ENCODERS. Fig 1 - Princípio de funcionamento de um encoder rotativo.

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1 ENCODERS 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.

2 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.

3 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. ENCODERS ABSOLUTOS Encoder Incremental 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. Encoder Absoluto O encoder absoluto possui um importante diferencial em relação ao encoder incremental: a posição do encoder incremental é dada por pulsos a partir do pulso zero, enquanto a posição do encoder absoluto é determinada pela leitura de um código e este é único para cada posição do seu curso; conseqüentemente os encoders absolutos não perdem a real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação (até mesmo se deslocados). Quando voltar a energia ao sistema, a posição é atualizada e disponibilizada para o mesmo (graças ao código gravado no disco do encoder) e, com isso, não se precisa ir até a posição zero do encoder para saber a sua localização como é o caso do incremental. O código de saída é utilizado para definir a posição absoluta do encoder. O código mais empregado é o binário, pois este é facilmente manipulado por um circuito relativamente simples

4 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). O sincronismo e a aquisição da posição no momento da variação entre dois códigos tornam-se muito difíceis. Se nós pegarmos como exemplo dois códigos consecutivos binários como 7 (01112) e 8 (10002), 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 (figura 4). Figura 4 - Zona de Múltiplas comutações em um encoder absoluto. Para solucionar esse problema é utilizado um código binário chamado "Código Gray", que tem a particularidade de na comutação de um número para outro somente um bit ser alterado como podemos verificar na tabela abaixo.

5 Vemos também na figura 5 dois discos óticos um com código binário e outro em código Gray. 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.

6 Os encoders absolutos podem ter sua resolução definida em uma única revolução (single turn) ou em várias revoluções (multi turn), ou seja, se um encoder é para uma revolução, a cada revolução o valor da contagem é reinicializado, ao contrário de um encoder para várias revoluções onde seu valor só é reinicializado depois de um certo número de voltas. Seguem na tabela abaixo algumas especificações de encoders absolutos.

7 Como poderão observar, existem resoluções múltiplas de 2 e também múltiplas de 360, portanto, a escolha de um ou de outro dependerá diretamente da sua aplicação. Quando o número bits da resolução do encoder não é potência de 2, a propriedade de mudar somente um único bit deixa de ser verdadeira no código Gray. Por exemplo, se tivermos um encoder absoluto com 12 posições/revolução, o código é o ilustrado na tabela abaixo. Como podemos notar na passagem da posição 11 para a posição 0, existe uma mudança de três bits e, como visto anteriormente, envolve erros de leitura que não são aceitáveis. Com o intuito de não perder a característica de mudança de somente um bit, é feito um off-set a partir do valor zero, que é calculado da seguinte forma: N = X - NPOS / 2

8 onde: N é o valor do off-set. X = 2 elevado a n = é o maior valor múltiplo de dois, logo após o NPOS. NPOS é o número de posições do encoder absoluto. Para o nosso exemplo temos (tabela abaixo): N = (X - 12) / 2 = (16-12) / 2 = 2 X = 2 elevado a 4 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.

9 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.

10 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. Micro-encoder para pequenas aplicações.

11 Encoder Absoluto TIPOS DE SAÍDAS DE SINAL Encoder utilizando interface para a rede interbus Independentemente do tipo de encoder a ser utilizado, este tem que enviar os pulsos ou os valores de contagem através de um circuito eletrônico de saída do sinal, para que a posterior interpretação dos dados seja feita por uma placa de um PLC, CNC, Robô ou até mesmo circuitos dedicados com microcontroladores. A tendência hoje é a utilização de encoder com saída para rede Fieldbus como, por exemplo: - Interbus; - Profibus; - Device Net; - CAN. A escolha para essas redes de campo deve-se ao fato de que com elas há uma economia de cabos circulando entre o campo e seu painel elétrico.

12 ENCODER UTILIZANDO INTERFACE PADRÃO RUGGED PARA A REDE INTERBUS Nos encoders absolutos existem uma grande quantidade de fios a serem conectados, e com o uso do Fieldbus diretamente ao encoder não precisamos de tais conexões. Quando não utilizamos o Fieldbus (ainda é a grande maioria das vezes), temos diversos circuitos de saída de sinal, entre os quais podemos citar: - NPN e NPN Coletor aberto: É composto apenas por um transistor do tipo NPN e um resistor na configuração pull-up, o qual polariza o transistor em seu ponto quiescente. Esse circuito é similar a lógica TTL e por essa razão é considerado compatível com ela. Quando dimensionado corretamente, na saturação do transistor a saída chega aproximadamente a 0 V, e no corte a tensão de saída fica próximo à tensão de alimentação. 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).

13 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)

14 Figura 11 - Circuito de saída utilizando um driver diferencial. Figura 5 - Diferença construtiva dos discos ópticos utilizando código binário e código Gray (2 bits).

15 Figura 6 - Circuito de conversão de código Gray para código binário. O código Gray pode ser convertido facilmente em código binário pelo simples circuito de lógica combinacional da figura 6. 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.

16 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) 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 passos por revolução (por exemplo: 4096 pulsos/revolução). Resolução é a especificação básica de um encoder. Não se pode especificar um encoder sem esse parâmetro. PRECISÃO É a diferença do valor indicado pelo encoder pelo valor real do posicionamento, ou o número de pulsos que o encoder enviou pelo que ele deveria ter enviado. Normalmente, é expresso em

17 unidades de ângulo. Precisão e Erro são indicações que determinam o valor real pelo valor indicado, mas possuem conotações distintas: Precisão é quão perto o valor indicado está do valor real e Erro é quão distante está o valor indicado do valor real. Então, quanto maior a precisão, melhor, e quanto maior o erro, pior. REPETITIBILIDADE É o valor da leitura atual comparado pelos últimos valores fornecidos pelo deslocamento na mesma direção. Dependendo da aplicação, é importante levar em consideração a repetitibilidade. Assim como a precisão, ela é dada em unidade de ângulo. A repetitibilidade de um encoder normalmente é de 5 a 10 vezes melhor (menor) do que o erro indicado pelo fornecedor. Quem deve especificar o encoder é a própria aplicação, isto é, se formos empregar o encoder em um telescópio ou em um radar, a precisão é muito mais importante do que em um robô, onde você indica coordenadas em movimentos repetitivos, e, neste caso, a repetitibilidade pode ser mais importante do que a precisão. COMO SE DETERMINA O SENTIDO DE GIRO DE UM ENCODER INCREMENTAL? Nos encoders incrementais temos três canais de informação: A, B e o Z. Os canais A e B são os que fornecem a indicação da posição e também o sentido de giro do encoder. O sentido de giro é determinado pela fase dos canais, isto é, se o canal A estiver 90º avançado em relação ao canal B, o encoder estará girando no sentido horário; e se o canal A estiver atrasado 90º em relação ao canal B, o encoder estará girando no sentido anti-horário. Para quem é da área de Eletrônica, será mais fácil de entender analisando o circuito ao lado: CONCLUSÃO

18 Vimos neste artigo somente um componente da Automação Industrial, mas assim como qualquer outro, ele precisa ser corretamente aplicado e especificado, pois um simples erro é prejudicial ao desempenho de toda a máquina ou processo.