Resolver versus codificador: Principais percepções para uso industrial

No que diz respeito à automação industrial, o sistema de controle é um dos fatores mais importantes a serem considerados. No entanto, não é possível controlar algo se não for possível medi-lo primeiro. Os codificadores e os resolvers desempenham a mesma função básica. Eles atuam como o dispositivo de feedback dos servomotores, convertendo o movimento mecânico do eixo de movimento rotativo em sinais elétricos que podem ser consumidos e compreendidos pelo controlador de acionamento. Em aplicações que variam de braços robóticos a veículos elétricos, a seleção de um desses dois dispositivos determinará não apenas a capacidade de os dispositivos funcionarem com precisão, mas também a capacidade de os dispositivos funcionarem de forma confiável.

Princípios operacionais

Para selecionar o componente ideal para cada função, é necessário examinar a física do acionamento. As principais diferenças entre o codificador e o resolvedor estão na forma como cada um detecta o movimento: um é por meio do eletromagnetismo, o outro por meio da luz.

Resolvedores: Transformadores rotativos analógicos

Um resolver é um produto de uma época em que os componentes mecânicos precisavam ser duráveis e resistentes. Ele é, de fato, um transformador rotativo. Um resolver de motor é composto por duas partes: um estator, que é estacionário, e um rotor, que gira com o eixo do motor. O que torna essas peças únicas, no entanto, é o fato de não conterem placas de circuito, solda ou silício. Os únicos componentes que elas contêm são enrolamentos (ou bobinas) de cobre, laminações de ferro ou uma caixa de metal.

Em alguns projetos, os resolvedores sem moldura são usados para economizar espaço, sendo montados diretamente no motor. Os resolvedores funcionam por meio de indução eletromagnética. Os enrolamentos do rotor recebem um sinal CA de referência e, à medida que o rotor gira, um sinal é induzido nos enrolamentos secundários. Os enrolamentos secundários são posicionados a 90 graus no estator e servem para medir a posição angular do rotor.

Em seguida, um enrolamento secundário emite uma tensão que é proporcional ao seno do ângulo, enquanto o outro seno é proporcional ao cosseno. Com base nas saídas de seno e cosseno, a posição atual do rotor é extraída pelo controlador. Essa estimativa é feita ao longo de um contínuo sem nenhum processamento digital envolvido, produzindo um sinal analógico.

Codificadores: Sensoriamento fotoelétrico digital

Se o resolver é um instrumento de trabalho analógico, os codificadores ópticos são instrumentos de precisão digital. Sua operação é baseada na interrupção da luz. Dentro de um codificador rotativo, você encontrará um disco de código - normalmente feito de vidro ou plástico de alta qualidade - montado no eixo rotativo. Esse disco é gravado com milhares de linhas microscópicas, criando um padrão de ranhuras transparentes e opacas. Uma fonte de luz LED fica em um lado do disco e uma matriz de fotodetectores fica no outro.

À medida que o disco gira, ele corta o feixe de luz em flashes rápidos. O sensor detecta esses flashes e os converte em pulsos elétricos. Os componentes eletrônicos internos (um chip ASIC) processam imediatamente esses pulsos em uma saída digital limpa, geralmente uma série de ondas quadradas (0s e 1s).

O codificador óptico fornece uma linguagem digital direta que os controladores modernos falam nativamente, oferecendo feedback de alta resolução que divide uma única rotação em milhões de contagens precisas. O codificador óptico fornece um sinal digital direto que os controladores modernos falam nativamente, oferecendo feedback de alta resolução que divide uma única rotação em milhões de contagens precisas. Isso cria uma vantagem distinta em relação aos encoders incrementais simples, que podem exigir o retorno após a perda de energia.

Você poderia comparar codificadores e resolvedores da seguinte forma: os resolvedores funcionam como relógios de pulso mecânicos tradicionais. Eles são construídos com camadas de molas e engrenagens intrincadas e pesadas (cobre e ferro). São construídos para durar e dependem puramente de princípios mecânicos e físicos. Um codificador óptico, por outro lado, é como um smartwatch. Essas maravilhas modernas são repletas de microprocessadores, sensores e todos os tipos de eletrônicos modernos. Eles são incrivelmente ricos em recursos e podem ser mais precisos. Isto é, até que você os esmague contra uma pedra. Não apenas os sensores falharão, mas o disco de código provavelmente rachará devido à inércia de um forte impacto.

Resolver versus codificador: Principais especificações de desempenho

Para passar da teoria à engenharia, precisamos de fatos, fatos estatísticos para sermos específicos, conforme evidenciado na comparação de especificações a seguir de tipos comuns de codificadores e resolvedores.

Os dados traçaram claramente um limite. Se houver uma aplicação em que o motor deve girar a 50.000 RPM, os recursos de impedância de um resolver levarão à deterioração do sinal, obrigando-o, como última opção, a usar um codificador. Por outro lado, se 140 °C for a temperatura da carcaça do seu motor, os chips de silício em um codificador serão queimados. Portanto, o sensor resolver será a única opção.

O que faz o Resolver e o Encoder se destacarem?

A diferença entre um resolver e um codificador não é uma questão de um ser melhor. É simplesmente uma questão de sobreviver em um ambiente hostil (ou seja, temperaturas decididamente extremas) e ter um desempenho inferior ou ser preciso e realizar o trabalho.

O caso da robustez (Resolver)

A obstrução do design vintage do resolver em relação aos componentes eletrônicos não é apenas uma vantagem poderosa, mas também o torna o campeão absoluto de resistência extrema. Como nada pode falhar devido ao calor ou à radiação (ou seja, ambientes adversos), o resolver permanece no topo das condições ambientais.

• Temperatura: Um resolver padrão opera continuamente a temperaturas em torno de 155°C. Modelos especializados foram até mesmo projetados para atingir 200°C ou mais em ambientes de alta temperatura, que é o limite superior. Isso é simplesmente uma consequência do material de isolamento e do fio usado nas formações de cobre.
• Vibração e choque: Um resolver pode suportar choques mecânicos (como acima de 200 g) e vibrações fortes. Não há discos de vidro que se estilhaçam nem juntas de solda que se quebram.
• Contaminantes: Os campos magnéticos não são afetados por óleo, graxa, umidade ou poeira. Um resolver ainda pode funcionar quando inundado por óleo. Isso permite a integração direta dentro das carcaças do motor para monitorar a posição do eixo.

O caso da precisão (codificador)

Os dados mais precisos significam que um codificador óptico será menos durável.

• Precisão: A tecnologia óptica terá uma resolução muito maior. A resolução do codificador é maior em comparação com um resolver. O resolver perde a precisão devido à precisão do enrolamento mecânico e ao ruído do sinal. O codificador óptico não tem esse problema e pode atingir uma resolução de 20 bits para alta precisão.
• Clareza do sinal: O sinal é digitalizado imediatamente, o que significa menos exposição à EMI. Portanto, em comparação com um resolver, os codificadores ópticos são mais protegidos durante a transmissão.
• Resposta dinâmica: Para algumas aplicações, um codificador óptico seria preferível a um resolver, pois contém maior densidade de feedback e atinge maior número de linhas para controle preciso da velocidade.

Além do preço de etiqueta: Uma análise de custo do mundo real

Quando um gerente de compras está analisando a lista de materiais (BOM), uma das formas mais comuns de erro é comparar apenas o custo de um sensor na lista de materiais. Uma visão mais ampla, que seja integrada, levará a uma decisão melhor na forma de custo total de propriedade (TCO). No contexto de uma comparação de custo entre resolver e codificador, é essencial olhar além do preço de etiqueta.

Na maioria dos casos, o codificador óptico de alta qualidade tem um preço mais alto e, portanto, sua fabricação é mais cara do que a de um resolver padrão. Um resolver simples parece custar menos na prateleira e, portanto, domina o preço.

O maior risco está na integração. Um resolver emite um sinal analógico “burro” que o sistema de controle não pode ler diretamente. Seu acionamento precisa incorporar um conversor de Resolver para Digital (R/D), que frequentemente é um recurso premium no servoacionamento ou uma placa complementar cara. Além disso, os resolvedores precisam de cabeamento multipar, trançado e blindado de alto custo para longas extensões de cabo, a fim de preservar o sinal analógico corrompido do ruído.

Por outro lado, um codificador óptico emite um sinal digital utilizável. Ele se conecta facilmente às entradas padrão de praticamente qualquer controlador e não precisa de hardware e software especializados e caros para decodificar o sinal ou supressão adicional de ruído. Por esse motivo, os codificadores ópticos normalmente resultam em um custo geral de sistema mais baixo em aplicações gerais de automação industrial, pois simplificam a arquitetura e o design geral, supondo que o hardware seja mais caro.

Aplicações do setor: Resolver vs Codificador

Os atributos técnicos que discutimos resultaram em uma segregação natural do mercado no setor com base em diferentes necessidades.

Propulsão de veículos elétricos: O caso dos resolvedores

Ao considerar quais componentes eletrônicos podem suportar as condições mais extremas, o motor de tração de um veículo elétrico (EV) está no topo da lista. O motor sofre choques em buracos, vibrações na estrada e altas temperaturas devido às altas correntes e ao resfriamento do sensor, o que é agravado pelo fato de estar enterrado profundamente na estrutura do motor.

Nessas condições extremas, espera-se que o sensor desempenhe sua função de forma confiável, pois o contrário pode criar um risco para a estrada, tornando o VE inoperante. Isso explica por que a maioria dos fabricantes de VEs opta por resolvers: eles podem durar em condições em que os codificadores ópticos falhariam em minutos. Os resolvedores foram descritos como sendo construídos em um ‘tanque’, seu sinal de feedback da posição do motor é constante enquanto o eixo do motor gira.

CNC e robótica: O caso dos codificadores ópticos

Na usinagem com Controle Numérico Computadorizado (CNC) e na robótica de seis eixos que a executa, a sobrevivência não é mais a prioridade. Em vez disso, ela foi substituída pelo controle de movimentos de precisão nas linhas de montagem.

• Acabamento da superfície: O perfil da taxa de alimentação de uma máquina CNC deve ser preciso ao cortar um molde de smartphone. Qualquer desvio da taxa de avanço programada causará a formação de ondulações na superfície do metal. Os codificadores ópticos garantem que o servoacionamento possa fazer as correções de velocidade necessárias para manter uma velocidade constante.
• Posicionamento: Um braço robótico deve manter a precisão submicrônica ao colocar um chip em uma placa de circuito. Atingir esse nível de precisão de retenção é um desafio devido ao piso de ruído analógico do resolver. Para esse nível de automação, os codificadores ópticos oferecem o controle estável necessário e o loop de feedback preciso.

Tendências de mercado: O surgimento de alternativas magnéticas

Nas últimas décadas, a escolha binária esmagadora de codificadores ópticos e resolvers demonstrou ser subótima de acordo com os estudos de mercado mais recentes. Com os avanços na tecnologia de efeito Hall e AMR (Anisotropic Magnetoresistance), o setor começou a favorecer os codificadores magnéticos (e, às vezes, os codificadores capacitivos) como um compromisso equilibrado entre os tipos de codificadores.

Os pioneiros em veículos elétricos, como Tesla e BYD, e os sistemas de controle de movimento, como Universal Robots e Yaskawa, são os pioneiros do setor na substituição de resolvers pesados por sensores magnéticos miniaturizados. O feedback magnético de 10 a 20 bits está alcançando reduções significativas de espaço e cortando custos por uma margem de 15% sem prejudicar o desempenho. Essa é a prova de que a tecnologia magnética é a solução racional ideal para vários casos de uso.

No setor aeroespacial, entretanto, essa mudança de guarda está em desacordo com o pacote. Devido à natureza severa dos casos de uso, os resolvedores permanecem. As missões que envolvem desafios térmicos, como operar entre -55°C e + 180°C, ou que exigem precisão de posicionamento de 0,1°C ou melhor, ainda utilizam resolvers. As alternativas magnéticas, embora ainda não tenham sido comprovadas para uso convencional em sistemas críticos de voo, estão sendo testadas atualmente.

Guia de seleção

Nesses casos, as compensações orientadas por um conjunto de parâmetros estão em jogo para se chegar à conclusão de fazer uma escolha informada. Esse encoder versus resolver não é um rumor de obsolescência, mas descreve a especialização necessária. Use a Matriz de Decisão em 3 Etapas aqui para determinar o melhor dispositivo de feedback para o seu motor e eliminar a confusão no processo:

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Perguntas frequentes

• Por que usar um resolver em vez de um codificador?

Os resolvedores são escolhidos principalmente pela durabilidade. Como não contêm componentes eletrônicos integrados (chips, capacitores ou solda), eles podem suportar temperaturas extremas (>155°C), vibração intensa e radiação que fariam com que os delicados componentes eletrônicos dentro de um codificador falhassem instantaneamente.

• Um resolver é um codificador absoluto?

Sim, um resolver padrão atua como um codificador absoluto de volta única (frequentemente comparado a codificadores absolutos), fornecendo dados de posição absoluta de forma analógica. Ele emite uma tensão analógica distinta para cada valor de posição exclusivo durante uma rotação de 360°C (fornecendo posição absoluta). Uma vez energizado, ele sabe sua posição, mas não pode acompanhar outras rotações completas durante a ligação sem lógica adicional nos componentes eletrônicos de feedback.

• Posso simplesmente substituir um resolver por um codificador?

Na maioria dos casos, a resposta é não. Cada interface eletrônica do resolver e do codificador é muito diferente; um codificador usa saídas digitais e alimentação CC, enquanto um resolver requer saídas analógicas e excitação CA. No caso de troca de dispositivos, você provavelmente precisará trocar o servoacionamento ou fornecer um conversor de sinal de alto custo entre eles.