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.
Encoder được chia làm 2 loại, absolute encoder và incremental encoder. Tạm dịch là encoder tuyệt đối và encoder tương đối. Chữ encoder tuyệt đối dịch theo nguyên văn, nhưng vì tiếng việt mình cái gì có 2 loại, thì loại còn lại được dịch ngược lại với loại kia. Cho nen dịch là encoder tương đối cho incremental encoder.
Nếu dịch sát nghĩa, khi ta đọc absolute encoder, có nghĩa là encoder tuyệt đối, tức là tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ ràng vị trí của encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm, cũng biết chính xác vị trí của encoder.
Còn incremental encoder, là loại encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ. Các bạn hình dung thế này, nếu bây giờ các bạn đục một lỗ trên một cái đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩa quay 1 vòng, các bạn sẽ nhận được tín hiệu, và các bạn đã biết đĩa quay một vòng. Nếu bây giờ các bạn có nhiều lỗ hơn, các bạn sẽ có được thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vong, 1/8 vòng, hoặc 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm trên incremental encoder.
Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Do vậy, encoder loại này có tên incremental encoder (encoder tăng lên 1 đơn vị).
nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, led và lỗ
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.
Hình sau sẽ minh họa nguyên lý cơ bản của hoạt động encoder.
các bạn thấy trong hình, có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố định, thực ra là để che khe hẹp ánh sáng đi qua, giúp cho việc đọc encoder được chính xác hơn mà thôi. Chúng tôi không để cập đến đĩa mặt nạ này ở đây.
hoạt động của hai loại encoder này như thế nào?
1) absolute encoder
vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây, chính là vấn đề về độ mịn của encoder, có nghĩa là làm thế nào biết đĩa đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng.
Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo một cách hoàn toàn toán học nhé:
Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái. 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 như 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 đĩa encoder?
Các bạn xem hình sau:
Ở đây, tôi đưa ra ví dụ với đĩa encoder có 2 vòng đĩa. 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 phát xuyên qua 2 vòng lỗ, và 2 đèn thu.
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 abosulte encoder 8 vòng lỗ:
vậy cách thiết kế absolute 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, bit0 (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 nhiều lỗ, sẽ rất yếu. Vì hai điểm này, nên bit0 luôn đặt ở ngoài cùng, và bitn-1 luôn đặt trong cùng như hình trên.
Rất nhiều người thắc mắc về cách thực tế để vẽ encoder như thế nào. Tuy nhiên, kể từ khi có chương trình thiết kế encoder này, tôi cho rằng chúng ta không nên quan tâm đến vấn đề đó nữa. Chỉ cần hiểu nó hoạt động ra sao, rồi sau đó chúng ta dùng chương trình này để vẽ.
Lười quá, mai pót tiếp ...hehhee...