lệnh của động cơ servo Tuy nhiên, không giống như động cơ DC được PWM điều khiển bằng biến độ rộng xung đểkiểm soát tốc độ quay, động cơ servo dùng điều biến độ rộng xung đó để xác định vị trí của trục động cơ, chứ không chỉ đơn thuần là tốc độ

Trung bình một đơn vị xung được tính dựa trên vị trí trục (thường là khoảng 1,5ms), mục đích làm sao để giữ trục luôn ở đúng vị trí Mỗi khi giá trị xung tăng lên, sẽ khiến cho trục motor lần lượt chuyển động theo chiều kim đồng hồ,

và luôn sẽ có một xung ngắn hơn để đảo trục ngược lại chiều kim đồng hồ Xung điều khiển serco thường được lặp đi lặp lại khoảng 20 mm/s Có thể nói đơn giản, trục servo di chuyển đến đâu rồi cũng quay về lại vị trí ban đầu

Khi động cơ được lệnh di chuyển, nó sẽ điều khiển trục di chuyển đến vị trí cần đến và giữ nguyên ở vị trí đó, cho dù ngay cả khi có ngoại lực tác động lực đẩy lên nó, các trục động cơ sẽ từ chối di chuyển khỏi vị trí đã thiết lập bởi bộ điều khiển

Điều khiển năng lượng cho động cơ servo

Bộ điều khiển điện động cơ servo sử dụng một

hàng các transistor công suất được gọi

là Transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT)để kiểm soát năng lượng đưa

vào động cơ servo

IGBT có khả năng chuyển mạch nhanh với dòng lớn nên là lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng này

IGBT được điều khiển bằng các thiết bị điện tử nhằm sản sinh ra các dạng điện

áp, dòng điện, tần số, phân cực và pha đặc thù cung cấp cho động cơ servo

Vì lý do này, mỗi bộ điều khiển thường kết hợp với một dòng động cơ servo cụ thể.

Trong khi tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển động cơ servo là dòng một chiều (DC), đầu ra bộ điều khiển gần như là dạng sóng điện xoay chiều để điều khiểntrơn tốc độ, gia tốc và mô men của động cơ servo

Tín hiệu điều khiển động cơ servo

Dựa vào dữ liệu lưu trong chương trình điều khiển chuyển động, bộ điều khiển nhận tín hiệu để thực hiện một dạng chuyển động nhất định.

Tín hiệu từ bộ điều khiển chuyển động gửi tới bộ điều khiển động cơ servo có thể có nhiều dạng:

• Điện áp một chiều dạng tương tự (ví dụ như từ -12VDC đến +12VDC)

• Gói dữ liệu truyền qua mạng

Phản hồi trong hệ thống động cơ servo

Bộ điều khiển và động cơ servo cùng hoạt động để vận hành trong chế độ mạchvòng kín

Khi sử dụng mạch phản hồi, vị trí thực tế, vận tốc hay mô men của động cơ

servo được so sánh với lệnh chuyển động và bất kỳ sai số nào giữa các cặp giá trị trên đều được xác định

Sau đó, bộ điều khiển động cơ servo sẽ sử dụng các thông tin sai số này để điềuchỉnh hoạt động của động cơ theo thời gian thực, sao cho quá trình hoạt động của động cơ đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng

Chu trình phản hồi – xác định sai số – triệt tiêu sai số được gọi là mạch

vòng điều khiển kín

Mạch vòng điều khiển

Mạch vòng điều khiển được xử lý bởi bộ điều khiển động cơ servo, bộ điều khiển chuyển động hoặc cả hai tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển.

Để đạt được chuyển động như mong muốn cho ứng dụng của mình, chúng ta

có thể tách riêng các mạch vòng điều khiển cho vị trí, vận tốc và mô men.Không phải tất cả các ứng dụng điều khiển đều bao gồm cả ba dạng mạch vòngđiều khiển vừa nêu Nhiều ứng dụng chỉ gồm có mạch vòng dòng điện và mạch

vòng tốc độ dùng cho điều khiển tốc độ Nhiều ứng dụng lại cần có cả ba mạchvòng điều khiển để điều khiển vị trí.

• Điều khiển vị trí (position Loop)

Vị trí được hiểu là vị trí góc tuyệt đối của trục động cơ servo hoặc trong vài trường hợp, là vị trí của thiết bị truyền động bởi động cơ servo

Khi động cơ servo thay đổi vị trí, bộ mã hóa xung vòng quay của động cơ servo sẽ gửi phản hồi vị trí thực tế của trục động cơ tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc có thể gửi tín hiệu trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động

Mạch vòng vị trí sẽ tiến hành so sánh vị trí đặt và vị trí thực tế; từ sai số nhận được và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay động cơ theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch vị trí.Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện chính xác theo thông số đã đặt trướcngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi Ví dụ như, nếu thiết bị truyền động bởi động cơ servo trở nên khó di chuyển, bộ điều khiển động cơ servo sẽ điều khiển tăng mô men sinh ra và/hoặc điều khiển động cơ vận hành trong khoảng thời gian lâu hơn để đạt được vị trí mong muốn kể cả khi có ma sát của cơ cấu truyền động

• Điều khiển tốc độ (Velocity Loop)

Tốc độ ở đây được hiểu là vận tốc và chiều quay của động cơ servo

Khi động cơ servo tăng tốc hoặc giảm tốc, bộ mã hóa xung vòng quay sẽ gửi vận tốc và chiều quay thực tế tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc gửi trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động

Mạch vòng tốc độ sẽ so sánh tốc độ đặt với tốc độ hiện tại; dựa vào sai số tốc

độ và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển động cơ sẽ tự độngđiều chỉnh vận tốc động cơ theo thời gian thực để đạt được các yêu cầu của ứng dụng

Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện đúng theo các thông số đã cài đặt ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi Ví dụ như, nếu động cơ servo truyền động cho một cơ cấu có trọng lượng lớn, động cơ sẽ rất khó để giảm tốc Trongtrường hợp này, động cơ có thể tăng mô men nghịch để dừng tải trong khoảng thời gian và khoảng cách theo yêu cầu của ứng dụng

Mô men của động cơ Servo là lực tạo ra từ chuyển động quay của rotor động cơ

Mô men tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator của động cơ Dòng hiệu dụng càng cao, mô men sinh ra càng lớn

Bộ điều khiển động cơ servo đo trị số dòng hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator và dùng phản hồi giá trị này để tự động điều chỉnh dòng điện trong động

cơ theo thời gian thực nhằm đáp ứng được yêu cầu mô men của ứng dụng.Mạch vòng dòng điện đôi khi được hiểu là mạch vòng mô men

Trong ví dụ sau, bộ điều khiển gửi đi 32 xung để điều khiển vị trí động cơ.

Bộ mã hóa xung vòng quay gửi tín hiệu phản hồi vị trí của động cơ Sai số nhận được sẽ được sử dụng để điều chỉnh động cơ đến vị trí đúng

Do quán tính nên động cơ chuyển động vượt quá vị trí chuẩn một chút, sai số

vị trí này sẽ được dùng để điều chỉnh động cơ về vị trí đúng

Bộ phản hồi mã hóa xung vòng quay

Bộ mã hóa xung vòng quay (encoder) là thiết bị phần cứng thiết yếu của hệ

thống động cơ servo có tác dụng phản hồi tốc độ và vị trí

Thông thường, bộ mã hóa xung vòng quay nằm trong hoặc được gắn với động

cơ servo Trong một vài ứng dụng, bộ mã hóa xung vòng quay là thiết bị được

gá lắp riêng biệt với động cơ Cách gá lắp này giúp cho bộ mã hóa xung vòng quay ghi nhận được các thông số khác ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ servo

Có hai dạng bộ mã hóa xung vòng quay chính:

1. Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ (incremental)

2. Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối (absolute)

Cấu trúc vật lý của bộ mã hóa xung vòng quay quyết định dạng tín hiệu phản hồi Chúng ta hãy cùng xem chúng khác nhau như thế nào!

Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ

Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ áp dụng nguyên lý quang học sử dụng một

đĩa thủy tinh trong suốt được in các vạch đối xứng tỏa tròn theo khoảng cách đều Đĩa này được gắn cố định với trục động cơ và quay cùng rotor của động cơ

Các vạch trên đĩa được phát hiện bởi một cảm biến quang điện Đầu ra của cảmbiến thay đổi mỗi khi có sự thay đổi từ sáng sang tối hoặc từ tối sang sáng Tốc

độ thay đổi này tỷ lệ thuận với vận tốc động cơ Đầu ra của bộ mã hóa xung vòng quay là một dải xung tỷ lệ với vận tốc động cơ Đầu ra này đôi lúc còn

được gọi là tín hiệu Pha A.

Như vậy, với bộ mã hóa này chúng ta không thể biết được chiều quay mà chỉ biết được tốc độ của động cơ

Để biết được chiều quay, bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ cần lắp thêm một cảm biến quang thứ hai, cách cảm biến thứ nhất một khoảng cách nhất định

Khi thay đổi chiều quay thì xung cũng thay đổi

Vị trí của cảm biến thứ hai được lắp ở trị trí sao cho sự thay đổi sáng tối làm cho đầu ra của cảm biến thứ hai lệch pha 90 độ so với cảm biến thứ nhất Quan

hệ giữa các xung này được gọi là chậm pha ¼ chu kỳ.

Bằng cách so sánh hai dãy xung lệch pha này, ngoài xác định được vận tốc quay còn có thể xác định được chiều quay!

Đầu ra từ cảm biến thứ 2 còn được gọi là tín hiệu Pha B.

Bên cạnh tín hiệu pha A và pha B, bộ mã hóa xung vòng quay có thể có đầu ra

thứ ba được gọi là Pha Z.

Pha Z chỉ xuất đi một xung ứng với mỗi vòng quay Tín hiệu này có tác dụng xác định vị trí gốc ban đầu hoặc vị trí tham chiếu

Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ sử dụng xung tham chiếu này là điểm bắt đầu

để từ đó xác định vị trí tuyệt đối bằng cách đếm số xung bắt đầu từ một vị trí

đã biết

2 Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối

Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối cũng sử dụng một

đĩa trong suốt; nhưng thay vì dùng các vạch in, đĩa này có

các vùng trong suốt và vùng mờ sắp xếp theo mã nhị phân.

Mỗi bit mã hóa là một vùng riêng biệt trên đĩa và các

cảm biến quang sẽ đồng thời đọc tất cả các vùng này

Dữ liệu đọc từ đĩa là duy nhất ứng với mỗi vị trí góc của trục động cơ Dữ

liệu này có thể được gửi đi từ bộ mã hóa theo phương thức song song hoặc được chuyển đổi sang kiểu dữ liệu nối tiếp

Số bit trong mã dữ liệu quy định độ phân giải góc của bộ mã hóa xung vòng quay Theo lý thuyết, một bộ mã hóa xung vòng quay có độ phân giải 12 bit sẽ

sinh ra 4096 mã đơn nhất khi quay một vòng 360 độ; hay nói cách khác khitrục động cơ quay được 0.088 độ sẽ xuất ra một mã đơn nhất Có nhiều yếu tốảnh hưởng tới việc tăng thêm số góc thực tế nhưng bộ mã hóa 20 bit cũng

không phải là hiếm gặp!

Một phương pháp khác để xác định vị trí tuyệt đối là kết hợp một dạng đặc biệt của bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ với một bộ nhớ phần cứng cùng với một phần mềm riêng thay vì sử dụng chiếc đĩa đắt đỏ của bộ mã hóa tuyệt đối.Thiết bị sử dụng các xung lũy tiến từ bộ mã hóa để tạo một vị trí ảo tuyệt đốitrong bộ nhớ phần cứng Nhờ có pin, bộ nhớ được duy trì ngay cả khi ngắt nguồn của hệ thống.

Cả hai dạng bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối đều có thể gửi phản hồi vị trí cần thiết đến bộ điều khiển động cơ servo

b Encoder

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 Trong các bài toán đo tốc độ động cơ, trong các máy CNC dùng để xác định khoảng dịch chuyển của 1 đối tượng thông qua đếm số vòng quay của trục

I.Khái niệm

Encoder là 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 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 vít me đai ốc bi tới bàn máy Vị trícủa bàn máy có thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn

+ Encoder tương đối kiểu thẳng

+ Encoder tương đối kiểu quay

3 Chi tiết và nguyên lý hoạt động

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, đèn led không chiếu xuyên qua được Chỗ có lỗ, đènled sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con

mắt thu( photosensor) 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

Trong hình có một đĩa mask, không quay đó chính là đĩa cố định Thực ra

là để che khe hẹp ánh sáng đi qua, giúp cho việc đọc encoder chính xác hơn

III.Encoder tuyệt đối

- Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo:

- Kết cấu bao gồm những phần sau:

+ Bộ phát ánh sáng (LED sáng)

+ Đĩa mã hóa (chứa các dải băng mang tín hiệu)

+ Bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (thường là photosensor)

Đĩa mã hóa được chế tạo từ vật liệu trong suốt Người ta chia mặt đĩa thành các góc đều nhau và các đường tròn đồng tâm Các đường tròn đồng tâm và bán kính giới hạn các góc hình thành các phân tố diện tích Tập hợp các phân

tố diện tích cùng giới hạn bởi hai vòng tròn đồng tâm gọi là dảy băng Số dải băng trên mặt đĩa tùy thuộc khả năng công nghệ, ứng với một dải băng ta có một đèn LED và một photosenser Trên các dải băng, các diện tích phân tố có phân tố trong suốt (ánh sáng có thể xuyên qua được) và cũng có phân tố được phủ lên một lớp mà ánh sáng không thể chiếu xuyên qua được Sự trong suốt

và không trong suốt đặc trưng đặc tính của các phân tố

+ Nguyên lý hoạt động:

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 trênmột 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 làvùng 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 sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạngthái 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 (góc đo nhỏ nhất trong trường hợp này là 90 độ)

Tương tự vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2^n) vòng Thế làm sao để xác định 2^n trạng thái này của đĩaencoder Ở đây, tôi đưa ra ví dụ với đĩa encoder có 2 vòng lỗ (2 dải băng) Các bạn sẽ thấy rằng, 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 phátxuyên 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

Và như vậy, với số 10, chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần

tư nào Cũng có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng Trong ví dụ trên, nếu đèn LED đọc được 10 thì vị trí của LED phải nằm trong góc phần tư thứ hai, phía trên, bên trái Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta sẽ quản lý được đến 1/(2^10) tức là đến 1/1024

vòng Hay người ta nói là độ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng (pulse per revolution – ppr) Sau đây là ví dụ encoder 8 vòng lỗ:

• Vậy cách thiết kế encoder như thế nào?

Các bạn luôn chú ý rằng, để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit thứ N (đối với encoder có N vòng lỗ) nằm ở trong 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 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 nhiếu lỗ nên sẽ rất yếu Vì hai điểm này nên bit 0 luôn đặt ở ngoài cùng và bit N-1 luôn đặt ở trong cùng như hình vẽ

Với encoder 8 vòng lỗ ta sẽ quản lý được 1/28 của đĩa (tức là 1,40) Với loại encoder này ta biết được góc quay của đĩa chính xác là 1,40

IV Encoder tương đối

• Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo: