Os encoders são os dispositivos de feedback mais amplamente aplicados em sistemas servo industriais de alta precisão. Aprenda os princípios de funcionamento e as aplicações apropriadas para encoders lineares, rotativos e senoidais, e também como mitigar ruídos de EMI/RFI para ter um controle de sistema servo mais preciso e confiável.
Encoders: a escolha de feedback de alta resolução
Os encoders são caracterizados em três categorias básicas: rotativo ou linear; incremental ou absoluto; e se o sinal é gerado por meios ópticos, magnéticos ou de contato. Encoders sem contato são mais comuns do que dispositivos de contato e, nesta categoria, vamos nos concentrar em encoders ópticos, que são mais comuns e precisos do que os magnéticos.
Quando os encoders ópticos surgiram, eram elogiados por sua capacidade de oferecer alta precisão tanto em aplicações de baixa quanto de alta velocidade. No entanto, as primeiras versões eram, às vezes, consideradas como não confiáveis. Grande parte do problema era simplesmente devido à aplicação incorreta: quando instalados em equipamentos industriais pesados, a vibração e a temperatura às vezes prejudicavam a eletrônica frágil e os discos de codificação de vidro.
As versões atuais são mais robustas, com eletrônicos e ópticos mais bem protegidos. Mesmo assim, a maioria dos fabricantes ainda recomenda selecionar encoders ópticos para aplicações industriais mais leves, em que ficam expostos a temperaturas abaixo de 90 ºC e vibração abaixo de 20 G.
Encoders lineares
Encoders lineares contêm uma trilha linear e uma cabeça de leitura, e geralmente são usados com sistemas que rastreiam movimento linear, como estágios X-Y e mesas de posicionamento. A trilha linear pode variar em comprimento de alguns centímetros a vários metros. É gravada com graduações que são escaneadas pela cabeça de leitura conforme os componentes de movimento se movem. A cabeça de leitura detecta vários canais para fornecer dados de posição e direção. Encoders com saídas senoidais usam circuitos de interpolação adicionais para melhorar eletronicamente a resolução.
Para equipamentos que exigem resolução particularmente alta, os encoders lineares são a melhor escolha dessa classe. Resoluções de até 0,1 mícron são comuns, sendo que alguns sistemas oferecem resolução de até 20 nanômetros.S A precisão, normalmente 20 mícrons por metro, pode diminuir linearmente ao longo da distância de deslocamento da trilha. No entanto, isso pode ser compensado com a correção de erro de inclinação para manter qualquer erro abaixo de 5 mícrons por metro.
Máquinas que operam em altas velocidades usam encoders lineares porque esses dispositivos normalmente funcionam em velocidades mais altas do que outros dispositivos de feedback. O principal fator que possivelmente pode limitar a velocidade é se o circuito de contagem eletrônico consegue acompanhar o ritmo.
Encoders rotativos ópticos
Encoders rotativos ópticos consistem em uma fonte de luz, um disco de código rotativo e um detector de luz. O disco tem fendas ou graduações que o dividem em áreas igualmente espaçadas de claro e escuro. Essas marcações são frequentemente referidas como linhas, daí a unidade de medida: linhas por rotação (LPR). Essa medida indica a resolução ou granularidade de um encoder.
A precisão para encoders é definida como mais (+) ou menos (–) um determinado número de linhas ou contagens. É importante observar que precisão e resolução são atributos diferentes, embora estejam frequentemente relacionados. Com encoders, à medida que a resolução de contagem aumenta, a precisão dentro de um número específico de contagens também aumenta. Isso contrasta com os resolvers, em que aumentar a resolução através de mais interpolação, 16 bits versus 12 bits, por exemplo, não aumenta a precisão. De fato, é bastante comum que os sistemas de resolver tenham uma precisão 100 vezes menor que a resolução.
À medida que os componentes conectados de um encoder giram, o detector de luz registra o padrão ligado-desligado da luz que passa pelo disco. O detector converte esse padrão ligado-desligado em um sinal digital eletrônico que parece com ondas quadradas. Normalmente, duas fileiras de fendas ou marcações são deslocadas por metade de sua largura, ou um quarto de um ciclo completo (90 graus elétricos), gerando dois sinais elétricos conhecidos como Canal A e Canal B. Esse deslocamento permite que o controle determine a direção da rotação do eixo, uma informação importante para o drive durante a inicialização e essencial para sistemas servo que fornecem movimento bidirecional.
Em vez de usar apenas dois canais, alguns encoders usam canais adicionais para rastrear a posição do eixo ou ajudar na imunidade a ruídos. Esses canais incluem o que é chamado de índice e canais complementares. Outro meio de rastrear a posição do eixo é adicionar um canal de comutação ou equivalente a Hall. Estes representam o alinhamento com a fase A, fase B e fase C (também conhecidas como U, V e W) da força contraeletromotriz (back EMF) do motor.
Dependendo de como o encoder conta os canais A e B, a resolução pode aumentar quatro vezes. Essa capacidade surge quando o circuito de contagem rastreia as bordas de descida e subida de ambos os sinais, também denominado detecção de quadratura. Aumentar a resolução aumenta a repetibilidade do sistema. Alta resolução também permite maior ganho para as malhas de posição e velocidade, garantindo largura de banda total do sistema.
Encoders com resolução de 50 a 5.000 linhas por rotação são padrão entre a maioria dos fornecedores, mas também estão disponíveis contagens de até 100.000 linhas. Em aplicações de alta precisão, a precisão do sistema é afetada por erros de outras fontes, como erro cumulativo do parafuso de avanço, expansão térmica ou folga da porca. Encoders lineares podem superar esses desafios.
Encoders senoidais
Encoders senoidais estão na extremidade de alto custo, alta precisão e alta exatidão do espectro de dispositivos de feedback. São semelhantes aos encoders incrementais, exceto que os canais de dados A e B são normalmente enviados ao controlador como ondas senoidais de um volt de pico a pico em vez de ondas quadradas.
O benefício é que esses dispositivos podem interpolar cada onda senoidal completa, o que aumenta a resolução do sistema e oferece mais informações ao controlador de velocidade. Isso reduz erros de truncamento e quantização, permitindo ganhos de malha mais altos.
Os encoders senoidais podem atingir mais de 2 milhões de contagens por rotação, ou cerca de 0,62 segundos de arco de resolução. Tal capacidade é bem adequada para aplicações que exigem alta precisão ou têm cargas de inércia elevada.
Como outros encoders, os encoders senoidais também podem ter trilhas de comutação, trilhas de emulação Hall ou canais senoidais auxiliares chamados C e D, que fornecem posição absoluta dentro de uma rotação. Os canais C e D são semelhantes aos sinais de seno e cosseno usados em resolvers.
Uma variação de encoders senoidais é o encoder senoidal multivoltas. Versões multivoltas são implementadas usando uma caixa de engrenagens mecânica interna, um sensor Wiegand ou um mecanismo de backup de bateria. Isso fornece posicionamento absoluto em muitas revoluções do dispositivo. Esses encoders podem fornecer até 8192 passos por rotação e até 8192 rotações do eixo, oferecendo um total de 26 bits de rotação absoluta antes da interpolação.
Encoders senoidais oferecem alta precisão, resolução e exatidão para aplicações que variam de registro de alta velocidade a revestimento de filme e controle de banda. Encoders senoidais também se encaixam em operações de baixa velocidade, em que a rotação suave é crítica. Ajudam os sistemas de movimento a alcançar altos ganhos, rigidez superior e precisão de posição em mesas rotativas, máquinas de montagem de indexação e acionamentos de rolos.
Atenuando o ruído
Os dispositivos de feedback podem emitir sinais elétricos ou ópticos. Uma vantagem de usar linhas de transmissão óptica para sinais de feedback é que elas são imunes a ambientes de alto ruído ou interferência eletromagnética/de radiofrequência (EMI/RFI) que poderiam interferir em sinais limpos e distorcer os dados enviados ao drive, comprometendo a capacidade de fornecer alta qualidade de posição, velocidade e controle de torque.
Ao enviar sinais eletricamente, podem ser necessários amplificadores ou dispositivos de condicionamento de sinal para modificar sinais ruidosos. Dispositivos de feedback mais recentes usam chips IC para converter e interpolar sinais em formas de onda mais robustos, que não são corrompidos por ruído e que não diminuirão à medida que se propagam pelo cabo até o drive.
Saiba mais
É muito importante que você leia os nossos três posts no blog sobre Dispositivos de Feedback, critérios de seleção de alto nível, bem como sensores de efeito Hall e resolvers, além dos encoders lineares, rotativos e senoidais abordados aqui para dominar este tópico crucial de movimento. E sinta-se à vontade para contatar um engenheiro da Kollmorgen para tratar das especificidades da sua aplicação e obter recomendações para a melhor tecnologia de circuito de servo para atender às suas necessidades.
