Já alguma vez se perguntou como é que as máquinas sabem exatamente a sua posição e velocidade? Este artigo explora o fascinante mundo dos codificadores, sensores cruciais para a deteção de movimentos mecânicos. Ficará a conhecer os diferentes tipos de codificadores, os seus princípios de funcionamento e as suas aplicações nas máquinas modernas. Prepare-se para descobrir os segredos por detrás da precisão dos controlos de motores e muito mais!
Os codificadores são um tipo de sensor utilizado principalmente para detetar a velocidade, a posição, o ângulo, a distância ou a contagem do movimento mecânico.
Para além de serem utilizados em máquinas, muitos controlos de motores, como os servomotores, necessitam de codificadores para fornecer feedback para a comutação, velocidade e deteção de posição ao controlador do motor.
O codificador pode ser dividido em codificador analógico e codificador digital. O codificador analógico pode ainda ser dividido em transformador rotativo e codificador Sin/Cos, enquanto o codificador digital pode ser dividido em codificador incremental e codificador absoluto.
1）Utilize acopladores fotoeléctricos para digitalizar um disco segmentado instalado num eixo mecânico.
O código mecânico é convertido em sinais de impulsos eléctricos proporcionais.
A fonte de luz (geralmente um LED) emite um feixe de luz estreito em direção ao recetor (que pode ser um fotodíodo). Tanto a fonte de luz como o recetor estão rigorosamente instalados em partes estacionárias da chumaceira de ligação rotativa.
O codificador é um disco de sombreamento com uma abertura ou janela transparente, que é instalado na parte rotativa do rolamento.
Quando o rolamento roda, o codificador permite que o feixe de luz passe através da pequena janela no disco.
O fotodíodo emite sinais correspondentes de nível alto ou baixo à medida que a posição muda. A saída do fotodíodo pode ser convertida em informação sobre a posição e a velocidade através de um circuito especializado.
3.2.1 Saída dos encoders incrementais
A saída do codificador incremental consiste num disco fotoelétrico de eixo central com marcações circulares transparentes e opacas, que são lidas por componentes emissores e receptores fotoeléctricos para obter sinais de onda quadrada combinados como A, B, -A, -B.
Cada par de sinais tem uma diferença de fase C de 90 graus (um ciclo é igual a 360 graus).
Além disso, existe um sinal de calibração do ponto zero e o codificador emite um sinal por rotação do disco.
3.2.2 Princípios de ligação dos encoders incrementais
1. Ligação monofásica
Utilizado para contagem unidirecional e medição de velocidade unidirecional.
2. Ligação bifásica A-B
Utilizado para contagem bidirecional e determinação da direção e da velocidade.
3. Ligação trifásica A-B-C
Utilizado para determinar a velocidade com correção da posição de referência.
A ligação A-A-B-B-C-C tem uma corrente de ligação de sinal negativo simétrico, que tem uma atenuação mínima e uma forte anti-interferência, e pode ser emitida a longas distâncias.
Como determinar a direção
Uma vez que A e B estão 90 graus fora de fase, a direção pode ser determinada detectando se A ou B ocorre primeiro.
Como efetuar a calibração da posição zero
Durante a transmissão dos impulsos do codificador, podem ocorrer erros devido a razões como interferências, resultando em erros de transmissão.
Nesta altura, é necessário efetuar uma calibração atempada da posição zero.
O codificador C emite um impulso em cada rotação, que se chama um impulso de zero ou um impulso de identificação, e é utilizado para determinar a posição zero ou de identificação.
Para medir com precisão o impulso zero, independentemente do sentido de rotação, o impulso zero é emitido como uma combinação de alto nível de dois canais.
Devido à diferença de fase entre os canais, o impulso zero tem apenas metade do comprimento do impulso.
3.2.3 Multiplicador de Encoders Incrementais
Devido a limitações tecnológicas e de amostragem, é impossível obter uma divisão física mais fina e precisa do disco de codificação.
No entanto, é possível obter impulsos mais elevados através da conversão de circuitos digitais.
Sinal de dupla frequência
Obtido por conversão "exclusiva ou" das fases A e B.
Sinal de frequência quádrupla
O contador também aumenta ou diminui em cada borda dos canais A e B. A direção do contador é determinada por qual canal lidera o outro.
O número no contador aumenta ou diminui em 4 em cada ciclo.
3.2.4 Características dos Encoders Incrementais
O codificador emite um sinal de impulso para cada ângulo de rotação pré-definido e o ângulo de rotação é calculado através da contagem do número de sinais de impulso.
Por conseguinte, os dados de posição emitidos pelo codificador são relativos.
Uma vez que é utilizado um sinal de impulso fixo, a posição inicial do ângulo de rotação pode ser definida arbitrariamente.
Devido à utilização de codificação relativa, os dados do ângulo de rotação perdem-se e têm de ser repostos após uma falha de energia.
3.2.5 Problemas com codificadores incrementais
1) Os encoders incrementais têm erros acumulados no ponto zero.
2) Têm uma fraca capacidade anti-interferência.
3) O dispositivo recetor tem de ser desligado e a posição de referência tem de ser reencontrada após cortes de energia ou paragens.
O aparecimento de codificadores absolutos resolve estes problemas.
Um codificador absoluto tem um disco de código de luz com vários canais de luz e linhas gravadas nele.
Cada canal é codificado utilizando 2, 4, 8, 16, etc. linhas em sequência.
Em cada posição do codificador, os canais de luz são lidos e o seu estado ligado/desligado é utilizado para obter um código binário único, conhecido como código de Gray, que varia entre 2^0 e 2^(n-1), em que n é o número de bits do codificador absoluto.
A posição do codificador é determinada mecanicamente pelo disco de código luminoso, pelo que não é afetada por cortes de energia ou interferências.
3.3.1 Disco de código do codificador absoluto
O disco de código de luz é digitalizado por um grupo de acopladores fotoeléctricos para obter o código único em cada posição. Cada posição tem o seu próprio código único.
Os códigos de saída dos encoders absolutos são:
1. Código binário natural: 0000 0001 0010 0011 0100
2. Código cinzento: 0000 0001 0011 0010 0110
Características do código de cinzento:
Os números inteiros adjacentes na sua representação numérica têm apenas uma diferença, o que pode evitar a ocorrência de grandes picos de corrente no circuito de conversão digital (como 3-4, 0011-0100).
Formato de conversão do código Binário-Gray:
Os dígitos mais altos são retidos e o segundo dígito mais alto é obtido efectuando uma operação de "exclusivo ou" sobre os dígitos mais altos e o segundo dígito mais alto (em binário).
Referência para códigos decimais e códigos Gray.
| Decimal | Código cinzento |
| 0 | 0000 |
| 1 | 0001 |
| 2 | 0011 |
| 3 | 0010 |
| 4 | 0110 |
| 5 | 0111 |
| 6 | 0101 |
| 7 | 0100 |
| Decimal | Código cinzento |
| 8 | 1100 |
| 9 | 1101 |
| 10 | 1111 |
| 11 | 1110 |
| 12 | 1010 |
| 13 | 1011 |
| 14 | 1001 |
| 15 | 1000 |
3.3.2 Formatos de saída dos codificadores absolutos
1. Modo de saída em paralelo
Neste modo, existe um cabo para cada bit de dados (canal de bits), e o nível de sinal (alto ou baixo) em cada cabo representa um 1 ou um 0.
O dispositivo físico é semelhante a um codificador incremental e tem diferentes tipos, tais como PNP aberto em coletor, NPN, acionamento diferencial, push-pull e diferencial eficaz alto ou baixo com base no formato do dispositivo físico.
A saída paralela tem geralmente a forma de um código de Gray, também designado por codificador de código de Gray.
2. Saída da interface série síncrona (SSI)
Neste modo, os dados são concentrados e transmitidos através de um grupo de cabos. A saída de dados é ordenada por um protocolo de comunicação que especifica o tempo.
A saída em série utiliza menos linhas de ligação e pode transmitir a distâncias maiores, o que melhora consideravelmente a proteção e a fiabilidade do codificador.
Os encoders absolutos de alto-bit e os encoders absolutos multi-voltas utilizam normalmente saída série.
3. Formato de série assíncrono
Neste modo, as instruções e os dados são trocados através de perguntas e respostas, e a interface é duplex. Um exemplo típico é a interface RS485, que requer apenas dois cabos.
O conteúdo dos dados pode ser o valor da posição do codificador ou outro conteúdo solicitado pela instrução.
Por exemplo, se for adicionado um endereço para cada codificador, vários codificadores podem partilhar o cabo de transmissão e a receção subsequente. Esta forma é designada por tipo de fieldbus.
A codificação incremental e a codificação absoluta estão ambas integradas no mesmo disco.
O círculo mais exterior do disco contém riscas incrementais de alta densidade, enquanto a parte central é o canal de código cinzento binário do codificador absoluto.
A rotação do disco é indicada através da contagem do número de impulsos por rotação, e o ângulo rodado numa semana é contado através do valor numérico do código de Gray.
Codificador absoluto multi-voltas: Com base no codificador absoluto de volta única, o princípio do mecanismo de engrenagem do relógio é utilizado para transmitir a rotação do disco central a outro conjunto de discos (ou vários conjuntos de engrenagens e discos) através da transmissão por engrenagem, o que acrescenta a codificação do número de voltas com base na codificação de volta única para expandir a gama de medição do codificador.
Quando uma luz paralela passa através de uma grelha, a intensidade das franjas de Moiré produzidas aproxima-se de uma função cosseno.
Ao colocar quatro franjas de Moiré de 1/4 de elementos fotossensíveis na direção do movimento da franja de Moiré, podem ser obtidos quatro conjuntos de sinais de saída de seno e cosseno.
Forma de saída do codificador seno-cosseno
Codificador Linear
Um codificador linear mede a distância do percurso linear de um objeto e converte a distância medida num sinal elétrico de saída.
Em termos simples, o princípio consiste em esticar o disco de um codificador rotativo numa linha reta.
Codificador de escala de grelha
O princípio de funcionamento do sensor de deslocamento de grelha é o seguinte: quando a grelha principal (ou seja, a grelha graduada) e a grelha auxiliar (ou seja, a grelha indicadora) do par de grelhas estão relativamente deslocadas, a interferência e a difração da luz produzem um padrão regular de riscas a preto e branco (ou claro-escuro), denominado franja de Moiré.
As riscas a preto e branco (ou claras e escuras) que são iguais são convertidas em sinais eléctricos que mudam de onda sinusoidal através de dispositivos fotoeléctricos.
Após amplificação e modelação por circuitos de modelação, obtêm-se dois sinais de onda sinusoidal ou quadrada com uma diferença de fase de 90 graus, que são enviados para o mostrador digital de grelha para contagem e visualização.
Transformador rotativo
Um transformador rotativo, também conhecido como resolver, é um tipo de micro-motor utilizado para fins de controlo.
É um dispositivo de medição indireta que converte a rotação mecânica num sinal elétrico que está relacionado com o ângulo de rotação através de uma determinada função matemática.
Princípio do transformador rotativo
1. Um transformador rotativo é um componente de sinal que emite uma tensão que varia com o ângulo do rotor.
Quando o enrolamento de excitação é excitado por uma tensão alternada de uma determinada frequência, a amplitude da tensão do enrolamento de saída está numa relação de função sinusoidal ou cosseno com o ângulo do rotor, ou mantém uma determinada relação proporcional, ou tem uma relação linear com o ângulo do rotor dentro de um determinado intervalo.
2. A distribuição do fluxo magnético entre o estator e o rotor do transformador rotativo segue uma regra sinusoidal.
Por conseguinte, quando a tensão de excitação é aplicada ao enrolamento do estator, o enrolamento do rotor gera uma força eletromotriz induzida através do acoplamento eletromagnético, como se mostra na figura acima.
A magnitude da tensão de saída depende da posição angular do rotor e, portanto, varia sinusoidalmente com o deslocamento do rotor.
De acordo com o princípio do transformador, assumindo que o número de espiras no enrolamento primário é N1 e o número de espiras no enrolamento secundário é N2, k = N1 / N2 é a relação de espiras. Quando uma tensão alternada é aplicada ao enrolamento primário
Aplicação do transformador rotativo
1. Modo de deteção de fase
O ângulo de fase da tensão induzida é igual ao ângulo de rotação mecânica do rotor.
Por conseguinte, desde que o ângulo de fase da tensão de saída do rotor seja detectado, o ângulo de rotação do rotor é conhecido.
2. Modo de deteção de amplitude
Em aplicações práticas, modificando continuamente o ângulo elétrico da tensão de modulação, a variação do ângulo mecânico pode ser rastreada e a amplitude da tensão induzida pode ser medida para obter o deslocamento do ângulo mecânico.
Aspectos mecânicos:
1. Tenha em atenção a carga admissível do veio durante a instalação;
2. Assegurar que a diferença de eixo entre o eixo do codificador e o eixo do utilizador veio de saída é inferior a 0,20 mm e o ângulo de desvio em relação ao eixo é inferior a 1,5°;
3. Durante a instalação, evite bater, deixar cair e colidir para evitar danos no veio e no disco;
4. Em caso de utilização prolongada, verificar regularmente se os parafusos de fixação do codificador estão soltos (uma vez por trimestre).
Aspectos eléctricos:
1）O fio de ligação à terra deve ser o mais grosso possível, geralmente superior a 1,5 milímetros quadrados;
2）Os fios de saída do codificador não devem sobrepor-se uns aos outros para evitar danos no circuito de saída;
3）Os fios de sinal do codificador não devem ser ligados à alimentação DC ou corrente AC para evitar danos no circuito de saída;
4）Os equipamentos, tais como os motores, ligados ao codificador devem estar bem ligados à terra e livres de eletricidade estática.
Diagrama da estrutura interna de um codificador rotativo.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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