Báo cáo Tìm hiểu cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V

…………..o0o………….. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BÁO CÁO TÌM HIỂU CẢM BIẾN VỊ TRÍ GÓC QUAY VERT – X 13E5V Nhóm 2 – Lớp K55M Giảng viên: Đoàn Thị Hương Giang Thành viên: Nguyễn Phú Sơn Anh Lê Minh Chương Nguyễn Văn Cường Hoàng Văn Nam Phạm Văn Quyết MỤC LỤC I) Tổng quan về các loại cảm biến II) Nguyên lý và các phương pháp đo cảm biến góc quay III) Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E IV) Mạch đo sử dụng vi điều khiển atmega32 V) Ứng dụng của cảm biến góc quay Bảng phân công công việc Nguyễn Phú Sơn Anh Mô phỏng với Proteus Tốt Lê Minh Chương Tín hiệu tuyến tính(VERT-X 13E), Incremental (VERT-X 13E), SSI (VERT-X 13E), xuất sắc Nguyễn Văn Cường Nguyên lý, tính năng cảm biến Vert-X 13E, Thông số kỹ thuật Vert-X 13E, SPI(VERT-X 13E), good Nguyễn Văn Nam Tổng quan, nguyên lý cảm biến nói chung, Cảm biến góc quay từ trường, Cảm biến góc quay quang học, pro Phạm Văn Quyết Cảm biến góc quay điện trở, Cảm biến góc quay điện dung, Cảm biến Hiệu ứng Hall, PWM (VERT-X 13E) vãi Tổng quan về các loại cảm biến Khái niệm về cảm biến Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được. Phân loại cảm biến Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau: Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích( hiện tượng hóa học, vật lý, sinh học). Theo dạng kích thích( âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiêt, bức xạ). Theo tính năng của bộ cảm biến( độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải,…). Theo phạm vi sử dụng( công nghiệp, dân sự, quân sự, vũ trụ,…). Theo thông số mô hình mạch thay thế. Nguyên lý và các phương pháp đo cảm biến góc quay Nguyên lý Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển. Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển. Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra. Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng. Các loại cảm biến đo góc Điện thế kế điện trở Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường khi có bụi và ẩm. 1.1. điện thế kế dùng con chạy cơ học Cấu tạo và nguyên lý làm việc Cảm biến gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát. Giá trị của điện trở Rx giữa con chạy và một đầu của điện trở Rn là hàm phụ thuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động. Trong đó αM 360o khi dịch chuyển xoắn. (hình 1c) Các điện trở dạng cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni - Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt. Các điện trở được chế tạo với các giá trị Rn nằm trong khoảng 1kΩ đến 100kΩ, đôi khi đạt tới MΩ. Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ và ổn định. Các đặc trưng - Khoảng chạy có ích của con chạy: Thông thường ở đầu hoặc cuối đường chạy của con chạy tỉ số Rx/Rn không ổn định. Khoảng chạy có ích là khoảng thay đổi của x mà trong khoảng đó Rx là hàm tuyến tính của dịch chuyển. Hình 2: sự phụ thuộc của điện trở điện thế kế vào con chạy Hình 3 Độ phân giải của điện thế kế dạng dây - Năng suất phân giải: Độ phân giải xác định bởi lượng dịch chuyển cực đại cần thiết để đưa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận tiếp theo. Giả sử cuộn dây có n vòng dây, có thể phân biệt 2n-2 vị trí khác nhau về điện của con chạy: n vị trí tiếp xúc với một vòng dây. n - 2 vị trí tiếp xúc với hai vòng dây. Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính của dây điện trở và vào khoảng ~10àm. - Thời gian sống: Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây ra hư hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây điện trở trong quá trình làm việc. Thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần. điện thế kế không dùng con chạy cơ học Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ. Điện thế kế dùng con trỏ quang Hình 4 trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang. Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) và băng quang dẫn (4). Băng điện trở đo được phân cách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay. Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc. Điện trở ~20 ms Thời gian Hình 4 Điện thế kế quay dùng con trỏ quang 1) Điot phát quang 2) Băng đo 3) Băng tiếp xúc 4) Băng quang dẫn Thời gian hồi đáp của vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms. Điện thế kế dùng con trỏ từ Hình 5 trình bày sơ đồ nguyên lý một điện thế kế từ gồm hai từ điện trở R1 và R2 mắc nối tiếp và một nam châm vĩnh cữu (gắn với trục quay của điện thế kế) bao phủ lên một phần của điện trở R1 và R2, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc quay của trục. Điện áp nguồn ES được đặt giữa hai điểm (1) và (3), điện áp đo Vm lấy từ điểm chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3). Khi đó điện áp đo được xác định bởi công thức: Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R1 chịu ảnh hưởng của từ trường còn R = R1 + R2 = const. Từ hình 5b ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90o đối với điện kế quay. Cảm biến điện cảm Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm. 2.1. cảm biến tự cảm Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn. Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở. khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có: Trường hợp W = const ta có: Với lượng thay đổi hữu hạn ∆δ và ∆s ta có: Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi (s=const) Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (δ = const): Tổng trở của cảm biến: Từ công thức (7) ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ. Z, L L = f(∆δ) Z5000Hz = f(∆δ) Z500Hz = f(∆δ) ∆δ Hình 7 Sự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí δ Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao (hình 7). - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 8) XV Hình 8 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở. Khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có: Trường hợp W=const ta có: Với lượng thay đổi hữu hạn ∆δ và ∆s ta có: (5) Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí ( δ = const): (6) Tổng trở của cảm biến: (7) Từ công thức (7) ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s. - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 8). Hình 8 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo (hình 11). Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hìn h 11a) hoặc tiết diện khe không khí thay đổi (hình 11b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 11c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo th eo suất điện động E trong cuộn đo thay đổi. - Cảm biến đơn có khe hở không khí: Hình 11 Cảm biến hỗ cảm 1) Cuộn sơ cấp 2) Gông từ 3) lõi từ di động 4) Cuộn thứ cấp (cuộn đo) Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đo W2 : W2 – số vòng dây của cuộn dây đo. Khi làm việc với dòng xoay chiều I = Imsin ωt , ta có: và giá trị hiệu dụng của suất điện động: I - giá trị hiệu dụng của dòng điện, k=W2W1μ0ωI . Với W2, W1 , μ0, ω và I là hằng số, ta có: Hay Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (d = const): Sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn đo W2 khi XV = 0. Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng tương tự nh- cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0. Độ hạy của cảm biến hỗ cảm cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng. - Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai. Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể. - Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình 12). Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau. 3. Cảm biến điện dung 3.1. Cảm biến tụ điện đơn Các cảm biến tụ điện đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển quay (bản cực động) liên kết với vật cần đo. Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện. Hình 13 Cảm biến tụ điện đơn s- diện tích nằm giữa 2 bản cực δ – Khoảng cách giữa 2 bản cực Đưa về dạng sai phân  Độ nhạy của cảm biến Nếu xét đến dung kháng: Đưa về dạng sai phân Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến. 3.2. Cảm biến tụ kép vi sai Độ nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương hỗ giữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ngược chiều nhau. 4.3. Mạch đo Thông thường mạch đo dùng với cảm biến điện dung là các mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều. Mạch đo cần thoả mãn các yêu cầu sau: Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cầu phải thật lớn. Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài. Không được mắc các điện trở song song với cảm biến. Chống ẩm tốt. Hình 15a là sơ đồ mạch cầu dùng cho cảm biến tụ kép vi sai với hai điện trở. Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số cao. Hình 15b là sơ đồ mạch mạch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện. 4. Cảm biến quang Các cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang (thường là tế bào quang điện). Tuỳ theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thước đo (hoặc đối tượng đo), các cảm biến được chia ra: Cảm biến quang phản xạ. Cảm biến quang soi thấu. Cảm biến quang phản xạ Đầu thu quang đặt cùng phía với nguồn phát. Tia sáng từ nguồn phát qua thấu kính hội tụ đập tới một thước đo chuyển động cùng vật khảo sát, trên thước có những vạch chia phản quang và không phản quang kế tiếp nhau, khi tia sáng gặp phải vạch chia phản quang sẽ bị phản xạ trở lại đầu thu quang. Cảm biến quang soi thấu Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một thấu kính hội tụ, một lưới chia kích quang và các phần tử thu quang (thường là tế bào quang điện). Nguyên lý làm việc của cảm biến quang soi thấu Cảm biến quang soi thấu – Encoder loại số gia Encoder tuyệt đối 5. Cảm biến hiệu ứng Hall 5.1 Hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall là hiệu ứng vật lý khi từ trường vuông góc tác dụng lên một bản làm bằng kim loại, chất bán dẫn (chất dẫn điện nói chung ) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. 5.2 Cảm biến vị trí góc quay sử dụng hiệu ứng Hall Cảm biến góc quay sử dụng hiệu ứng Hall là loại cảm biến không tiếp xúc. Cảm biến có 2 phần: Một thành phần là nam châm vĩnh cửu 2 cực có thể quay quanh trục cố định. Phần này được nối với cơ cấu chuyển động quay cần xác định vị trí. Thành phần thứ 2 xác định vị trí của cơ cấu thông qua tín hiệu từ trường quay là dãy các cảm biến Hall. Tín hiệu ra của các cảm biến Hall thông thường là tín hiệu dạng sin hoặc có thêm mạch để chuyển tín hiệu thành dạng xung vuông. Tín hiệu ra của cảm biến Hall Cảm biến đo vị trí góc quay Vert- X 13E Cảm biến Vert- X 13E là cảm ứng đo vị trí góc quay do hãng CONTELEC của Thụy Sĩ phát triển, được ứng dụng khá rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống. Vert- X13E5V có 2 phiên bản, phiên bản B và phiên bản C, trong đó, phiên bản C có nhiều cải tiến và các giao thức hỗ trợ của 2 phiên bản cũng có sự khác nhau. Hình ảnh của cảm biến: Hình ảnh của cảm biến Vert- X 13E5V Cảm biến Vert X 13E5V gồm có 3 chân trong đó : chân màu đỏ là chân điện áp +5V cung cấp cho cảm biến chân màu đen tương ứng với chân GDD của cảm biến chân màu trắng là chân tín hiệu ra của cảm biến Nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản Nguyên lý hoạt động Cảm biến Vert-X 13E sử dụng phương pháp đo vị trí góc quay không tiếp xúc ứng dụng định lý Hall để xác định vị trí góc quay. Cấu tạo Vert-X 13E gồm 2 phần chính. Phần chuyển động được gắn với cơ cấu và nam châm để tạo từ trường. Phần đứng yên có cảm biến xác định vị trí theo từ trường. Tính năng nổi bật Lớp bảo vệ IP69 chất lượng cao Kích thước rất nhỏ gọn Độc lập với phương pháp đo lường( non-contacting measuring method) Thời gian sử dụng lớn Độ chính xác cao Có khả năng làm việc trong điều kiện chật hẹp Một số tính năng tùy chọn Khả năng tùy chỉnh giá trị tương ứng điện áp-góc Khả năng điều chỉnh độ lớn tín hiệu ra X…Y% UB Tùy chọn thiết kế hình dạng Tùy chọn thiết kế nam châm tác động Tùy chọn cáp/ dây dẫn. Thông số kỹ thuật của cảm biến( Datasheet). Phiên bản B C Dữ liệu điện Dải đo 0-3600 0-3600 Độc lập tuyến tính Xem B Xem C Độ trễ tối đa Xem B Xem C Độ phân giải Xem B Xem C Lặp lại max Xem B Xem C Tốc độ lấy mẫu Xem B Xem C Độ trễ truyền hệ thống Xem B Xem C hệ số nhiệt độ tối đa của tín hiệu đầu ra(ppm/K) 50 50 Tuổi thọ (năm) min 10 10 Nguồn nuôi 5±10% 5± 10% Dòng tiêu thụ không tải Xem B xemC Trở thuần tải nhỏ nhất ở đầu ra Xem B Xem C điện dung tải lớn nhất ở đầu ra Xem B Xem C Tần số PWM Xem B ------------- Tính năng đảo ngược cực để bảo vệ nguồn Xem B Xem C Phương thức kết nối qua Xem B Xem C Thông số cơ học Dải đo cơ ( 0 ) 360 360 Thời gian sống nhỏ nhất( cơ học) Vô hạn Vô hạn Nhiệt độ làm việc Xem B Xem C Nhiệt độ lưu trữ Xem B Xem C Lớp bảo vệ IP69 IP69 Chuẩn EN 55022 lớp B, phát xạ bức xạ (30 đến 230 MHz) Max 30 dB (μV/m) Max 30 dB (μV/m) EN 55022 lớp B, phát xạ bức xạ (230 đến 1000 MHz) Max 37 dB (μV/m) Max 37 dB (μV/m) EN 61000-4-3, Phát xạ với tần số cao ( 80 đến 1000 MHz) 100 V/m 100 V/m IEC 60393-1,Độ bền điện môi (VAC, 50Hz, 1min, 1bar) 1 kV 1 kV EN 61000-4-8, Phát xạ trường điện từ ( 50MHz) 30 A/m 30 A/m IEC 68-2-6 rung (Amax = 0.75mm, f = 5 … 2000 Hz) 50g 50g Vert- X13E5V version B Giao tiếp 10 ... 90% UB 5 ... 95% UB PWM SPI Độc lập tuyến tính ( không có sai số) ±0.3 ±0.3 ±0.3 Độc lập tuyến tính ( Cho phép sai số) ±0.5 ±0.5 ±0.5 Trễ max 0.1 0.10.1 0.1 Dải đo ( bit) 12 12 14 Lặp Max 0.1 0.1 0.1 Phương thức mẫu tỉ lệ nhanh (KHz) 5 5 5 Phương thức mẫu tỉ lệ chậm (KHz) 1.66 1.66 1.66 Hệ thống trễ nhanh (μs) 800 800 400 Hệ thống trễ chậm (μs) 4600 4600 600 Dòng tiêu thụ. Không tải.Giao tiếp nhanh( mA) 16 16 16 Dòng tiêu thụ.Không tải.Giao tiếp chậm(mA) 10 10 10 Tải ở đầu ra (kOhm) 10 10 - Điện dung lớn nhất ở đầu ra (nF) 10 1 - Tần số xung (kHz) - 0.1 ( ... 1) - Tính năng đảo ngược cực để bảo vệ nguồn Có Có có Kết nối điện trục Dây Dây Dây băng Mặt cắt của dây đơn ( mm2) 0.25 (AWG24) 0.25 (AWG24) 0.09 (AWG28) Nhiệt độ hoạt động (oC) -40 ... +125 -40 ... +125 -40 ... +125 Nhiệt độ lưu trữ(oC) -40 ... +125 -40 ... +125 -40 ... +125 Vert – X 13E5V version C Giao tiếp SSI Incremental (A,B,Z) Độc lập tuyến tính 1.8 1.8 Trễ max 0.1 0.7 Độ phân giải (bit) 10 10 Độ phân giải cho từng kênh (ppr) - 256/128/64/32 Lặp max 0.12 0.12 Mẫu tỉ lệ (KHz) 10 10 Hệ thống truyền chậm trễ (µs) 65 200 Dòng tiêu thụ không tải (mA) 16 16 Tải ở đầu ra nhỏ nhất (kOhm) 5 5 Điện dung ở đầu ra lớn nhất (nF) 1 1 Điện vòng kết nối xuyên tâm 6 pol pol Kết nối đồng trục Dải băng Dải băng Thiết diện đơn của dây (mm2) 0.09 (AWG28) 0.09 (AWG28) Nhiệt độ hoạt động( oC) -40 ... +125 -40 ... +125 Nhiệt độ lưu trữ (oC) -40 ... +125 -40 ... +125 các đặc trưng cơ bản của cảm biến Giới hạn đo: 0-3600 Giới hạn chuyển động: không giới hạn Điện áp làm việc: 5V(±10%) Độ phân giải: 10-12-14 bit Giao tiếp: USB/Ribbon cable/round cable/dây Dạng tín hiệu đầu ra: tuyến tính/PWM/SPI/SSI/Incremental Tín hiệu đầu ra( Output signal) 5.1. Tín hiệu ra tuyến tính Tín hiệu ra là tín hiệu tương tự có giá trị điện áp từ 10% đến 90% điện áp nguồn nuôi (hoặc X% đến Y% tùy chỉnh). 5.2. PWM PWM (Pulse Width Modulation), Điều chế độ rộng xung là kỹ thuật điều chế, thay đổi độ rộng của xung dựa trên thông tin tín hiệu điều biến. Kỹ thuật điều chế có thể được sử dụng để mã hóa tín hiệu truyền tin, hoặc điều khiển điện áp nguồn trung bình cấp cho các thiết bị điện. “Definition from Wikipedia” 5.3. SPI: SPI (tiếng Anh: Serial Peripheral Interface, SPI bus — Giao diện Ngoại vi Nối tiếp, bus SPI) là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần full-duplex (hai chiều, hai phía), do công ty Motorola thiết kế nhằm đảm bảo sự liên hợp giữa các vi điều khiển và thiết bị ngoại vi một cách đơn giản và giá rẻ. Đôi khi SPI còn được gọi là giao diện bốn-dây (tiếng Anh: four-wire). Khác với cổng nối tiếp chuẩn (tiếng Anh: standard serial port), SPI là giao diện đồng bộ, trong đó bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu đồng hồ tăctơ chung, tín hiệu này sinh ra bởi thiết bị chủ động (bộ vi xử lí). Thiết bị ngoại vi bên phía nhận (bị động) làm đồng bộ quá trình nhận chuỗi bit với tín hiệu đồng hồ tăctơ. Có thể kết nối một số vi mạch vào mỗi giao diện ngoại vi nối tiếp của vi mạch-thiết bị chủ động. Thiết bị chủ động chọn thiết bị bị động để truyền dữ liệu bằng cách kích hoạt tín hiệu "chọn chip" (tiếng Anh: chip select) trên vi mạch bị động. Thiết bị ngoại vi nếu không được chọn bởi bộ vi xử lí sẽ không tham gia vào quá trình truyền theo giao diện SPI. Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số: MOSI hay SI — cổng ra của bên chủ động, cổng vào của bên bị động (tiếng Anh: Master Out Slave In), dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động. MISO hay SO — cổng vào của bên chủ động, cổng ra của bên bị động (tiếng Anh: Master In Slave Out), dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị bị động đến thiết bị chủ động. SCLK hay SCK — tín hiệu đồng hồ tăctơ nối tiếp (tiếng Anh: Serial Clock), dành cho việc truyền tín hiệu đồng hồ tăctơ dành cho thiết bị bị động. CS hay SS — chọn vi mạch, chọn bên bị động (tiếng Anh: Chip Select, Slave Select). Về bản chất, SPI là sự hoán đổi dữ liệu giữa 2 bên. Việc chuẩn bị dữ liệu của 2 bên được thực hiện từ trước khi thao tác trao đổi dữ liệu xảy ra. Dữ liệu Slave trả về là nội dung của thanh ghi dữ liệu của SPI tích hợp trên Slave. Giao tiếp SPI với Vert-X 13E SPI: Độ phân giải 14 bit Tốc độ lấy mẫu: 0.55-2.2 KHz Cảm biến đóng vai trò slave. Dữ liệu được ghi vào thanh ghi SPDR sau mỗi lần lấy mẫu. Khi Master (vdk) đưa tín hiệu chân SS xuống thấp, phát xung giữ nhịp trên SCK, Dữ liệu về vị trí của cảm biến được tự động truyền sang master. 5.4. SSI (synchronous serial interface) SSI (synchronous serial interface) là chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ, điểm nối điểm giữa một trạm chủ (vdk) và một trạm tớ (cảm biến). SSI xây dựng trên chuẩn RS422 có hiệu quả cao và được phát triển trên nền tảng phần cứng rất đa dạng. SSI rất thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy trong đo lường ở nhiều môi trường công nghiệp khác nhau. Việc truyền dữ liệu được đồng bộ hóa giữa trạm truyền và nhận bằng tín hiệu xung giữ nhịp (clock signal). Trạm chủ điều khiển xung dữ nhịp còn trạm tớ gửi dữ liệu theo xung nhịp đồng bộ với trạm chủ. Các tín hiệu đồng hồ và dữ liệu được truyền theo chuẩn RS-422, sử dụng tín hiệu vi sai giữa một cáp 2 dây. Thiết kế Giao diện SSI đơn giản bao gồm 2 cặp dây, một cặp truyền tín hiệu đồng hồ từ trạm chủ và một cặp truyền dữ liệu từ trạm tớ. Clock được kích hoạt từ trạm chủ khi cần thiết. Tần số Clock có thể được sử dụng từ 100 kHz đến 2 MHz và số lượng các xung Clock phụ thuộc vào số bit dữ liệu được truyền đi. Truyền dữ liệu Chế độ truyền đơn Ban đầu khi chưa làm việc, cả 2 đường tín hiệu clock và data đều được giữ ở mức cao. Chế độ truyền dữ liệu sẽ được khởi động khi trạm chủ bắt đầu phát xung clock. Sau khi phát hiện tín hiệu clock, trạm tớ sẽ gửi dữ liệu bắt đầu từ bit cao nhất vào thời điểm cạnh lên của xung clock. Sau khi việc truyền dữ liệu hoàn tất, tín hiệu trên dây clock sẽ được đưa trở lại mức cao. Trong khi đo tín hiệu ở dây data được giữ ở mức thấp trong khoảng thời gian tm để trạm tớ nhận ra transfer timeout. Nếu trong thời gian tm này, trạm chủ tiếp tục phát xung thì trạm tớ sẽ tiếp tục truyền lại dữ liệu một lần nữa. Trạm tớ bắt đầu chuẩn bị dữ liệu cho lần truyền tiếp theo trong khi giữ tín hiệu dây data ở mức cao ở chế độ nhàn rỗi (sau khoảng thời gian tm). Chế độ truyền liên tiếp Như đã nói ở trên, trước khi kết thúc khoảng thời gian tối thiểu chờ timeout, nếu xuất hiện xung clock từ trạm chủ thì trạm tớ sẽ hoạt động ở chế độ truyền liên tiếp. Trạm tớ sẽ không bắt đầu cập nhập dữ liệu mới mà truyền lại dữ liệu đã chuẩn bị trước đó. Chế độ truyền liên tiếp thường dùng để kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu. Sự truyền hỏng sẽ được phát hiện sau khi so sánh 2 giá trị nhận được. 5.5. Incremental (dạng tín hiệu xung vuông, giống encoder loại số gia) : Tín hiệu ra incremental của cảm biến Vert-X 13E tương tự như tín hiệu ra của incremental encoder quang học. Mỗi cảm biến sẽ có 3 kênh( A, B, Z). Tín hiệu trên kênh A là dạng xung vuông. Cứ mỗi một bước chuyển động quay của vật cần đo, cảm biến sẽ phát ra một xung trên kênh A. Số xung được phát ra trên một vòng quay được gọi là độ phân giải của cảm biến. Tín hiệu trên kênh B là dạng xung vuông có cùng tần số với tín hiệu trên kênh A nhưng lệch pha 900 hoặc 1800, được dùng để xách định chiều quay của vật cần đo. Cứ mỗi một vòng quay của vật, kênh Z sẽ phát ra một xung vuông. Tín hiệu trên kênh này dùng để xác định số vòng quay của vật. Thiết kế của cảm biến góc quay Vert –X 13E5V Thông số hình học cơ bản của Vert –X 13E5V Vị trí làm việc( Z) Khoảng cách Z(mm) Version B 11.05 mm Version B redundant 10.55 mm Version C 10.55 mm Độ lệch trục tối đa cho phép của nam châm tác động: dx = ± 0.25mm dy = ± 0.25mm dz = ± 0.5mm Mạch đo sử dụng vi điều khiển atmega32 Giới thiệu vi điều khiển Vi điều khiển atmega32 là vdk 8 bit thuộc họ AVR của hãng Atmel. Atmega32 có các đặc điểm chính: có 40 chân trong đó có 32 chân I/O Tốc độ xung nhịp lên đến 16MHz (nếu sử dụng thạch anh ngoài).Kiến trúc RISC , 131 instruction , 32 thanh ghi mục đích chung, 16MIPS.(ở 16MHz) Bộ nhớ chương trình 32kb, 1024kb EEPROM , 2kb SRAM 2 timer/counter 8 bit 1 timer/counter 16bit 4 kênh PWM 8 kênh ADC 10-bit Giao diện 4 dây SPI Giao diện 2 dây TWI Giao diện nối tiếp USART Thiết kế mạch đo Đọc tín hiệu tuyến tính Ta có thể sử dụng chức năng ADC trong vdk atmega32 để đọc tín hiệu tuyến tính từ cảm biến. Đọc tín hiệu PWM Tần số 0.1 - 1 kHz Tốc độ lấy mẫu: 1.66-5 kHz Độ phân giải: 12bit Để đọc được tín hiệu PWM từ cảm biến, ta sử dụng chức năng Input Capture của vdk atmega32. Khi sử dụng chức năng Input Capture, mỗi sự thay đổi tín hiệu trên chân CP1(chân20) sẽ cho phép ngắt input capture được gọi, giá trị cua thanh ghi 16-bit TCNT1(thanh ghi đếm của timer/counter 1) sẽ được ghi sang thanh ghi 16-bit ICP1. Trong mỗi ngắt, ta sẽ thay đổi chế độ bắt của Input Capture (lần lượt bắt cạnh lên và xuống của xung). Giá trị ICR1 giữa mỗi lần cạnh lên và xuống là giá trị cần đo.Khi xung PWM có duty cycle quá nhỏ hoặc quá lớn (gần 100%), sẽ khó khăn hơn để đọc xung PWM bằng Input Capture, bởi thủ tục gọi hàm ngắt sẽ mất một khoản thời gian. Vì vậy PWM dùng trong giao tiếp sẽ có duty cycle trong một khoảng nhất định (ví dụ 25% đến 75%). Đọc tín hiệu SPI: Độ phân giải 14 bit Tốc độ lấy mẫu: 0.55-2.2 kHz Cảm biến đóng vai trò slave. Dữ liệu được ghi vào thanh ghi SPDR sau mỗi lần lấy mẫu. Khi Master (vdk) đưa tín hiệu chân SS xuống thấp, phát xung giữ nhịp trên SCK, Dữ liệu về vị trí của cảm biến được tự động truyền sang master. Vì vậy, nếu Master yêu cầu dữ liệu quá nhanh, nhỏ hơn thời gian lấy mẫu của Slave. Khi đó master sẽ nhận lại giá trị cũ đã nhận lần trước đó. Nếu yêu cầu dữ liệu quá chậm, sẽ ảnh hưởng đến hệ thống. Đọc tín hiệu SSI Độ phân giải: 10 bit Tốc độ lấy mẫu: 10kHz Do SSI sử dụng chuẩn RS-422 phát ra tín hiệu vi sai và tín hiệu nên phải sử dụng các bộ RS-422 Transciever để chuyển đổi tín hiệu và đọc trên các PORT của vi điều khiển. ở đây sử dụng IC MAX 1486 của hãng MAXIM. Nhận dữ liệu từ cảm biến Trên các vi điều khiển thông thường không có module riêng dành cho SSI. Tuy nhiên với khung dữ liệu tương đối đơn giản và giống với giao diện SPI, ta có thể cho vi điều khiển nhận dữ liệu thông qua module SPI hoặc lập trình để vi điều khiển nhận dữ liệu qua một chân bất kỳ. Nhận dữ liệu từ chân bất kỳ Nguyên tắc của phương pháp này là bật tắt (toggle) một chân của vi điều khiển để tạo xung clock điều khiển việc truyền dữ liệu từ cảm biến. Một chân khác sẽ được dùng làm cổng nhận dữ liệu của “giao diện nối tiếp”. Ta sẽ tạo một biến có độ dài thích hợp để chứa dữ liệu nhận về. Cách ghi dữ liệu vào biến này sẽ tương đương với một thanh ghi dịch. Hàm đọc dữ liệu 12bit Uint16 pinToggleReadSSI ( void ) { Uint8 bit_count; Uint16 result = 0; Uint8 portdata; for (bit_count=0; bit_count<13; bit_count++) { // falling edge on clock port SSI_CLK_PORT &= ~(1 << SSI_CLK_BIT); // left-shift the current result result = (result << 1); // rising edge on clock port, data changes SSI_CLK_PORT |= (1 << SSI_CLK_BIT); // read the port data portdata = SSI_DTA_PORT; // evaluate the port data (port set or clear) if ( (portdata & (1 << SSI_DTA_BIT)) != 0) { // bit is set, set LSB of result result = result | 0x01; } } Result <<=1; //delay at least 25 μs for timeout Delay_us(25); return result; } Trong hàm trên, ta không cần tính đến tốc độ của xung clock. Phương pháp này đơn giản và có thể ứng dụng cho tất cả các vi điều khiển dù đơn giản nhất. Một cách khác là có thể sử dụng module SPI có sẵn trong các vdk. Với vdk 8 bit, dữ liệu sẽ được đọc 2 lần, cho 8 bit cao và 6 bit thấp. Dữ liệu thu được phải dịch bit sang phải 2 vị trí. Tốc độ truyền cao nhất của SPI là ¼ xung nhịp hệ thống. /*FH************************************************************************* * Name: spiInit * Description: init SPI as master for use with SSI *****************************************************************************/ void spiInit( void ) { // configure SCK, MOSI and Slave Select as output DDRB = (1 << SPI_SCK_BIT) | (1 << SPI_MOSI_BIT) | (1 << SPI_SS_BIT); // configure SPI as master, with CLK idle high SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << CPOL); } /*FH************************************************************************* * Name: readSSI_SPI * Return value: value read from SSI * Description: read a 25 Bit SSI word using the SPI interface ******************************************************* ********************/ Uint16 spiReadSSI( void ) { Uint8 byteCount; Uint8 data; Uint16 result = 0; for (byteCount=0; byteCount<2; byteCount++) { // send a dummy byte, read the result SPDR = 0xFF; // send 0xFF as dummy result <<= 8; // left shift the result so far while ( (SPSR & (1 << SPIF)) == 0); // wait until transfer complete data = SPDR; // read data from SPI register result |= u8data; // and ‘or’ it with the result word } result >>= 2; // throw aways the LSBs return result; } Chế độ truyền đôi được thực hiện bằng cách cho vdk xuất xung clock 25 chu kỳ liên tiếp. Dữ liệu 24 bit nhận về sẽ được xử lí và so sánh để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu. Đọc tín hiệu Incremental 3 kênh Độ phân giải 10 bit, Tốc độ lấy mẫu 10kHz Kênh A được nối với một chân ngắt ngoài của vdk. Kênh B được nối với một chân bất kỳ. Cứ mỗi một ngắt xảy ra(có một xung trên kênh A), trình phục vụ ngắt ngoài được gọi tự động. Ta sẽ kiểm tra mức của kênh B. tùy theo mức của kênh B tại thời điểm đó là cao hay thấp mà chiều quay của vật được xác định. Ứng dụng của cảm biến góc quay Cảm biến vị trí góc quay được ứng dụng trong trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau: Ứng dụng trong Phương tiện / xe đua thể thao Cảm biến vị trí góc quay được ứng dụng rất nhiều trong các phương tiện, đặc biệt là ô tô. Cảm biến góc quay giúp xác định độ mở bướm ga, góc quay vô lăng, góc mở bàn đạp ga/ thắng….từ đó giúp điều chỉnh, tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao tính an toàn của phương tiện. Thiết bị cơ khí/ robotic Cảm biến vị trí góc quay được ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết bị cơ khí, trong việc điều khiển robot. ví dụ, trong máy gia công chính xác CNC, cảm biến vị trí góc quay giúp xác định chính xác góc lưỡi dao nhờ đó có thể gia công chính xác vật liệu. đối với robot, cảm biến vị trí góc quay giúp xác định góc tay máy trong công nghiệp, hướng tác động… là thành phần không thể thiếu giúp điều khiển, tự động hóa các quy trình sản xuất sử dụng robot. Một ứng dụng rất hay được nhắc tới khi nói đến cảm biến vị trí góc quay đó là điều khiển động cơ servodriver. Động cơ servo là thiết bị được điều khiển bằng chu trình kín. Dựa vào tín hiệu hồi tiếp về vị trí góc, tốc độ, hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển động cơ quay theo góc và tốc độ như mong muốn. Cảm biến vị trí góc quay như Vert X 13E5V có nhiệm vụ xác đị vị trí góc của trục động cơ, so sánh với yêu cầu thực tế góc ra để có thể điều chỉnh động cơ như mong muốn.