Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và điều khiển chính xác, động cơ servo là thành phần điều hành cốt lõi, hiệu suất của nó trực tiếp xác định độ chính xác và khả năng đáp ứng động của hệ thống. VàBộ mã hóa tăng dầnLà "cơ quan cảm nhận" của hệ thống servo, thông qua phản hồi thời gian thực về vị trí và tốc độ của rôto, nó trở thành sự hỗ trợ kỹ thuật then chốt để thực hiện điều khiển vòng kín.

I. Nguyên tắc làm việc và lợi thế cốt lõi của bộ mã hóa tăng dần

Bộ mã hóa tăng cường chuyển đổi góc quay cơ học thành tín hiệu xung điện bằng cách phát hiện sự thay đổi định kỳ của đĩa raster hoặc sọc từ. Đầu ra lõi của nó chứa ba bộ tín hiệu:

Xung pha A/B: xung trực giao với chênh lệch pha 90 ° giữa hai chiều, được sử dụng để tính toán lượng dịch chuyển và hướng quay (phân biệt theo chiều kim đồng hồ/ngược chiều kim đồng hồ theo thứ tự bằng cách đánh giá sự gia tăng dọc theo/giảm dần);

Tín hiệu Z-Phase Zero: Mỗi vòng quay đầu ra một xung, như một điểm tham chiếu tuyệt đối cho nguồn gốc cơ học, để giải quyết vấn đề mất vị trí sau khi bộ mã hóa tăng cường mất điện.

So với bộ mã hóa tuyệt đối, bộ mã hóa tăng cường có ba lợi thế đáng kể:

Hiệu quả chi phí: cấu trúc đơn giản, không cần đĩa mã hóa phức tạp, giá chỉ bằng 1/3~1/2 của bộ mã hóa tuyệt đối chính xác tương tự;

Khả năng chống nhiễu mạnh: Bộ mã hóa tăng cường từ tính có thể hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt như nhiễu điện từ mạnh, dầu bẩn và bụi;

Phản ứng động nhanh: Độ trễ truyền tín hiệu xung thấp, thích hợp cho các cảnh điều khiển chuyển động tốc độ cao.

II. Điều khiển vị trí: từ đếm xung đến độ chính xác cấp nano

Bộ mã hóa tăng cường cho phép điều khiển vòng kín vị trí bằng cách đếm xung, với các quy trình cốt lõi như sau:

Thu thập xung: bộ mã hóa mỗi lần quay một đơn vị độ phân giải (chẳng hạn như bộ mã hóa dây 1024 đầu ra 1024 xung mỗi vòng), bộ điều khiển ghi lại số xung thông qua cổng đếm tốc độ cao;

Chuyển đổi vị trí: theo vị trí công thức=số xung/độ phân giải, chuyển đổi số xung thành góc thực tế hoặc dịch chuyển tuyến tính (cần kết hợp tỷ lệ bánh răng hoặc hướng dẫn vít);

Bù lỗi: Hiệu chuẩn lỗi tích lũy thường xuyên thông qua tín hiệu Z pha zero, kết hợp với thuật toán điều khiển chuyển tiếp để loại bỏ các yếu tố phi tuyến như khoảng cách cơ học, biến dạng đàn hồi và các yếu tố khác.

Trường hợp ứng dụng điển hình:

Hệ thống cho ăn máy CNC: sử dụng bộ mã hóa tăng cường 17 bit (độ phân giải lên tới 131072 xung/vòng quay), phối hợp với thước đo lưới để đạt được độ chính xác định vị ở mức micron, đáp ứng nhu cầu gia công chính xác;

Điều khiển khớp robot: Tăng độ phân giải của bộ mã hóa lên 4096 xung/vòng quay thông qua công nghệ tần số gấp 4 lần (tính cả xung A/B pha tăng dọc theo/giảm dọc theo đều) để đạt được điều khiển cấp độ radian của góc khớp;

Thiết bị bán dẫn: Trong robot truyền wafer, bộ mã hóa tăng cường phối hợp với động cơ tuyến tính để đạt được độ chính xác định vị lặp lại ± 0,1 μm bằng cách đếm xung.

III. Đo tốc độ: sự tiến hóa của công nghệ từ phương pháp tần số đến phương pháp MT

Bộ mã hóa tăng tốc cho phép đo tốc độ quay thông qua các đặc điểm thời gian của tín hiệu xung, các phương pháp chính bao gồm:

1. Phương pháp tần số (M)

Nguyên tắc: Số xung được thống kê trong một cửa sổ thời gian cố định, tốc độ quay được tính bằng công thức RPM=số xung/(độ phân giải × cửa sổ thời gian).

Tính năng:

Độ chính xác cao của phép đo tốc độ cao (chẳng hạn như 1000rpm, bộ mã hóa dây 1024 có thể chụp 17 xung mỗi 10ms, lỗi chỉ 0,6%);

Các lỗi ở tốc độ thấp là đáng kể (ví dụ, ở tốc độ 10 vòng/phút, chỉ có 0,17 xung trong 10 ms, yêu cầu thời gian đếm kéo dài hoặc sử dụng công nghệ nhân đôi tần số).

Phương án tối ưu hóa:

Gấp đôi phần cứng: 4 lần tần số, 16 lần tần số thông qua FPGA hoặc chip đặc biệt, tăng độ phân giải tốc độ thấp;

Lọc phần mềm: Sử dụng thuật toán trung bình trượt để ngăn chặn rung xung.

2. Luật chu kỳ (Luật T)

Nguyên tắc: Đo khoảng thời gian của các xung liền kề và tính tốc độ bằng công thức RPM=1/(độ phân giải × khoảng thời gian).

Tính năng:

Độ chính xác cao của phép đo tốc độ thấp (chẳng hạn như 1rpm, khoảng cách xung của bộ mã hóa dây 1024 lên đến 60ms, lỗi đo có thể được kiểm soát trong vòng 0,1%);

Lỗi tăng ở tốc độ cao (chẳng hạn như khoảng cách xung chỉ 0,6 ms ở 1000rpm, bị giới hạn bởi độ chính xác của đồng hồ).

Phương án tối ưu hóa:

Nội suy đồng hồ tần số cao: sử dụng đồng hồ trên 100 MHz để phân chia khoảng thời gian xung, nâng cao độ chính xác của phép đo tốc độ cao;

Đo đồng bộ đa xung: chụp nhiều chu kỳ xung cùng một lúc, lấy giá trị trung bình để giảm lỗi ngẫu nhiên.

3. Phương pháp hỗn hợp (MT)

Nguyên lý: Kết hợp phương pháp tần số và phương pháp chu kỳ, thống kê số xung (phương pháp M) trong một thời gian cố định, đồng thời đo số xung đồng hồ tần số cao (phương pháp T), tính toán tốc độ quay bằng công thức=tần số đồng hồ tần số cao × số xung/(độ phân giải × số đồng hồ tần số cao).

Tính năng:

Cân bằng độ chính xác miền tốc độ cao (chẳng hạn như lỗi nhỏ hơn 0,01% trong phạm vi từ 1 vòng/phút đến 10.000 vòng/phút);

Độ phức tạp của thuật toán cao, cần hỗ trợ phần cứng chuyên dụng.

Cảnh ứng dụng điển hình:

Máy kéo thang máy: sử dụng phương pháp MT để đo tốc độ động cơ, để đạt được độ chính xác kiểm soát tốc độ 0,01m/s, đảm bảo sự thoải mái của thang máy;

Động cơ lái xe năng lượng mới: thông qua bộ mã hóa tăng và thiết kế dự phòng máy biến áp quay, kết hợp với phương pháp MT để đạt được điều khiển thu thập dữ liệu tốc độ thấp 0,1 vòng/phút;

Hệ thống biến đổi mái chèo của máy phát điện gió: Trong phạm vi tốc độ rộng từ 0,1 vòng/phút đến 15 vòng/phút, phương pháp MT đảm bảo độ chính xác của điều khiển góc mái chèo là ± 0,1 °.

IV. Thách thức kỹ thuật và xu hướng phát triển

Mặc dù bộ mã hóa tăng cường có lợi thế về chi phí và độ tin cậy, nhưng sự phụ thuộc vào bộ đếm bên ngoài và nhu cầu tìm lại số 0 sau khi mất điện vẫn hạn chế việc mở rộng ứng dụng. Có hai xu hướng phát triển công nghệ hiện nay:

Tích hợp thông minh: thiết kế tích hợp bộ mã hóa với trình điều khiển để đạt được phần cứng đếm xung, tính toán tốc độ, bù lỗi thông qua chip DSP tích hợp, giảm tải bộ điều khiển;

Hợp nhất đa cảm biến: kết hợp bộ mã hóa tăng với bộ mã hóa tuyệt đối, cảm biến hiện tại, xây dựng hệ thống phản hồi đa phương thức, nâng cao khả năng chịu lỗi của hệ thống (chẳng hạn như chuyển sang điều khiển vòng hiện tại khi bộ mã hóa bị lỗi).

　

　 Bộ mã hóa tăng dầnVới tỷ lệ giá cao và độ tin cậy, nó chiếm ưu thế trong lĩnh vực điều khiển vị trí động cơ servo và đo tốc độ quay. Với việc cải thiện các yêu cầu về độ chính xác và thông minh của ngành công nghiệp 4.0, bộ mã hóa tăng cường đang liên tục vượt qua ranh giới hiệu suất thông qua đổi mới công nghệ để cung cấp các giải pháp điều khiển chuyển động chính xác hơn cho sản xuất thông minh.