Baixe Encoders (Codificadores) e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity!
TEORIA 19TEORIA 19 ENCODERS (Codificadores)ENCODERS (Codificadores)
19.1 Princípio de Funcionamento de um Encoder Óptico:
Um encoder é um dispositivo eletromecânico que pode medir movimento ou posição. A maioria dos encoder usa sensores ópticos para prover sinais elétricos na a forma de trens de pulso, os quais, por sua vez, podem ser traduzidos em informação de movimento, de direção, ou de posição.
Encoders rotativos são usados para medir o movimento rotacional de um eixo. A figura ao lado mostra os componentes fundamentais de um encoder rotativo que consiste em um diodo emissor de luz (LED), um disco, e um detector de luz (fototransistor) no lado oposto do disco. O disco que está montado no eixo giratório tem uma série de perfurações regulares que são repetidas continuamente formando segmentos opacos e transparentes codificados no disco. A medida que o disco gira, os segmentos opacos bloqueiam a luz e as janelas transparentes permitem a passagem da luz. Isto gera pulsos de onda quadrada que podem ser interpretados então em informação de movimento ou posição.
19.2 Encoder Incremental:
Encoders Incrementais são dedicados à medição precisa de:
- Posição angular;
- Velocidade;
- Direção, de um movimento rotacional.
Sempre que movimentos mecânicos rotativos têm que ser monitorados, o encoder (ou codificador) é a interface mais importante entre o mecanismo e a unidade de controle. Os encoders transformam movimento rotativo em uma seqüência de pulsos elétricos.
No caso de encoders óticos, o principio de funcionamento baseia-se em que um certo número de segmentos de luz intercalados com sombra, obtidos por janelas transparentes contidas na periferia de um disco opaco, são esquadrinhados por processo fotoelétrico. A cada segmento o feixe de luz é interrompido, transformando pulsos luminosos em pulsos elétricos.
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
O número de segmentos determina a resolução do movimento e conseqüentemente a precisão da posição. Como apenas incrementos de rotação poderiam ser detectados com apenas um único sinal, então um segundo sinal, defasado em 90 graus, é adicionalmente gerado, com a inserção de um diafragma de grade. A defasagem de 90 graus entre os sinais possibilita determinar não apenas os incrementos, mas ainda o sentido da rotação. Em adição, a cada revolução completa um sinal de referência (sinal zero) pode também ser gerado.
O número de segmentos determina a resolução do movimento e conseqüentemente a precisão da posição. Como apenas incrementos de rotação poderiam ser detectados com apenas um único sinal, então um segundo sinal, defasado em 90 graus, é adicionalmente gerado, com a inserção de um diafragma de grade. A defasagem de 90 graus entre os sinais possibilita determinar não apenas os incrementos, mas ainda o sentido da rotação. Em adição, a cada revolução completa um sinal de referência (sinal zero) pode também ser gerado.
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
SINAL ZERO
É possível se multiplicar os pulsos, de modo que com isso a resolução de um encoder incremental de dois canais seja multiplicada por dois ou por quatro. Basta que se utilize algum circuito detector de bordas adequado. Assim, um encoder com fisicamente 5000 pulsos por revolução pode gerar 20000 pulsos por revolução usando esta técnica.
É possível se multiplicar os pulsos, de modo que com isso a resolução de um encoder incremental de dois canais seja multiplicada por dois ou por quatro. Basta que se utilize algum circuito detector de bordas adequado. Assim, um encoder com fisicamente 5000 pulsos por revolução pode gerar 20000 pulsos por revolução usando esta técnica.
A fim de se fazer a necessária determinação do ponto zero de um sistemas que usa encoder incremental, estes sistemas devem ser referenciados, ou seja, deve ser realizada uma rotina de procedimentos adequada que realize movimentos entre os pontos de comutação de sensores de fim de curso, que assim deste modo permita determinar um ponto zero (zero máquina ou home ). Emprega-se nestes sistemas chaves fim de curso especiais que podem garantir precisão do ponto de acionamento de ate 1 μm.
A fim de se fazer a necessária determinação do ponto zero de um sistemas que usa encoder incremental, estes sistemas devem ser referenciados, ou seja, deve ser realizada uma rotina de procedimentos adequada que realize movimentos entre os pontos de comutação de sensores de fim de curso, que assim deste modo permita determinar um ponto zero (zero máquina ou home ). Emprega-se nestes sistemas chaves fim de curso especiais que podem garantir precisão do ponto de acionamento de ate 1 μm.
Aplicações típicas são:Aplicações típicas são:
- • Medida de ângulo precisa;Medida de ângulo precisa;
19.4.2 Aplicações:
Diferentemente dos encoders incrementais, o encoder absoluto produz um sinal em relação a um ponto fixo absolutamente definido. Cada ângulo corresponde a uma combinação específica de bits, assim a posição do objeto monitorado pode ser se informada imediatamente depois energizar ou depois de uma interrupção de energia.
19.5 Encoders Absolutos Multi-Voltas:
Encoders absolutos multi-voltas - para posicionamento absoluto mesmo com várias revoluções.
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
A - conta o número de revoluções (12 bits para 4096);
B - Conta o número de passos por revolução (13 bits para 8192).
Na o caso de encoders multi-voltas ópticos, o ângulo de rotação é detectado por meio de um encoder absoluto de 13 bits e o número de revoluções com um contador de 12 bits. A transmissão de dados é efetuada por uma interface serial síncrona (SSI) padrão. Os dados podem ser exibidos no código Gray ou no código binário.
Na confecção dos discos dos encoders absolutos, pode ser empregado tanto o código binário como o código Gray.
O código binário é facilmente manipulado por um circuito relativamente simples e, com isso, não se faz necessário nenhum tipo de conversão para se obter a posição real do encoder. O código é extraído diretamente do disco (que está em rotação). Um problema que temos aqui é que o sincronismo e a aquisição do código da posição no exato momento da variação entre dois códigos (variação entre dois passos) podem tornar-se muito difíceis.
Como exemplo se pegarmos dois códigos binários consecutivos, como 7 (0111 2 ) e 8 (1000 2 ), notaremos que a variação de zero para um e um para zero ocorre em todos os bits, e uma leitura feita no momento da transição pode resultar em um valor completamente errado.
O Código Gray é utilizado para solucionar esse problema e por isso é utilizado na maioria dos encoders absolutos. Ele tem a particularidade de que, na comutação de um determinado código para outro, somente um bit é alterado. Isso vale em ambos os sentidos (crescente dou decrescente), como podemos verificar na tabela ao lado.
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
O código Gray pode ser convertido facilmente em código binário por um circuito de lógica combinacional bastante simples.
No caso dos encoders absolutos programáveis, podem ser emparelhados os parâmetros de única-volta e de multi-volta das várias aplicações. Estes parâmetros são determinados pelo usuário e podem vir a serem mudados novamente a qualquer tempo. Além da interface serial (SSI), em um encoder programável, uma interface paralela pode também estar disponível para transmissão de dados.
19.5.1 Vantagem:
Um encoder absoluto de multi-voltas permite controlar com precisão o movimento rotativo em uma gama extensiva de aplicações que realizam várias revoluções do eixo.
19.5.2 Aplicações:
Encoders multi-volta são usados na tecnologia de transportadores, em robótica e em estantes de empilhamento altas. No controle de posicionamento de antenas parabólicas de satélite. Um movimento de referenciamento não é necessário nestes casos.
19.6 Outros Aspectos dos Encoders:
Uma característica importante dos encoders é absolutos multi-voltas é o “ Code switching speed ” que representa a velocidade limite (em rpm) com a qual o encoder atinge o número máximo de passos por segundo especificado que ele suporta, sem comprometer a qualidade com que o código de cada passo é informado na saída (Data valid). Está característica pode ser expressa em termos de freqüência (Hz) ou ainda em termos da taxa de pulsos (pps – pulsos por segundo), referindo-se aos pulsos obtidos do sensor ótico do disco de um encoder incremental.
Por exemplo, para um encoders com resolução de 13 bits e 400 kHz de “ code switching frequency ”, a rotação máxima é de 3000 rpm.
O eixo dos encoders e, por conseguinte, seus rolamentos estão sujeitos a cargas por uma variedade de razões:
O eixo dos encoders e, por conseguinte, seus rolamentos estão sujeitos a cargas por uma variedade de razões:
- Tolerâncias mecânicas na montagem dos encoders no sistema (deslocamento radial e angular);
- Tolerâncias mecânicas na montagem dos encoders no sistema (deslocamento radial e angular);
- • Mudanças térmicas, por exemplo, expansão linear do eixo de acionamento;Mudanças térmicas, por exemplo, expansão linear do eixo de acionamento;
- Efeitos de desgaste, por exemplo, desvio radial do eixo de acionamento ou vibrações.
- Efeitos de desgaste, por exemplo, desvio radial do eixo de acionamento ou vibrações.
Estes fatores de carga têm um efeito direto no tempo de vida útil dos rolamentos de eixo e na qualidade do sinal. Na montagem do encoder então deve se utilizar componentes adequados para compensar para estas forças.
Estes fatores de carga têm um efeito direto no tempo de vida útil dos rolamentos de eixo e na qualidade do sinal. Na montagem do encoder então deve se utilizar componentes adequados para compensar para estas forças.
Para encoders que têm eixo sólido, este eixo é geralmente terminado usando-se acoplamento de eixo entre o eixo de acionamento e o eixo do encoder. A solução com um encoder de eixo oco é o uso um acoplamento de estator, fixando suportes ou retentores entre a flange do encoder e a base de montagem.
Para encoders que têm eixo sólido, este eixo é geralmente terminado usando-se acoplamento de eixo entre o eixo de acionamento e o eixo do encoder. A solução com um encoder de eixo oco é o uso um acoplamento de estator, fixando suportes ou retentores entre a flange do encoder e a base de montagem.
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
ão fazer uso de um acoplamento, mas ao invés disto montar rigidamente o eixo e a carcaça
s tipos de acoplamentos mais comuns para encoders de eixo sólido são:
Exemplos de Acoplamentos Tipo Rolo Helicoidal:
ão fazer uso de um acoplamento, mas ao invés disto montar rigidamente o eixo e a carcaça
s tipos de acoplamentos mais comuns para encoders de eixo sólido são:
Exemplos de Acoplamentos Tipo Rolo Helicoidal:
NN
do encoder geralmente conduz a cargas inaceitavelmente altas nos rolamentos; o desgaste resultante conduzirá o encoder a falhar prematuramente.
do encoder geralmente conduz a cargas inaceitavelmente altas nos rolamentos; o desgaste resultante conduzirá o encoder a falhar prematuramente.
OO
- • Mola de Aço;Mola de Aço;
- • Mola de discosMola de discos
- • Fole Metálico.Fole Metálico.
Compensações de desalinhamentos radial e angular provido por acoplamento flexível
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
Eixos de diâmetro principais e secundários podem entrar em área de flexão durante operação.
alívio dentro do interior de junção.
ão deveriam ser excedidas certas cargas de rolamento, a fim de evitar dano permanente ao encode
s axiais e diais máximas permitidas devem ser respeitadas. Acoplamentos flexíveis de alumínio, do ti eixo-a-eixo dos encoders. Estes red
sponsável por um grande número de corrência de falhas, nas aplicações com encoders. Isto pode fazer com que se pense em aplicar
tálico em um ncoder?
plamentos flexíveis para encoders precisam exibir uma força de restauração especialmente baixa sob
de acoplamentos miniatura do tipo fole.
Eixos de diâmetro principais e secundários podem entrar em área de flexão durante operação.
alívio dentro do interior de junção.
ão deveriam ser excedidas certas cargas de rolamento, a fim de evitar dano permanente ao encode
s axiais e diais máximas permitidas devem ser respeitadas. Acoplamentos flexíveis de alumínio, do ti eixo-a-eixo dos encoders. Estes red
sponsável por um grande número de corrência de falhas, nas aplicações com encoders. Isto pode fazer com que se pense em aplicar
tálico em um ncoder?
plamentos flexíveis para encoders precisam exibir uma força de restauração especialmente baixa sob
de acoplamentos miniatura do tipo fole.
Áreas escuras indicam a quantia deÁreas escuras indicam a quantia de
Em princípio nEm princípio n
r. Se encoders de eixo oco são corretamente instalados e os retentores e acoplamentos de estator são usados, então tais problemas são minimizados.
Para encoders de eixo sólidos as carga
r. Se encoders de eixo oco são corretamente instalados e os retentores e acoplamentos de estator são usados, então tais problemas são minimizados.
Para encoders de eixo sólidos as carga rara po rolo helicoidal estão disponíveis para conexões uzem significativamente o desgaste do rolamento causado por desalinhamento axial e angular dos eixos da junção.
A qualidade do acoplamento flexível pode ser re
po rolo helicoidal estão disponíveis para conexões uzem significativamente o desgaste do rolamento causado por desalinhamento axial e angular dos eixos da junção.
A qualidade do acoplamento flexível pode ser re oo um novo tipo de acoplamento para substituir os acoplamentos do tipo a rolo helicoidal padrão, por alguma das alternativas aceitáveis já se encontram disponíveis hoje.
Quais são as vantagens de um acoplamento miniatura do tipo fole me
um novo tipo de acoplamento para substituir os acoplamentos do tipo a rolo helicoidal padrão, por alguma das alternativas aceitáveis já se encontram disponíveis hoje.
Quais são as vantagens de um acoplamento miniatura do tipo fole me ee
AcoAco
Acoplamento Miniatura tipo Fole Metálico Jogo morto zero e rigidez torsional
desalinhamento do eixo, assim como qualquer carga radial deve ser minimizada na maioria dos casos. No caso de encoders rotativos de alta resolução, a dureza torsional do acoplamento do encoder precisa ser alta, uma vez que até mesmo o torque de arraste dos rolamentos do encoder pode fazer com que acoplamentos menos rígidos se torçam ligeiramente.
Uma alternativa é o emprego
desalinhamento do eixo, assim como qualquer carga radial deve ser minimizada na maioria dos casos. No caso de encoders rotativos de alta resolução, a dureza torsional do acoplamento do encoder precisa ser alta, uma vez que até mesmo o torque de arraste dos rolamentos do encoder pode fazer com que acoplamentos menos rígidos se torçam ligeiramente.
Uma alternativa é o emprego
Estes tipicamente têm um número mais alto de corrugações nos
Estes tipicamente têm um número mais alto de corrugações nos
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
montagem é fácil - a faixa magnética apenas tem que ser colada em lugar. Não há nenhuma necessidade de calibração.
A distância entre o sensor e a faixa magnética pode ser de até 2 mm. Resoluções até 0.005 mm são possíveis, a precisão da repetibilidade é muito alta.
Quais são as vantagens do emprego de encoders lineares?
- Reduz-se a quebra e o tempo de sistema parado:
A régua de aço inoxidável e o rolamento interno de esferas de níquel-cromo fazem o encoder linear inacreditavelmente resistente e durável. As tradicionais escalas de vidro são suscetíveis à quebra por choque, vibração, e temperatura. A régua do encoder linear é 30 vezes mais resistente a choque e é 50% mais tolerante a vibrações do que a escala de vidro e tem uma gama de temperatura operacional larga de 0º a 70º C.
- Elimina custo de manutenção:
O encoder linear é projetado como um sistema de medida que atua sem fazer contato (entre a cabeça leitora e a superfície da escala). Não há nenhuma parte que seja usada fora e que precise ser substituída.
- Provê maior produtividade:
O encoder linear pode operar a taxas de deslocamento de até 20 metros por segundo, duas vezes a velocidade disponível da régua de vidro típica encoders lineares. O invólucro da cabeça leitora minimiza a possibilidade de aberturas críticas que variam com velocidades de deslocamento e o processador de sinais digitais (DSP) permite altas taxas de amostragem.
- Nenhuma fonte de ar limpo é exigida:
O encoder linear tem um grau de proteção ambiental IP67. A cabeça leitora (que atua sem fazer contato) está completamente cheia com uma resina de epóxi, tornando-a resistente contra contaminação ambiental. Pó, líquidos, e escombros geralmente encontrados nos ambientes industriais não afetarão o desempenho do encoder linear.
19.8.2 Classes de proteção:
IP 65 - Proteção contra pó e spray de água limpa que venha de qualquer direção. A maioria dos compartimentos de conexão e dos conectores de encaixe esta relacionada ao lP 65.
IP 67 - Semelhante à IP 65, mas com proteção adicional contra penetração de água quando o objeto é imerso na água limpa sob condições de pressão e de tempo
definidas. A maioria dos sensores com cabo ou conectores roscáveis está relacionada ao IP 67.
- Integra-se facilmente em sistemas existentes:
O encoder linear provê normas industriais de saída diferencial em quadratura que são compatíveis com a maioria dos contadores padrões, CLPs e interfaces de computador. Opera entre 5 e 28 VDC e é equipado com saída a line driver ou a coletor aberto.
19.9 Uso do encoder em sistema de acionamento de motor de indução trifásico com conversor de freqüência:
Nas aplicações que necessitam de maior performance em termos de precisão na regulação da velocidade, é necessária a realimentação da informação da velocidade através de um encoder incremental, conectado a um cartão de expansão de funções do conversor de freqüência, que normalmente possui um conector do tipo DB-9 macho para a conexão do encoder.
O encoder exigido normalmente apresenta as seguintes características:
- Tensão de alimentação de 12V com consumo inferior a 200 mA;
- Dois canais em quadratura (90º), mais pulso de zero, todos os sinais com saídas complementares (diferenciais), ou seja, sinais: A , A , B , B , ZeZ ;
- Circuito de saída do tipo “Linedriver” ou “Push-Pull”;
- Circuito eletrônico isolado da carcaça do encoder;
- Número de pulsos por rotação: 1024 ppr (recomendado);
Na montagem do encoder ao motor seguir as seguintes recomendações:
- Acoplar o encoder diretamente ao eixo do motor, usando um acoplamento flexível (sem flexibilidade torsional);
O acoplamento deve evitar oscilações mecânicas ou “backlash”.
- Tanto o eixo quanto a carcaça metálica do encoder devem estar eletricamente isolados do motor (espaçamento mínimo 3mm);
Para conexão elétrica utilizar cabo blindado, que deve ser mantido distante das demais fiações de potência e de comando, preferivelmente acondicionado em eletroduto metálico.
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
Resolução da Velocidade
Resolução da Velocidade
1 rpm (referência via teclado)
1 rpm (referência via teclado)
1 rpm (referência via teclado)
1 rpm (referência via teclado) Faixa de Regulação de Velocidade
1 : 20 (de 3Hz a 60Hz) 1 : 100 (de 0,6 a 60Hz), (de 1 a 100 Hz)
Até zero Hz (zero rpm)
Precisão na Regulação (controle) de Torque
+/- 10 % do torque nominal
Faixa de Regulação de Torque
0 ... 150 % do torque nominal
O controle vetorial pode ser configurado, por meio de um parâmetro do conversor de freqüência, para ser do tipo como “sensorless” (o que significa motores padrão sem necessidade de encoder) ou como controle vetorial com encoder. O parâmetro envolvido aqui é o que define o Modo de Controle: Vetorial com encoder.
Exemplo de configuração de parâmetro:
Para ligar um encoder a um conversor de freqüência normalmente exige que o conversor seja dotado de módulo de controle com CPU de no mínimo 32 bits. Como os conversores de freqüência padrão normalmente não dispõem de entrada para ligação do encoder, é comumente exigível ainda que um módulo de expansão opcional de E/S seja agregado ao conversor.
É necessário fazer-se o casamento do sentido de giro do motor com o sentido de giro do encoder. Na ligação do encoder é preciso se tomar cuidado de não inverter fiações, caso contrário o conversor de freqüência indicará falha do encoder.
É necessário se informar ao conversor sobre a resolução do encoder. O parâmetro envolvido aqui é o “Dados do encoder” (número de pulsos por volta): 250 – 9999
[email protected]
SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" (^) CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-
