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ENCODERS
Juliano Matias
Este é sem dúvida nenhuma um dos equipamentos mais usados em Automação Industrial e Mecatrônica, pois com ele conseguimos converter movimentos angulares e lineares em informações úteis à nossa máquina ou processo. Neste artigo pretendemos abordar os mais diversos tipos de encoders, seu princípio de funcionamento e suas aplicações. O encoder é um transdutor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos. Esses pulsos gerados podem ser usados para determinar velocidade, taxa de aceleração, distância, rotação, posição ou direção. As principais aplicações dos encoders são:
- em eixos de Máquinas Ferramentas NC e CNC;
- em eixos de Robôs;
- controle de velocidade e posicionamento de motores elétricos;
- posicionamento de antenas parabólicas, telescópios e radares;
- mesas rotativas; e
- medição das grandezas acima mencionadas de forma direta ou indireta. O sistema de leitura é baseado em um disco (encoder rotativo), formado por janelas radiais transparentes e opacas alternadas. Este é iluminado perpendicularmente por uma fonte de luz infravermelha, quando então, as imagens das janelas transparentes são projetadas no receptor. O receptor converte essas janelas de luz em pulsos elétricos conforme os desenho das figuras 1 e 2. Os encoders podem ser divididos em encoders incrementais e absolutos.
Fig 1 - Princípio de funcionamento de um encoder rotativo.
Fig. 2 - Princípio de funcionamento de um encoder linear.
ENCODERS INCREMENTAIS
O encoder incremental fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em 90º, que são chamados usualmente de canal A e canal B. A leitura de somente um canal fornece apenas a velocidade, enquanto que a leitura dos dois canais fornece também o sentido do movimento. Um outro sinal chamado de Z ou zero também está disponível e ele dá a posição absoluta "zero" do encoder. Este sinal é um pulso quadrado em que a fase e a largura são as mesmas do canal A. Veja um exemplo na figura 3.
Figura 3 - Representação gráfica dos sinais A, B e Z de um encoder incremental.
A resolução do encoder incremental é dada por pulsos/revolução (normalmente chamado de PPR), isto é, o encoder gera uma certa quantidade de pulsos elétricos por uma revolução dele próprio (no caso de um encoder rotativo). Para determinar a resolução basta dividir o número de pulsos por 360º, por exemplo, um encoder fornecendo 1024 pulsos/ revolução, geraria um pulso elétrico a cada 0,35º mecânicos.
A precisão do encoder incremental depende de fatores mecânicos, elétricos e ambientais, que são: erros na escala das janelas do disco, excentricidade do disco, excentricidade das janelas, erro introduzido na leitura eletrônica dos sinais, temperatura de operação e nos próprios componentes transmissores e receptores de luz. Normalmente, nos encoders incrementais são disponibilizados além dos sinais A, B e Z, também os sinais complementares, /A, /B e /Z.
Encoder Incremental
ENCODERS ABSOLUTOS
O princípio de funcionamento de um encoder absoluto e de um encoder incremental é bastante similar, isto é, ambos utilizam o princípio das janelas transparentes e opacas, com estas interrompendo um feixe de luz e transformando pulsos luminosos em pulsos elétricos.
Vemos também na figura 5 dois discos óticos um com código binário e outro em código Gray.
Figura 5 - Diferença construtiva dos discos ópticos utilizando código binário e código Gray (2 bits).
O código Gray pode ser convertido facilmente em código binário pelo simples circuito de lógica combinacional da figura 6.
Figura 6 - Circuito de conversão de código Gray para código binário.
A resolução do encoder absoluto é dada por contagem/revolução, isto é, se ele tiver no seu disco (encoder rotativo) 12 faixas para o código Gray, então terá 212 combinações possíveis perfazendo um total de 4096 combinações. Fazendo algumas contas, concluiremos que o encoder gera uma combinação de códigos a cada 0,0879º ou 0º8m79s. Podemos verificar outras resoluções para encoders absolutos na tabela abaixo.
TECNOLOGIA DE ENCODERS ABSOLUTOS VIRTUAIS™
Há um grande fabricante de encoders chamado “Gurley Precision Instruments” que desenvolveu uma nova tecnologia chamada de “Virtual AbsoluteTM Technology” ou, em português, Tecnologia de Encoders Absolutos Virtuais. Nessa nova tecnologia, o disco possui assim como nos encoders incrementais, três informações: canal A, canal B e o zero canal Z, mas com uma particularidade: o canal Z é substituído por um código serial similar com um código de barras ao invés de somente uma janela indicando o zero do encoder. Na figura 7 existe uma comparação entre os discos de um encoder incremental, um encoder absoluto e um disco de um encoder absoluto virtual. Não sabemos a posição real no momento de start-up, como no encoder absoluto convencional, mas depois de um movimento muito curto em qualquer direção e partindo de qualquer ponto do encoder, é possível determinar a posição exata (dentro da resolução) do seu eixo.
Figura 7 - Comparação entre os discos dos encoders incremental, absoluto e absoluto virtual.
Em um encoder rotativo, o ângulo de inicialização é de aproximadamente 1º, enquanto em um linear é de aproximadamente 0,5 mm, em outras palavras, é necessária a movimentação do encoder em aproximadamente
1º ou 0,5 mm para se determinar a posição real de onde a máquina está. Adicionalmente ao código de saída há um bit de status no encoder que informa quando o ele é inicializado. Esse bit indica se há problemas com a fonte de alimentação, algum tipo de interferência eletromagnética ou até mesmo algum tipo de falha no equipamento. Quando todas essas condições estão normais, esse bit de status indica que existe um valor de posição válido na saída do sinal.
Esse tipo de encoder é mais caro que um incremental (mas não muito), e é muito mais barato que um absoluto, fazendo-o ideal para determinadas aplicações. Podemos citar algumas na tabela abaixo.
Na verdade, não existe um encoder que seja ideal para todas as aplicações; cada caso é um caso, e na maioria das que eu conheço, o encoder mais utilizado é o incremental, pois não é tão caro e abrange quase todas as necessidades. Mas existem aplicações onde somente o encoder absoluto é recomendado.
O comportamento do circuito fica comprometido pelo aumento da distância do cabo até a carga, pela freqüência dos pulsos a serem transmitidos e pelo aumento da carga. Assim, para uma aplicação ideal esses parâmetros devem ser levados em consideração. A saída em coletor aberto se diferencia pela falta do resistor de polarização. Com isso, quem polariza o transistor é a própria carga, permitindo que se obtenham diferentes níveis de sinais na carga (figura 8).
Figura 8 - Circuito de saída NPN com e sem coletor aberto.
- PNP e PNP Coletor aberto: Tomemos as mesmas considerações do circuito NPN. A principal diferença está no transistor, que é do tipo PNP, e por isso seu emissor está no positivo da fonte. O resistor quando presente serve como pull-down para o circuito de saída (figura 9).
Fig 9 - Circuito de saída PNP com e sem coletor
- Push-Pull: Este circuito é utilizado para aumentar a performance do circuito de saída. Na verdade, a maior limitação dos circuitos acima apresentados é que o resistor tem que possuir uma resistência muito maior que a impedância de um transistor saturado, e com isso a carga está limitada a uma alta impedância. Para resolver esse problema, um outro transistor é inserido formando uma configuração em push-pull, com isso a impedância da carga pode ser menor. Essa solução aumenta a performance de freqüência, e favorece um maior trecho de cabo entre o encoder e a carga até mesmo em altas velocidades de transmissão (figura 10).
Figura 10 - Circuito de saída "push-pull".
- Drive de Linha: Este é utilizado em ambientes sujeitos a distúrbios elétricos ou onde a distância do encoder até a carga seja muito grande. A transmissão dos sinais se dá de forma complementar. Por isso, o distúrbio elétrico é reduzido substancialmente (desde que o cabo seja blindado e trançado), essas interferência são chamadas interferências em modo comum (figura 11)
Figura 11 - Circuito de saída utilizando um driver diferencial.
CHECK-LIST PARA A ESPECIFICAÇÃO DE UM ENCODER
1- Em uma eventual falha da alimentação do equipamento, o valor do posicionamento poderá ser perdido? 2- Sua máquina utiliza algum tipo de rede Fieldbus? Qual? 3- Resolução do encoder. 4- Precisão que o mesmo requer. 5- Repetitibilidade do encoder. 6- Diâmetro do eixo a ser acoplado ao encoder (caso encoder rotativo). 7- Velocidade máxima mecânica do acoplamento. 8- Índice de proteção da caixa do encoder (IP). 9- Temperatura de operação. 10- Fixação mecânica. 11- Conexão elétrica Radial ou Axial. 12- Alimentação do encoder e seu consumo (normalmente 5 V, 12 V e 24 V). 13 - Tipo de saída e a carga máxima. 14- Se o encoder for absoluto, qual o tipo de código de saída? Gray ou binário? 15- O encoder estará em área classificada?
Encoder com haste prolongada
VOCÊ SABE A DIFERENÇA DE PRECISÃO, RESOLUÇÃO E REPETITIBILIDADE? No universo dos encoders, os termos precisão, resolução e repetitibilidade são usualmente confundidos e muitas vezes usados como sinônimos. Vamos definir esses termos muito utilizados, mas nem sempre corretamente. Assim como no artigo, vamos nos referenciar aos encoders rotativos, pois esses são muito mais empregados do que o encoder linear, mas as definições servem para ambos os tipos. RESOLUÇÃO É a número de pulsos ou o valor da contagem por uma unidade de distância. Em encoders rotativos a resolução é expressa em unidades de ângulo (grau, minuto e segundo ou em radianos), ou em número de
