1. Introdução aos codificadores
Os codificadores são um tipo de sensor usado principalmente para detectar velocidade, posição, ângulo, distância ou contagem de movimento mecânico.
Além de serem usados em máquinas, muitos controles de motores, como servomotores, exigem encoders para fornecer feedback para comutação, velocidade e detecção de posição ao controlador do motor.
2. Classificação de codificadores
O codificador pode ser dividido em codificador analógico e codificador digital. O codificador analógico pode ser dividido em transformador rotativo e codificador Sin/Cos, enquanto o codificador digital pode ser dividido em codificador incremental e codificador absoluto.
3. Princípios de funcionamento de codificadores comumente usados
3.1 Princípio dos codificadores digitais
1) Use acopladores fotoelétricos para digitalizar 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 estritamente instalados em partes estacionárias do rolamento de conexão rotativo.
O encoder é um disco de sombreamento com abertura ou janela transparente, que é instalado na parte rotativa do rolamento.
3.2 Princípio dos codificadores digitais fotoelétricos
Quando o rolamento gira, o codificador permite que o feixe de luz se alterne (passe pela pequena janela no disco).
O fotodiodo emite sinais correspondentes de alto ou baixo nível conforme a posição muda. A saída do fotodiodo pode ser convertida em informações de posição e velocidade através de um circuito especializado.
3.2.1 Saída de Encoders Incrementais
A saída do encoder incremental consiste em um disco fotoelétrico de eixo central com marcações circulares transparentes e opacas, que são lidas pelos componentes emissor e receptor fotoelétrico 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 equivale 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 encoders incrementais
1. Conexão monofásica
Usado para contagem unidirecional e medição de velocidade unidirecional.
2. Conexão bifásica AB
Usado para contagem bidirecional e determinação de direção e velocidade.
3. Conexão trifásica ABC
Usado para determinar a velocidade com correção da posição de referência.
A conexão AABBCC possui corrente de conexão de sinal negativo simétrica, que possui atenuação mínima e forte anti-interferência, e pode ser emitida por 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 por motivos como interferência, resultando em erros de transmissão.
Neste 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 o zero ou a posição de identificação.
Para medir com precisão o pulso zero, independentemente da direção 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 da duração do pulso.
3.2.3 Multiplicador de Encoders Incrementais
Devido a limitações tecnológicas e de amostragem, é impossível conseguir uma divisão física mais precisa e precisa do disco de codificação.
No entanto, pulsos mais altos podem ser alcançados através da conversão do circuito digital.
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 conduz o outro.
O número no contador aumenta ou diminui em 4 a cada ciclo.
3.2.4 Recursos de codificadores incrementais
O codificador emite um sinal de pulso para cada ângulo de rotação predefinido, e o ângulo de rotação é calculado contando o número de sinais de pulso.
Portanto, a saída de dados de posição pelo codificador é relativa.
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 Encoders Incrementais
1) Encoders incrementais possuem erros cumulativos de ponto zero.
2) Eles têm baixa 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 de codificadores absolutos resolve esses problemas.
3.3 Princípio do Codificador Absoluto
Um codificador absoluto possui 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 único, conhecido como código Gray, variando de 2^0 a 2^(n-1), onde 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 afetado por falta de energia ou interferência.
3.3.1 Disco de código 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 possui 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 cinza:
Inteiros adjacentes em sua representação numérica possuem 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 realizando uma operação “ou exclusiva” nos dígitos mais altos e no segundo dígito mais alto (em binário).
Referência para códigos decimais e Gray.
| Decimal | Código Gray |
| 0 | 0000 |
| 1 | 0001 |
| 2 | 0011 |
| 3 | 0010 |
| 4 | 0110 |
| 5 | 0111 |
| 6 | 0101 |
| 7 | 0100 |
| Decimal | Código Gray |
| 8 | 1100 |
| 9 | 1101 |
| 10 | 1111 |
| 11 | 1110 |
| 12 | 1010 |
| 13 | 1011 |
| 14 | 1001 |
| 15 | 1000 |
3.3.2 Formatos de saída de codificadores absolutos
1. Modo de saída paralela
Neste modo, há um cabo para cada bit de dados (canal de bits), e o nível do sinal (alto ou baixo) em cada cabo representa 1 ou 0.
O dispositivo físico é semelhante a um codificador incremental e possui 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 está na forma de um código Gray, também chamado de codificador de código Gray.
2. Saída de interface serial 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 serial usa menos linhas de conexão e pode transmitir por distâncias mais longas, o que melhora muito a proteção e a confiabilidade do codificador.
Encoders absolutos de alto bit e codificadores absolutos multivoltas geralmente usam saída serial.
3. Formato serial assíncrono
Neste modo, instruções e 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 um endereço for adicionado para cada codificador, vários codificadores poderão compartilhar o cabo de transmissão e subsequente recepção. Este formulário é chamado de tipo fieldbus.
4. Princípio do codificador híbrido
A codificação incremental e a codificação absoluta estão integradas no mesmo disco.
O círculo mais externo do disco contém faixas incrementais de alta densidade, enquanto a parte do meio é o canal binário do código Gray do codificador absoluto.
A rotação do disco é indicada contando o número de pulsos por rotação, e o ângulo girado dentro de uma semana é contado usando o valor numérico do código Gray.
Codificador absoluto multivoltas: baseado 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 de transmissão de engrenagem, 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 Moiré produzidas se aproxima de uma função cosseno.
Ao colocar quatro franjas Moiré de 1/4 de elementos fotossensíveis na direção do movimento da franja Moiré, quatro conjuntos de sinais de saída seno e cosseno podem ser obtidos.
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 linha reta.
Codificador de escala de grade
O princípio de funcionamento do sensor de deslocamento da grade é que quando a grade mestre (ou seja, a grade de escala) e a grade auxiliar (ou seja, a grade indicadora) no par de grades estão relativamente deslocadas, a interferência e a difração da luz produzem um preto regular – e -padrão listrado branco (ou claro-escuro), chamado franja Moiré.
As listras pretas e brancas (ou claras e escuras) iguais são convertidas em sinais elétricos que mudam de onda senoidal por meio de dispositivos fotoelétricos.
Após amplificação e modelagem por circuitos de modelagem, dois sinais de onda senoidal ou onda quadrada com diferença de fase de 90 graus são obtidos e enviados ao display digital da 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 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 certa frequência, a amplitude da tensão do enrolamento de saída está em uma relação de função seno ou cosseno com o ângulo do rotor, ou mantém uma certa relação proporcional, ou tem uma relação linear com o rotor ângulo dentro de um determinado intervalo.
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 através do acoplamento eletromagnético, conforme mostrado na figura acima.
A magnitude da tensão de saída depende da posição angular do rotor e, portanto, varia senoidalmente com o deslocamento do rotor.
De acordo com o princípio do transformador, assumindo que o número de voltas no enrolamento primário é N1 e o número de voltas no enrolamento secundário é N2, k = N1/N2 é a relação de voltas. Quando uma tensão CA é aplicada ao enrolamento primário
Aplicação de 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, 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.
5. Precauções de instalação para codificadores
Aspectos Mecânicos:
1. Preste atenção à carga permitida do eixo durante a instalação;
2. Certifique-se de que a diferença no eixo do eixo do codificador e do eixo de saída do usuário seja inferior a 0,20 mm e que o ângulo de desvio do eixo seja inferior a 1,5°;
3. Durante a instalação, evite bater, 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 terra deve ser o mais grosso possível, geralmente maior que 1,5 milímetros quadrados;
2) Os fios de saída do codificador não devem se sobrepor para evitar danos ao circuito de saída;
3) Os fios de sinal do codificador não devem ser conectados à alimentação CC ou corrente CA para evitar danos ao circuito de saída;
4）Os equipamentos, como motores, conectados ao codificador devem estar bem aterrados e livres de eletricidade estática.
6. Instalação do Cabo de Blindagem do Encoder.
Diagrama da estrutura interna de um codificador rotativo.
