Você já se perguntou como as máquinas sabem com precisão sua posição e velocidade? Este artigo explora o fascinante mundo dos codificadores, sensores essenciais para a detecção de movimentos mecânicos. Você aprenderá sobre os diferentes tipos de codificadores, seus princípios de funcionamento e suas aplicações em máquinas modernas. Prepare-se para descobrir os segredos por trás da precisão dos controles de motor e muito mais!
Os codificadores são um tipo de sensor usado principalmente para detectar a velocidade, a posição, o ângulo, a distância ou a contagem do movimento mecânico.
Além de serem usados em máquinas, muitos controles de motor, como os servomotores, exigem codificadores para fornecer feedback de comutação, velocidade e detecção de posição para o 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）Use acopladores fotoelétricos para escanear um disco segmentado instalado em um eixo mecânico.
O código mecânico é convertido em sinais de pulso elétrico proporcionais.
A fonte de luz (geralmente um LED) emite um feixe estreito de luz em direção ao receptor (que pode ser um fotodiodo). Tanto a fonte de luz quanto o receptor são instalados estritamente em partes estacionárias do mancal de conexão rotativo.
O codificador é um disco de sombreamento com uma abertura ou janela transparente, que é instalado na parte rotativa do rolamento.
Quando o rolamento gira, o codificador permite que o feixe de luz seja alternado (passe pela pequena janela no disco).
O fotodiodo emite sinais correspondentes de alto ou baixo nível à medida que a posição muda. A saída do fotodiodo pode ser convertida em informações de posição e velocidade por meio de um circuito especializado.
3.2.1 Saída de codificadores incrementais
A saída do codificador incremental consiste em um disco fotoelétrico de eixo central com marcações circulares transparentes e opacas, que são lidas por componentes emissores e receptores fotoelétricos para obter sinais de onda quadrada combinados como A, B, -A, -B.
Cada par de sinais tem uma diferença de fase de 90 graus C (um ciclo é igual a 360 graus).
Além disso, há um sinal de calibração de ponto zero, e o codificador emite um sinal por rotação do disco.
3.2.2 Princípios de conexão de codificadores incrementais
1. Conexão monofásica
Usado para contagem unidirecional e medição de velocidade unidirecional.
2. Conexão bifásica A-B
Usado para contagem bidirecional e determinação de direção e velocidade.
3. Conexão trifásica A-B-C
Usado para determinar a velocidade com correção da posição de referência.
A conexão A-A-B-B-C-C tem corrente de conexão de sinal negativo simétrico, que tem atenuação mínima e forte anti-interferência, e pode ser emitida em longas distâncias.
Como determinar a direção
Como A e B estão 90 graus fora de fase, a direção pode ser determinada detectando se A ou B ocorre primeiro.
Como realizar a calibração da posição zero
Durante a transmissão dos pulsos do codificador, podem ocorrer erros devido a razões como interferência, resultando em erros de transmissão.
Nesse momento, é necessário realizar a calibração da posição zero em tempo hábil.
O codificador C emite um pulso a cada rotação, que é chamado de pulso zero ou pulso de identificação, e é usado para determinar a posição zero ou de identificação.
Para medir com precisão o pulso zero, independentemente do sentido de rotação, o pulso zero é emitido como uma combinação de alto nível de dois canais.
Devido à diferença de fase entre os canais, o pulso zero tem apenas metade do comprimento do pulso.
3.2.3 Multiplicador de codificadores incrementais
Devido a limitações tecnológicas e de amostragem, é impossível obter uma divisão física mais fina e precisa do disco de codificação.
No entanto, pulsos mais altos podem ser obtidos por meio da conversão do circuito digital.
Sinal de dupla frequência
Obtido pela 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 a cada ciclo.
3.2.4 Recursos dos codificadores incrementais
O codificador emite um sinal de pulso para cada ângulo de rotação predefinido, e o ângulo de rotação é calculado pela contagem do número de sinais de pulso.
Portanto, os dados de posição emitidos pelo codificador são relativos.
Como é usado um sinal de pulso fixo, a posição inicial do ângulo de rotação pode ser definida arbitrariamente.
Devido ao uso de codificação relativa, os dados do ângulo de rotação serão perdidos e precisarão ser redefinidos após uma queda de energia.
3.2.5 Problemas com codificadores incrementais
1) Os codificadores incrementais têm erros cumulativos de ponto zero.
2) Eles têm pouca capacidade anti-interferência.
3) O dispositivo receptor precisa ser desligado e a posição de referência encontrada novamente após quedas de energia ou desligamentos.
O surgimento dos codificadores absolutos resolve esses problemas.
Um codificador absoluto tem um disco de código de luz com vários canais de luz e linhas gravadas nele.
Cada canal é codificado usando 2, 4, 8, 16 e assim por diante linhas em sequência.
Em cada posição do codificador, os canais de luz são lidos e seu estado ligado/desligado é usado para obter um código binário exclusivo, conhecido como código Gray, que varia de 2^0 a 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 de luz, portanto, não é afetada por falta de energia ou interferência.
3.3.1 Disco de código do codificador absoluto
O disco de código de luz é escaneado por um grupo de acopladores fotoelétricos para obter o código exclusivo em cada posição. Cada posição tem seu próprio código exclusivo.
Os códigos de saída dos codificadores absolutos são:
1. Código binário natural: 0000 0001 0010 0011 0100
2. Código cinza: 0000 0001 0011 0010 0110
Características do código de cinza:
Os números inteiros adjacentes em 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 de código binário-cinza:
Os dígitos mais altos são retidos, e o segundo dígito mais alto é obtido por meio da execução de uma operação "exclusiva ou" nos dígitos mais altos e no segundo dígito mais alto (em binário).
Referência para códigos decimais e Gray.
| Decimal | Código cinza |
| 0 | 0000 |
| 1 | 0001 |
| 2 | 0011 |
| 3 | 0010 |
| 4 | 0110 |
| 5 | 0111 |
| 6 | 0101 |
| 7 | 0100 |
| Decimal | Código cinza |
| 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 paralela
Nesse modo, há 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, como coletor aberto PNP, NPN, acionamento diferencial, push-pull e diferencial alto ou baixo efetivo com base no formato do dispositivo físico.
A saída paralela geralmente tem a forma de um código Gray, também chamado de codificador de código Gray.
2. Saída da interface serial síncrona (SSI)
Nesse modo, os dados são concentrados e transmitidos por meio de um grupo de cabos. A saída de dados é ordenada por um protocolo de comunicação que especifica o tempo.
A saída serial usa menos linhas de conexão e pode ser transmitida por distâncias maiores, o que melhora muito a proteção e a confiabilidade do codificador.
Os encoders absolutos de alto bit e os encoders absolutos multivoltas geralmente usam saída serial.
3. Formato serial assíncrono
Nesse modo, as instruções e os dados são trocados por meio 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 poderão compartilhar o cabo de transmissão e a recepção subsequente. Essa forma é chamada de tipo de barramento de campo.
A codificação incremental e a codificação absoluta são integradas no mesmo disco.
O círculo mais externo do disco contém faixas incrementais de alta densidade, enquanto a parte central é o canal de código cinza binário do codificador absoluto.
A rotação do disco é indicada pela contagem do número de pulsos por rotação, e o ângulo girado em uma semana é contado usando o valor numérico do código Gray.
Codificador absoluto multivoltas: Com base no codificador absoluto de volta única, o princípio do mecanismo de engrenagem do relógio é usado para transmitir a rotação do disco central para outro conjunto de discos (ou vários conjuntos de engrenagens e discos) por meio da transmissão de engrenagem, o que adiciona a codificação do número de voltas com base na codificação de volta única para expandir a faixa de medição do codificador.
Quando a luz paralela passa por uma grade, a intensidade das franjas de Moiré produzidas se aproxima de uma função cosseno.
Ao colocar quatro franjas de Moiré de 1/4 de elementos fotossensíveis na direção do movimento da franja de Moiré, é possível obter 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 de deslocamento linear de um objeto e converte a distância medida em uma saída de sinal elétrico de pulso.
Em termos simples, o princípio é esticar o disco de um codificador rotativo em uma linha reta.
Codificador de escala de grade
O princípio de funcionamento do sensor de deslocamento de grade é que, quando a grade principal (ou seja, a grade de escala) e a grade auxiliar (ou seja, a grade indicadora) no par de grades são relativamente deslocadas, a interferência e a difração da luz produzem um padrão listrado regular em preto e branco (ou claro e escuro), chamado de franja de Moiré.
As listras em preto e branco (ou claro e escuro) que são iguais são convertidas em sinais elétricos que mudam a onda senoidal por meio de dispositivos fotoelétricos.
Após a amplificação e a modelagem pelos circuitos de modelagem, dois sinais de onda senoidal ou quadrada com uma diferença de fase de 90 graus são obtidos e enviados para o visor digital de grade para contagem e exibição.
Transformador rotativo
Um transformador rotativo, também conhecido como resolver, é um tipo de micromotor usado para fins de controle.
É um dispositivo de medição indireta que converte a rotação mecânica em um sinal elétrico que está relacionado ao ângulo de rotação por meio de uma determinada função matemática.
Princípio do transformador rotativo
1. Um transformador rotativo é um componente de sinal que emite uma tensão que varia de acordo 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 em uma relação de função senoidal 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 uma determinada faixa.
2. A distribuição do fluxo magnético entre o estator e o rotor do transformador rotativo segue uma regra senoidal.
Portanto, quando a tensão de excitação é aplicada ao enrolamento do estator, o enrolamento do rotor gera uma força eletromotriz induzida por meio do acoplamento eletromagnético, conforme mostrado na figura acima.
A magnitude da tensão de saída depende da posição angular do rotor e, portanto, varia de forma senoidal com o deslocamento do rotor.
De acordo com o princípio do transformador, supondo que o número de espiras no enrolamento primário seja N1 e o número de espiras no enrolamento secundário seja N2, k = N1 / N2 é a relação de espiras. Quando uma tensão CA é aplicada ao enrolamento primário
Aplicação do transformador rotativo
1. Modo de detecção de fase
O ângulo de fase da tensão induzida é igual ao ângulo de rotação mecânica do rotor.
Portanto, 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 detecção de amplitude
Em aplicações práticas, ao modificar 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. Preste atenção à carga permitida do eixo durante a instalação;
2. Certifique-se de que a diferença de eixo entre o eixo do codificador e o eixo do usuário eixo de saída é menor que 0,20 mm e o ângulo de desvio do eixo é menor que 1,5°;
3. Durante a instalação, evite bater, deixar cair e colidir para evitar danos ao eixo e ao disco;
4. Durante o uso prolongado, verifique regularmente se os parafusos que fixam o codificador estão soltos (uma vez por trimestre).
Aspectos elétricos:
1）O fio de aterramento deve ter a maior espessura possível, geralmente superior a 1,5 milímetros quadrados;
2）Os fios de saída do codificador não devem se sobrepor uns aos outros para evitar danos ao circuito de saída;
3）Os fios de sinal do codificador não devem ser conectados à alimentação CC ou à corrente CA para evitar danos ao circuito de saída;
4）Os equipamentos, como os motores, conectados ao codificador devem estar bem aterrados e livres de eletricidade estática.
Diagrama da estrutura interna de um codificador rotativo.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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