Solução de problemas do codificador: é o codificador ou a corrente?

Se você veio aqui para consertar o botão de volume de um teclado, a roda de um mouse ou uma placa codificadora de vídeo, este artigo não é para você. Estamos falando do codificador rotativo industrial aparafusado a um motor ou ao eixo de uma máquina. É a peça que informa ao seu controlador a distância e a velocidade com que algo está se movendo. E, neste momento, ela parou de dizer a verdade.

Quando isso acontece, o primeiro instinto é encomendar um novo codificador. Às vezes, isso resolve o problema. Muitas vezes, porém, não resolve. O que parece ser uma falha no codificador geralmente é uma falha em outro ponto da cadeia de sinal que transmite os pulsos do codificador ao seu controlador. Este guia percorre essa cadeia, elo por elo, desde os pulsos que o codificador deveria estar produzindo até as especificações que você precisa verificar antes de encomendar uma peça de reposição.

Noções básicas sobre sinais de codificadores incrementais: o que um codificador em bom estado emite

A maioria dos codificadores industriais em máquinas de produção é do tipo incremental. Em seu interior, um disco óptico ou magnético gira junto com o eixo. O circuito eletrônico de detecção converte seu padrão em pulsos de onda quadrada: dois canais, A e B, desfasados em 90° um do outro, além de um terceiro canal Z na maioria dos modelos, que emite um pulso por volta e marca o ponto de referência.

Os números importam menos do que a forma. Se o seu codificador for classificado como 100 PPR, uma unidade em boas condições produz exatamente 100 pares de pulsos por volta do eixo, com A e B se sobrepondo em um quarto da largura de um pulso. As fichas técnicas normalmente permitem que o deslocamento de fase varie entre 45° e 135° (90° ± 45°) antes que a unidade fique fora das especificações. Mas, como você verá, uma unidade dentro da tolerância indicada na ficha técnica ainda pode ser inútil em uma instalação real.

Dois fatos a serem levados em consideração em qualquer diagnóstico:

• Os encoders incrementais não possuem memória. Eles contam os pulsos enquanto o eixo gira. Quando a energia é desligada, a contagem é perdida, e o controlador não sabe mais em que posição a máquina se encontra. Isso não é uma falha. É o próprio projeto. Essa distinção será importante mais adiante.
• A qualidade do sinal de saída depende inteiramente do circuito que o transmite. Os codificadores diferem na forma como controlam suas saídas: saída de tensão, coletor aberto NPN ou PNP, complementar (push-pull) ou driver de linha diferencial. É nessa escolha, e não no disco interno, que realmente se concentram a maioria das falhas em campo.

Então, como é uma falha e como você a verifica com as ferramentas da bancada?

Primeiras verificações: como testar um codificador antes de atribuí-lo a ele a culpa

Antes de suspeitar do próprio codificador, faça essas cinco verificações nessa ordem. Cada uma delas elimina um ramo inteiro da cadeia. Juntas, elas levam cerca de cinco minutos com um multímetro:

1. Meça a tensão de alimentação no codificador. Não faça suposições. As famílias de coletor aberto e de amplificador de linha têm requisitos de alimentação diferentes, e uma alimentação que apresente valor baixo ou ruído sob carga causa todos os problemas possíveis.
2. Verifique a fiação e os terminais. Terminais de parafuso soltos, conectores oxidados e uma linha comum ou de 0 V sem potencial são os diagnósticos mais comuns de “falha do codificador” que, na verdade, se revelam problemas de conexão.
3. Gire o eixo lentamente e observe os pontos A e B em relação ao terra. Em uma saída de coletor aberto com resistência pull-up, cada canal deve oscilar entre um valor próximo a 0 V e um valor próximo à tensão de alimentação à medida que o eixo gira. Um canal que permaneça estável está com defeito; o problema pode estar no canal, no fio ou na entrada.
4. Se o seu modelo tiver um canal Z, gire o eixo uma volta completa e verifique se aparece exatamente um pulso.
5. Troque por um cabo que você saiba que está em boas condições e faça o teste novamente. Consertar falhas no cabo sai barato, mas um diagnóstico incorreto sai caro.

O limite real do multímetro: ele indica se há pulsos e qual é, aproximadamente, a intensidade deles. Ele não consegue detectar deslocamento de fase, ciclo de trabalho distorcido, pulsos ausentes ou ruído intermitente — e essas quatro falhas são as principais causadoras dos problemas intermitentes de produção. Se as cinco verificações forem aprovadas e a máquina continuar apresentando comportamento anômalo, a próxima questão não é qual codificador encomendar. É qual elo da cadeia está falhando.

É o codificador ou a corrente? Onde realmente ocorrem as falhas no codificador

A cadeia de sinal possui cinco elos: o mecanismo sensor dentro do codificador, o estágio de saída elétrica, o cabo entre o codificador e o controlador, o circuito de entrada ou contador do controlador e a montagem mecânica que mantém o codificador alinhado. As falhas em campo se distribuem de forma desigual por esses elos, e o próprio codificador costuma ser o inocente.

A interface elétrica: quando os circuitos de saída não são compatíveis

Os codificadores industriais transmitem seus sinais de saída de algumas maneiras padronizadas, e cada uma delas requer um tipo específico de circuito de entrada no lado do controlador:

• NPN com coletor aberto drena corrente. Ele coloca sua saída no nível baixo e precisa da entrada do controlador, ou de um resistor pull-up, para fornecer o nível alto. Se você combiná-lo com uma entrada do tipo “sourcing” ou do tipo PNP, não obterá nenhum sinal utilizável.
• PNP de coletor aberto fontes em corrente. É a imagem espelhada e requer uma entrada de corrente de afundamento.
• Complementar (push-pull) Ele opera ativamente tanto em nível alto quanto em nível baixo, por isso é compatível com qualquer um dos dois tipos de entrada. É por isso que é a recomendação padrão para cabos mais longos ou ambientes com ruído elétrico.
• Driver de linha (diferencial RS-422) transmite cada canal como um par balanceado, o que neutraliza o ruído induzido. É a opção padrão para longas distâncias e altas frequências de pulso.

Quando a topologia de saída não corresponde à entrada do controlador, os sintomas variam desde a ausência de sinal até contagens em apenas uma direção e erros aleatórios que aparecem e desaparecem com a temperatura. Basta substituir o codificador por outra unidade do mesmo tipo incompatível para que o problema volte a ocorrer imediatamente. É exatamente assim que as máquinas acabam com uma gaveta cheia de codificadores “defeituosos” que, no teste de bancada, apresentaram resultados satisfatórios.

A conexão a cabo: onde as falhas intermitentes realmente ocorrem

Erros intermitentes de contagem apontam, antes de mais nada, para o cabo e seu entorno. A máquina funciona por horas e, de repente, perde a posição ou apresenta uma falha. O padrão clássico é um fio de sinal cortado ou comprimido dentro do motor, causando curto-circuito contra uma parte metálica energizada. Um fabricante documentou exatamente isso depois de queimar três codificadores no mesmo motor. Cada um deles apresentou falha com a mensagem “saída ainda presente, mas oscilando algumas contagens em torno de zero” (Solução de problemas do codificador rotativo, MowerProject). Seus testes em bancada foram aprovados na tensão de 12 V. A falha só ocorreu na tensão de 24 V da máquina.

Quando um eixo CNC aciona um alarme do codificador na inicialização, as primeiras medidas tomadas pelos próprios fabricantes de máquinas são reveladoras: verificar a blindagem do cabo, conferir o aterramento do equipamento e inspecionar o traçado do cabo (Erro no sinal do codificador incremental do SINUMERIK 840D, Siemens SiePortal). A blindagem só funciona quando aterrada na extremidade direita, e os cabos do codificador que passam pelo mesmo duto que a alimentação do motor captam ruídos que nenhum codificador consegue filtrar. Se você estiver escolhendo um substituto para um trecho longo ou com ruído, a decisão sobre o circuito de saída (complementar ou driver de linha versus coletor aberto) é uma escolha de engenharia, não uma questão de preço.

O lado receptor e os elos de montagem: quando o problema não está no codificador

Primeiro, vamos ao lado do controlador. As placas de contador e as entradas dos servos às vezes precisam ser reiniciadas, e os programas de PLC podem ser escritos de forma a interpretar erroneamente pulsos válidos. Uma discussão sobre manutenção de um problema persistente no codificador concluiu que a própria placa do codificador precisava ser substituída ou, pelo menos, reiniciada (Pergunta sobre solução de problemas, r/IndustrialMaintenance). Se você tiver um eixo sobressalente, o teste mais barato na manutenção industrial é trocar o codificador por um que se saiba que está em boas condições. Se a falha acompanhar o codificador, o problema está no codificador. Se a falha persistir, o problema não está nele.

A montagem mecânica é o outro culpado oculto. Os codificadores são instrumentos de precisão aparafusados a máquinas que vibram. Uma montagem desalinhada ou deformada gera contagens espúrias que se assemelham exatamente a uma falha eletrônica. Um observatório identificou que anos de erros de orientação do telescópio se deviam a uma montagem do codificador pressionada pela carcaça do motor, embora o próprio codificador estivesse em perfeito estado (Problemas com codificadores incrementais, IfA Havaí). Antes de considerar que o codificador está com defeito, verifique se há deslizamento no acoplamento, se há sobrecarga no eixo e se há deformações na montagem. Um acoplamento solto desliza sob carga e causa erros de contagem exatamente como um canal inativo.

Quando todas as cinco conexões apresentam resultados corretos, mas a falha persiste, o osciloscópio é a referência definitiva. Em uma instalação em funcionamento, o deslocamento de fase deve permanecer próximo a 90° ± 5–10°, o que é mais restrito do que a tolerância indicada na ficha técnica. A amplitude deve ficar próxima à tensão de alimentação, e os pulsos devem ser uniformes (Falha no codificador do PLC, Dicas de Engenharia). Pulsos ausentes, ciclos de trabalho irregulares ou canais que mudam de estado simultaneamente indicam, afinal, que o problema está no disco interno ou na parte eletrônica do codificador.

Consertar ou substituir — e por que a perda de posição após o desligamento muda a resposta

Depois de confirmar que o próprio codificador é o problema, as opções de reparo em campo são limitadas. Reencaixar ou refazer conectores e substituir o cabo são reparos válidos. Em alguns modelos, uma janela óptica suja pode ser limpa. Um disco, uma fonte de luz ou um estágio de saída com falha deve ser substituído. Na prática, “reparo” para a maioria dos codificadores incrementais industriais significa “substituir por um com as mesmas especificações”.”

Isso levanta a questão que distingue uma correção de cinco minutos de uma que se repete. Os codificadores incrementais perdem a posição quando há queda de energia. Se sua máquina retorna automaticamente à posição inicial na inicialização e essa perda não acarreta nenhum custo para você, compre o mesmo tipo incremental e siga em frente. Se perder a posição significar um reajuste manual, trabalho em andamento descartado ou uma linha de produção aguardando um operador, esse custo recorrente é a verdadeira justificativa para a atualização para um codificador absoluto, que lembra sua posição mesmo após ciclos de energia.

A atualização tem limites rígidos. Um encoder absoluto é inútil se o seu controlador só suportar a contagem incremental de pulsos. Encoders absolutos multivoltas exigem bateria ou backup mecânico, o que algumas instalações não podem oferecer. Verifique a compatibilidade do controlador antes de comprar. Um encoder “melhor” que o seu inversor não consiga ler é pior do que o incremental que você já possuía.

O que pedir: Decifrando o circuito de saída, a tensão e o PPR do codificador antigo

Você retirou o codificador antigo do eixo. Agora, a única questão que importa é o que exatamente você deve encomendar. A resposta está escrita na placa de identificação da unidade antiga, se você souber como interpretá-la.

Leia o sufixo do número de peça. Nas famílias de codificadores incrementais mais comuns do setor, o bloco de sufixos do número de peça codifica o circuito de saída e a tensão de alimentação. Uma família com uma plataforma básica compartilhada entre as variantes utiliza letras finais para identificar a variante elétrica: o mesmo codificador mecânico é oferecido com saída de tensão, coletor aberto NPN ou PNP, complementar ou driver de linha, cada um com sua própria faixa de alimentação.

Esse é o hábito mais útil na substituição de encoders: converta o número da peça em três especificações (circuito de saída × tensão de alimentação × PPR) antes de pesquisar o preço. Essas três especificações constituem o produto. O número da peça é apenas uma forma abreviada de se referir a elas.

Se a placa de identificação estiver faltando ou for ilegível, a unidade antiga ainda pode ser identificada eletricamente. Conecte-a a uma fonte de alimentação de bancada e observe a saída com um multímetro ou osciloscópio. Uma saída de coletor aberto permanece no nível baixo, a menos que haja um resistor pull-up instalado. Uma saída complementar ou com driver de linha aciona ativamente ambos os níveis. Esse comportamento estático, por si só, já distingue as principais famílias.

Circuito de saída × entrada do controlador: a tabela de correspondência

As famílias de coletor aberto são as mais comuns em máquinas antigas, pois se conectam diretamente às entradas do PLC. Elas também são a fonte mais comum de “ausência de sinal” quando a entrada do controlador apresenta polaridade oposta. As saídas complementares e com amplificador de linha existem por um motivo: um controlador que não consegue interpretar um trecho longo de coletor aberto interpretará um sinal complementar ou diferencial sem qualquer problema. Se o seu trecho de cabo for longo, compartilhar um conduíte com a fiação de alimentação ou alimentar um servoacionamento, deixe que o comprimento do trecho determine o tipo de saída. Não deixe que a tabela de preços decida isso.

PPR e número de canais: devem corresponder à unidade antiga

O PPR é a resolução na qual se baseiam os cálculos de posição e velocidade do controlador. Ao alterá-lo, você altera todos os valores exibidos de velocidade e posição na máquina, a menos que também altere os parâmetros do controlador. Portanto, para uma substituição direta, certifique-se de que o PPR corresponda exatamente ao da unidade antiga. É igualmente fácil cometer erros na contagem de canais. Se a máquina realizar o retorno ao ponto de referência com um pulso Z, uma substituição sem um canal Z desativa silenciosamente o retorno ao ponto de referência. Verifique ambos em relação à ficha técnica, e não apenas com base na impressão de que “parecem iguais”.”

Há um limite claro para o conceito de “compatível”: compatível não significa “visualmente idêntico”. Um codificador que seja compatível em termos de circuito de saída, tensão e PPR, mas que difira no diâmetro do eixo, no comprimento do cabo ou no padrão de montagem, não é um substituto direto. E qualquer fornecedor que não consiga apresentar uma tabela de especificações indicando esses parâmetros está vendendo um produto baseado em suposições.

É aqui que a estrutura da família de saídas se torna prática. Na família de encoders incrementais da OMCH, o sufixo realiza a mesma decodificação que este artigo acabou de ensinar a você. A mesma plataforma mecânica abrange variantes de saída de tensão, coletor aberto NPN e PNP, complementares e com driver de linha. A classe “-6C” é de coletor aberto NPN na faixa de 5 a 24 VCC. A variante de saída complementar é indicada para distâncias superiores a 10 m ou em ambientes com alta interferência, com uma tabela de especificações em sua própria página. As opções de resolução variam de 10 a 1.200 PPR em toda a família. A ficha técnica de cada variante indica seu circuito de saída, tensão de alimentação, tensão residual e corrente de saída em aberto; portanto, as três especificações que você acabou de aprender a definir são as mesmas três que publicamos (Visão geral da nossa linha de encoders incrementais, tabela de especificações da variante de saída complementar).

Onde comprar um encoder de reposição: o que verificar primeiro

Suas três especificações estão definidas. Antes de pagar a qualquer vendedor — seja de marca, genérico ou de plataforma de vendas —, verifique três coisas:

1. Uma ficha técnica que especifique os parâmetros: circuito de saída, tensão de alimentação, PPR, canais, tensão residual, corrente de saída. “Compatível com a marca X” é uma frase de marketing. Uma tabela de parâmetros é uma prova.
2. Uma garantia por escrito e um canal de devolução. Mesmo compradores cuidadosos podem acabar comprando produtos com especificações erradas. A questão é o que acontece nessas situações; portanto, confirme os termos antes de fazer o pedido, e não depois.
3. Alguém capaz de responder a uma pergunta sobre controladores. Pergunte: “Minha entrada é uma placa de PLC de 24 V com saída de corrente. Qual variante eu preciso?” Um fornecedor que responde com um número de variante, em vez de dar de ombros, é um fornecedor que será útil quando for preciso.

Um fornecedor que mantém em estoque toda a linha de produtos, e não apenas o modelo que por acaso se tornou popular, é também aquele capaz de enviar a variante correta quando a placa de identificação indicar algo incomum.

A visão do distribuidor: estocagem e venda de codificadores por família de especificações, e não por número de peça

Tudo o que foi dito acima foi escrito para quem conserta máquinas. Se você vende componentes de automação industrial, está lendo isso por um motivo diferente. Seus clientes são essas pessoas, e a pergunta mais comum que elas fazem sobre codificadores não é “o que você tem?”, mas “o codificador da minha máquina quebrou, qual eu preciso?”.”

Essa questão é uma ordem permanente, não algo pontual. As máquinas em operação continuam funcionando, e cada máquina em operação equipada com um codificador incremental representa uma futura solicitação de substituição.

Estocar por família de especificações, e não por número de peça

Os dados sobre falhas apresentados neste artigo apontam para uma lição sobre gestão de estoque. A base instalada apresenta grande diversidade elétrica: drivers de linha de 5 V em eixos servo, coletores abertos NPN de ampla faixa de tensão em linhas controladas por PLC e saídas complementares em linhas mais recentes e sujeitas a ruídos. Os números de peça que codificam essa diversidade se multiplicam mais rápido do que qualquer distribuidor consegue memorizar. Em vez disso, organize o estoque de encoders por circuito de saída × tensão × PPR. Uma família de componentes complementares ou NPN com ampla cobertura de tensão atende à maior parte das solicitações de reposição. Uma família de drivers de linha cobre solicitações de longa duração e relacionadas a servos. Os modelos absolutos só merecem espaço na prateleira quando as máquinas dos seus clientes regionais apresentam problemas de retorno à posição inicial.

Indique as três especificações antes do preço

A atitude profissional — e aquela que gera confiança, em vez de apenas lucros — é recusar-se a fazer um orçamento até que essas três especificações sejam informadas. Peça o número de peça da unidade antiga. Explique o significado do sufixo ao cliente. Confirme a tensão e o PPR. Só então faça o orçamento. Vendedores que oferecem cotação para “um codificador compatível” sem esses três parâmetros são a razão pela qual os compradores nas histórias de fracasso deste artigo têm gavetas cheias de codificadores “defeituosos” testados em bancada. Venda o serviço de tradução e a cobertura completa, e a linha de codificadores deixará de ser um SKU de baixa margem de lucro. Ela se tornará o motivo pelo qual um cliente também lhe enviará o restante da consulta sobre o gabinete.

Se o sufixo do seu codificador antigo não significar nada para você, envie-nos o número da peça ou uma foto da placa de identificação, e nós o traduziremos para as três especificações antes de você fazer qualquer pedido (nosso suporte à seleção de produtos, entre em contato com nossa equipe).

Referências

1. Sorte. Como solucionar problemas em um codificador rotativo com um multímetro — Além do multímetro, Parte 3.
2. MSC Industrial Direct. Diagnosticar problemas em codificadores rotativos com um osciloscópio.
3. Siemens SiePortal. SINUMERIK 840D: Erro no sinal do codificador incremental na inicialização.
4. Uma dica. Falha no codificador do PLC.
5. Reddit r/IndustrialMaintenance. Pergunta sobre solução de problemas.
6. MowerProject. Solução de problemas do codificador rotativo.
7. IfA Havaí (TCS). Problemas com codificadores incrementais.
8. Tudo sobre circuitos. Saída do codificador incremental.
9. OMCH. Visão geral da família de encoders incrementais.
10. OMCH. Tabela de especificações do codificador de saída complementar E6B2-CWZ5G.
11. OMCH. Suporte à seleção de produtos.
12. OMCH. https://www.omch.com/.