O que é um codificador rotativo? Tipos, funcionamento e aplicações

A precisão é agora uma necessidade essencial no mundo da engenharia atual, onde nada é um luxo. Na automação industrial, na eletrônica de consumo e em todos os outros dispositivos, é possível obter o controle do movimento, mas ele deve ser preciso. A parte mais importante desse recurso é um componente eletromecânico vital: o codificador rotativo. Este tutorial apresenta o codificador rotativo em profundidade, explicando sua finalidade, os mecanismos internos, as principais categorias, bem como o uso fundamental em um escopo de aplicações/sistemas em cenários reais.

O que é um codificador rotativo e por que ele é importante

Um codificador rotativo é um dispositivo eletromecânico, ou um sensor eletromecânico, que mede o ângulo rotativo ou o movimento de um eixo rotativo e disponibiliza essa informação em um sinal elétrico. Esse sinal é de natureza analógica ou pode ser um sinal digital que fornece informações acionáveis sobre a posição angular do equipamento conectado, o sentido de rotação de um eixo, a velocidade e a aceleração. Sua capacidade operacional é inestimável em muitos mecanismos diversos em que é necessário um feedback rotacional preciso em um mecanismo de controle de loop fechado ou um método de medição preciso.

Um codificador rotativo é basicamente diferente de um potenciômetro, embora ambos sejam comumente comparados. Um potenciômetro é um sensor analógico absoluto simples, que produz uma saída de tensão que aumenta com a posição de um limpador móvel e que tem um limite de ângulo de rotação inferior a 360A}}$S em cerca de 270 graus, com o zero da saída correspondendo a um valor entre 0 e 360 graus (dependendo do fabricante). A maioria dos codificadores rotativos, por outro lado, não tem contato ou é capaz de um grau de rotação teoricamente ilimitado, e as técnicas de detecção sem contato usadas evitam o desgaste mecânico inerente ao limpador de um potenciômetro. Isso os torna perfeitos para serem usados em aplicações de rotação contínua e aumenta muito a vida útil.

Os codificadores rotativos fornecem os dados básicos de milhões de procedimentos automatizados. Esses dispositivos, usados em controle industrial, robótica, usinagem CNC e outros, são vitais para dar a um sistema uma sensação de como ele está se comportando, para que possa se ajustar a ele e ter uma noção de sua própria condição. O estudo de como eles funcionam é importante para qualquer engenheiro ou técnico que venha a trabalhar nessas áreas.

Entendendo como funcionam os codificadores rotativos

Em sua essência mais simples, o que um codificador rotativo faz é apenas transportar o giro mecânico para uma série de pulsos elétricos. Um codificador rotativo funciona completando isso por meio de uma interação inteligentemente ajustada de um elemento codificado e um elemento sensor.

O item mais importante é um disco padronizado ou roda de código que é pressionado no eixo em questão. Esse disco tem um padrão repetível com características específicas que um sensor fixo pode detectar. A aplicação desse princípio é feita por três tecnologias principais diferentes:

• Codificador óptico rotativo: É o mais comum dos diferentes tipos de codificadores e, na maioria das vezes, tem as resoluções mais altas. A roda de código é um disco transparente que possui um arranjo de linhas ou cortes opacos. Em vez disso, é usado um diodo emissor de luz (LED) que projeta seu feixe através do disco e, posteriormente, um fotodetector registra os acertos no feixe de luz quando as linhas opacas se movem através da linha de detecção; isso produz um pulso.
• Codificadores magnéticos: Nesse projeto, um rotor magnetizado é usado na forma de uma roda de código com uma série de polos norte e sul. As alterações nos campos magnéticos são detectadas por um sensor magnético estacionário de efeito Hall ou magneto-resistivo à medida que a roda gira. Os codificadores magnéticos podem ser muito robustos e ter altos níveis de confiabilidade, além de não tolerarem fatores ambientais como poeira, umidade e poço de óleo, o que os torna adequados para aplicações industriais sujas.
• Codificadores mecânicos: Esse é o mais barato e mais fácil de usar. Um padrão de traços condutores em um disco faz contato físico com um conjunto estacionário de escovas. Uma mudança nos padrões à medida que o eixo gira interpenetra e interrompe os circuitos para desenvolver um sinal. Eles têm como desvantagem principal o desgaste mecânico, a vida útil curta e o ressalto de contato, que exige a eliminação do ressalto do sinal.

A maior inovação da maioria dos codificadores incrementais é o emprego de sinais de quadratura e, portanto, o nome codificador de quadratura. Eles geram dois trens de pulso distintos (um é chamado de Fase A e o outro é chamado de Fase B), que estão defasados em 90 graus. Ao comparar qual fase do sinal está à frente da outra, é possível saber com certeza a direção da rotação. Quando A está à frente de B, a rotação no plano é no sentido horário; quando B está à frente de A, é no sentido anti-horário. Além disso, é possível medir a frequência desses pulsos para obter a velocidade do eixo.

Quanto mais preciso for um codificador, maior será sua resolução, que é dada em pulsos por revolução (PPR) ou contagens por revolução (CPR). Um codificador de 1000 PPR emitirá 1000 pulsos por rotação de 360 graus em seus canais A e B. Os codificadores multicanais também incluem um terceiro canal, o sinal Z ou sinal de índice, com esse único pulso ocorrendo a cada revolução. Isso será de grande utilidade no caso de sequências de homing e calibração de posição.

Principais tipos de codificadores e suas principais diferenças

Embora os codificadores tenham várias outras formas, dependendo de como são detectados, sua categorização mais importante é por meio da saída. A decisão de usar um codificador de base incremental ou um codificador de base absoluta é uma decisão de projeto importante no sistema e depende da exigência de posição e do custo da aplicação em questão.

Codificador rotativo incremental: Um codificador rotativo incremental é um codificador que tem um fluxo de saída de pulsos que fornece o movimento relativo. Ele não projeta o estado posicional real do eixo, mas sim que ele está se movendo e em que direção. O controlador do sistema terá de registrar esses pulsos em relação a um ponto de partida conhecido. Esse ponto de partida deve ser direcionado, geralmente por meio de uma rotina de direcionamento no sinal Z. O primeiro ponto forte dos codificadores incrementais é que eles são simples e baratos. No entanto, a principal desvantagem é que, em caso de perda de energia, todas as informações sobre as posições seriam excluídas. Depois que a energia é restabelecida, o sistema deve ser reposicionado para recuperar a posição.

Codificador rotativo absoluto: Em vez disso, o codificador rotativo absoluto tem um sinal diferente - uma palavra digital, ou código, para cada posição do eixo. Em um codificador absoluto, a roda de código é mais complexa, pois cada posição é codificada em um conjunto específico de código binário. Isso significa que, quando o sistema perde a energia, mas depois a recupera, o codificador fornecerá a posição real no momento em que a energia for fornecida. Isso elimina a necessidade de uma sequência de retorno e não perde os dados de posicionamento durante um ciclo de energia, o que é necessário na maioria das aplicações críticas de segurança e de alta posição. Os codificadores absolutos são ainda mais divididos em:

• Volta única: Fornece a posição absoluta em uma rotação de 360 graus.
• Multi-voltas: Inclui um mecanismo de engrenagem adicional para contar também o número de rotações completas, fornecendo um código exclusivo em uma ampla gama de movimentos.

Não é de se surpreender que a complexidade e a capacidade adicionais dos codificadores absolutos os tornem mais caros do que seus equivalentes incrementais.

Saídas de sinal e como decodificar codificadores rotativos

A saída de onda quadrada derivada de um codificador deve ser decodificada adequadamente no controlador receptor (geralmente um PLC, microcontrolador ou unidade). A classificação correta dos diferentes tipos de sinais de saída é muito importante para proporcionar compatibilidade de hardware e integridade de sinal.

O sinal dominante produzido é o sinal de quadratura (fases A/B), conforme explicado nos parágrafos anteriores. Entretanto, o circuito do driver de saída determina as propriedades elétricas da maneira pela qual esses sinais são acionados. Exemplos típicos são:

• Push-Pull (HTL - High-Threshold Logic): Uma saída geral e popular. Ela oscila positivamente o sinal para cima (para a tensão de alimentação) e para baixo (para o terra) de modo a produzir um sinal forte e imune a ruídos. É de uso comum nos sistemas industriais de 24V.
• TTL (Lógica transistor-transistor): Esse driver fornece uma saída quadrada de 5 V e é voltado para comprimentos de cabo mais longos devido à sua saída A e A-não, B e B-não, Z e Z-não, que é um driver de linha diferencial. Há uma excelente rejeição de ruído de modo comum proporcionada pelos sinais diferenciais.
• Coletor aberto (NPN/PNP): Um dos tipos de saída é o coletor aberto (NPN/PNP), que é usado como uma chave. Ele é capaz de conduzir a linha de sinal para o terra (NPN) ou para a tensão de alimentação (PNP), mas não pode conduzir ativamente na outra direção. Isso exige um resistor externo de pull-up ou pull-down na extremidade do controlador, que geralmente é ligado a um pino comum, como VCC ou o terra, e é usado para estabelecer um estado lógico definitivo. Esse esquema de interface é benéfico entre sistemas de tensões lógicas variáveis.

O processo de decifrar os sinais A/B é lógico. O controlador continua verificando qual dos dois canais está disponível. O canal oposto ou o mesmo leva a uma verificação a ser realizada para determinar a direção. Caso o estado do canal A seja alterado apenas agora, o controlador examina o estado atual do canal B. Quando B for diferente do estado anterior de A, a direção será no sentido horário, e a mesma situação ocorre no sentido inverso (quando o estado anterior de A for semelhante ao de B, a direção será no sentido anti-horário). A lógica geralmente é aplicada a contadores de hardware ou por meio de software com o uso de interrupções externas para garantir um monitoramento confiável em tempo real. A quantidade de fios (por exemplo, 3 fios, 5 fios) que um codificador carrega está relacionada ao seu tipo de saída (um codificador com saída do tipo CC deve ter mais fios), à sua capacidade de utilizar energia e ao fato de o codificador ter ou não um sinal Z ou saídas diferenciais.

Especificações importantes na seleção de um codificador rotativo

Uma análise minuciosa para definir as necessidades da aplicação deve ser feita para determinar o tipo de codificador a ser usado. Até a decisão incremental (vs. absoluta), há algumas especificações importantes que devem ser levadas em consideração:

• Resolução (PPR/CPR): Essa é a contagem de pulsos ou a contagem da revolução. A resolução mais alta permite maior precisão das medições, mas requer o uso de um controlador que possa enviar e receber a taxa de dados mais alta. Ele deve ser acoplado à precisão de posicionamento necessária do sistema.
• Precisão: Isso não deve ser confundido com precisão. A precisão é o maior erro na posição, conforme indicado pelo codificador, e a posição física real. Normalmente, ela é medida em arcos-minutos ou arcos-segundos.
• Saída Tipo: O tipo de saída Push-Pull, TTL ou Open Collector selecionado deve ser compatível com o circuito de entrada do controlador, conforme descrito acima.
• Especificações mecânicas: Isso (incluído no diâmetro do eixo e no padrão de montagem (por exemplo, montagem em flange, montagem em servo) e no tamanho físico do corpo do codificador). Ele deve se encaixar fisicamente no projeto da máquina.
• Ambiental Classificações (classificação IP): A classificação IP (Ingress Protection) é uma definição do codificador que determina sua resistência a poeira e líquidos. Ele pode ser classificado com um nível de IP65, ou seja, é à prova de poeira e de jatos de água, o que o torna aplicável na maioria dos ambientes industriais. Classificações de vibração e choque: também são essenciais para máquinas submetidas a uma grande quantidade de estresse mecânico.

Um amador com um desktop impresso em 3D pode abrir mão do alto custo e usar um codificador incremental mecânico mais simples ou óptico de baixa resolução. Por outro lado, um engenheiro de projeto que desenvolve um braço robótico a ser construído em uma linha de fabricação precisa se concentrar no posicionamento absoluto, na alta precisão e em uma classificação de IP suficientemente alta e, portanto, se inclinará para um codificador absoluto magnético ou óptico de alta especificação.

Aplicativos do mundo real em sistemas industriais e de consumo

Os codificadores rotativos têm aplicações bastante diferentes e numerosas, dependendo das várias aplicações e de quase todos os campos comerciais da tecnologia.

• Automação industrial: Os codificadores são a chave para o feedback do motor. Eles podem ser montados na parte traseira do eixo de impacto de um motor servo, de passo ou CC para fornecer informações de velocidade e posição ao acionamento, oferecendo maior controle de esteiras transportadoras, máquinas de embalagem e linhas coletivas automatizadas.
• Sistemas de robótica: Os braços de robôs de vários eixos usam codificadores absolutos ao longo de cada articulação para medir com precisão o ângulo e a posição de cada segmento. Essas informações são importantes para saber a localização do efetor final do robô e para que o controlador faça os movimentos corretos.
• CNC & Impressão 3D: Impressão 3D Nas ferramentas de controle numérico computadorizado (CNC) e nas impressoras 3D, os codificadores são montados nos servomotores que operam os fusos de esferas e os pórticos. Eles garantem que o cabeçote da ferramenta ou o bico de impressão trabalhe com precisão de um mícron.
• Automotivo: Nos automóveis contemporâneos, os codificadores podem ser encontrados em aplicações como a detecção do ângulo do volante em sistemas de controle eletrônico de estabilidade até os botões de feedback tátil de um sistema de infoentretenimento.
• Eletrônicos de consumo: Um codificador incremental de baixo custo pode ser encontrado na roda de rolagem de um mouse de computador em uma escala menor. Os codificadores também podem ser usados para dar um giro suave e contínuo nos botões de volume de equipamentos de áudio de alta categoria com precisão digital.

Como conectar codificadores rotativos a microcontroladores

Uma das tarefas de engenharia mais comuns é como fazer a interface desse tipo de sensor de posição com algo que possa interpretá-lo, um controlador como o Arduino, Raspberry Pi ou um controlador lógico programável (PLC). Isso é feito por meio dos contatos elétricos adequados e de uma rotina de programa para ler os sinais.

Primeiro, certifique-se dos níveis de tensão. Um codificador industrial HTL de 24 V precisa de uma interface de 5 V. Nas saídas de coletor aberto, devem ser fornecidos resistores externos para puxar para o nível alto a fim de proporcionar um nível alto sólido nas áreas em que a saída não está sendo acionada.

As interrupções de hardware fornecem a abordagem mais sólida baseada em software para a leitura de um codificador. Os pinos do microcontrolador aos quais as saídas dos canais A e B estão conectadas são capazes de interromper. Cada borda ascendente e descendente dos sinais ativa uma rotina de serviço de interrupção (ISR). A rotina do sistema de inventário (ISR) Dentro da ISR, a lógica de decodificação decide a direção e aumenta ou diminui uma variável do contador de posição. Essa técnica é consideravelmente melhor do que o chamado polling (verificação repetida do status do pino durante um loop), que pode de fato perder um pulso, mesmo quando o programa principal está ocupado em outro lugar.

As armadilhas típicas são a fiação incorreta (mistura de canais A/B ou alimentação quente/neutra) e a desconsideração do salto de sinal ao usar codificadores mecânicos. Um capacitor menor no hardware ou escuta por alguns milissegundos e altera um estado no software respondendo a um algoritmo de “debouncing”. É muito importante seguir o método definitivo de cabeamento, código e teste.

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