Como funcionam os encoders (MEC128)

Um tipo de sensor de grande importância na automação tanto industrial como de qualquer outro equipamento, é o que dá informações sobre a velocidade ou posição de uma peça que gira ou se desloca linearmente. O ângulo exato em que ela pára ou ainda a velocidade em qualquer sentido de rotação ou movimento podem ser fundamentais para o tipo de controle que se deseja. Para sensoriar posições e velocidade um tipo de sensor muito usado é o Encoder. Trata-se de um tipo de sensor que se enquadra na categoria dos CDTs e de que trataremos neste artigo.

O controle de muitos equipamentos automatizados depende do conhecimento da posição de peças móveis com precisão.

Para essa finalidade são usados diversos tipos de transdutores, cuja finalidade é fornecer, na forma de sinais elétricos, informações sobre a posição, velocidade de deslocamento e sentido de deslocamento de peças giratórias ou que se movem em linha reta.

Um dos dispositivos mais usados para essa finalidade é o encoder óptico ou simplesmente encoder que se enquadra na categoria dos transdutores codificados.

 

Transdutores Codificados (CDT)

Chamamos de transdutores codificados ou CDTs os transdutores de posição ou sensores que fornecem informações para um circuito externa na forma de um código. Os transdutores codificados podem ser de diversos tipos:

 

a) Relativo

Os transdutores relativos, como os encoders, indicam a mudança de posição e não a posição real.

 

b) Absoluto

Indicam a posição real do objeto.

Os sensores deste tipo podem ser usados para medir tanto deslocamentos lineares como angulares, conforme mostra a figura 1.

 

Transdutor absoluto.
Transdutor absoluto.

 

Na figura 2 temos um transdutor linear em que existe uma tira de material plástico onde estão gravadas as posições do objeto, as quais são lidas por um transdutor quando ele se desloca.

 

Transdutor linear.
Transdutor linear.

 

A idéia dos dispositivos denominados encoders é antiga. Os cilindros dos antigos pianos que "tocavam sozinhos" ou ainda dos cilindros com pinos das caixinhas de música é o ponto de partida.

Colocando os pinos de um cilindro em posições determinadas pelas notas musicais que devem ser acionadas, ao girar esses pinos acionavam lâminas de comprimentos diferentes que então produziam as notas correspondentes, conforme mostra a figura 3.

 

Cilindros com pinos para caixinhas de música.
Cilindros com pinos para caixinhas de música.

 

A idéia evoluiu para os dispositivos capazes de controlar as funções de uma máquina em função de sua posição e hoje temos os CDT.

Um dos tipos mais populares de transdutor codificado ou CDT é o encoder óptico que tem a construção física mostrada na figura 4

 

Encoder óptico.
Encoder óptico.

 

Esse transdutor é formado por um disco de plástico transparente opnde estão gravadas tiras escuras que correspondem à codificação digital de cada posição.

A leitura é feita colocando-se um ou mais emissores infravermelho de um lado e um ou mais sensores (fotodiodos ou fototransistores) do lado oposto. Os sinais obtidos são então pulsos quando partes claras ou escuras do disco plástico passam diante dos sensores, conforme mostra a figura 5.

 

Pulsos obtidos.
Pulsos obtidos.

 

Na forma mais simples temos uma seqüência de claro e escuros que se movem diante de um único par de sensores, caso em que se produz um tem de pulsos que pode ser contado tanto para se monitorar a posição do objeto como sua velocidade. Esse tipo de sensor é denominado incremental.

No sensor absoluto, temos diversas faixas que fornecem uma indicação digital, pois vários sensores são usados para a sua leitura.

Observe então que as marcas claras e escuras são programadas para fornecer uma informação digital da posição em que o disco pára.

Evidentemente, quanto mais códigos forem gravados, no disco, ou seja, mais dígitos tiver o código maior é quantidade de posições que pode ser sensoriada. Em suma, o número de bits do código dá a precisão ou resolução do encoder.

Por exemplo, um encoder de 4 bits ou 4 faixas de leitura permite ler apenas 32 posições, mas um encoder de 8 faixas tem uma resolução de 256 posições ou aproximadamente 1,4º .

Uma das desvantagens deste tipo de sensor é que na versão incremental torna-se difícil detectar o sentido do movimento. Os pulsos gerados quando ele se desloca num sentido são os mesmos quando ele se desloca no sentido oposto.

Existem diversas técnicas que podem ser usadas para que os transdutores incrementais também detectem o sentido do movimento.

Uma dessas técnicas é mostrada na figura 6.

 

Técnica para detecção do sentido de movimento.
Técnica para detecção do sentido de movimento.

 

Este sistema é usado quando o deslocamento se faz em passos iguais de ângulos nos dois sentidos.

Conforme podemos ver, na fita onde se desloca o sensor temos duas faixas com marcas.

Observe que as marcas de posição estão levemente deslocadas, de modo que o circuito possa detectar isso, dando com precisão o sentido de rotação do sensor. Quando ele gira num sentido, as marcas de uma faixa cortam o sensor um pouco antes do que as marcas do outro. Com a inversão do sentido de rotação é a outra faixa que passa detectar as marcas antes.

A codificação dos transdutores de deslocamento absolutos tem a aparência mostrada na figura 7.

 

Codificação.
Codificação.

 

Observe que neste caso temos 6 trilhas e portanto 6 bits, o que permite ler 26 posições diferentes ou uma definição de 64 posições.

Observe que neste tipo de sensor temos marcas de clock. Sua finalidade é muito importante. Sem as marcas de clock, na transição da leitura de posição para outra ocorrem estados intermediários dos níveis lógicos que podem causar erros. Por isso, é importante que a marca de clock diga ao circuito o momento exato em que deve ser feita a leitura.

Em muitos encoders desse tipo a codificação das posições é feita em binário, conforme mostra a figura 8.

 

Codificação em binário.
Codificação em binário.

 

Trata-se de uma forma intuitiva de se fazer a marcação de posições, porém existem alguns problemas a serem considerados na adoção desta forma de numeração das posições.

Para evitar estes problemas muitos transdutores de deslocamento absolutos adotam uma codificação diferente que é dada pelo denominado Código de Gray.

 

O Código de Gray

No código de Gray, a passagem de um valor numérico para outro sempre se faz com a mudança de valor de um único bit. Isso facilita a leitura.

Por exemplo para passar do 11 decimal para 12 decimal temos duas possibilidades:

 

Binário: 01011 para 01100

Gray: 01110 para 01010

 

Observe que em binário tivemos 3 bits mudando e no código Gray apenas 1, conforme mostra a figura 9.

 

Comparação entre binário e Gray.
Comparação entre binário e Gray.

 

A idéia de se usar esse tipo de codificação vem do tempo em que os circuitos digitais ainda usavam válvulas e contadores eletromagnéticos. As válvulas consumiam uma grande quantidade de energia assim como a comutação de contadores.

Assim, picos de consumo eram gerados quando na passagem de 0111111 para 100000 quando vários relés eram fechados e abertos ao mesmo tempo. O pico de EFM (Força Contra-Eletromotriz) gerado podia causar sérias instabilidades ao circuito.

No código binário, os valores dos dígitos são expressos pela sua posição no número como potências de 2.

Assim, para a numeração de 0 a 7 em binário temos:

 

0 - 000

1 - 001

2 - 010

3 - 011

4 - 100

5 - 101

6 - 110

7 - 111

 

Veja que, para a passagem de 011 (3) para 100 (4) todos os dígitos mudam! No código Gray temos uma forma difrente de representar os números de 0 a 7:

1 - 000

2 - 001

3 - 010

4 - 110

5 - 111

6 - 101

7 - 100

 

Na figura 10 mostramos um disco sensor de encoder programado em Código Gray.

 

Disco programado em código Gray.
Disco programado em código Gray.

 

Os transdutores de deslocamento codificados também apresentam suas vantagens e desvantagens:

 

Vantagens:

* São lineares ou podem ser programados para qualquer outro tipo de resposta.

* São precisos

* Possuem desgaste muito baixo

* O circuito de condicionamento é simples

 

Desvantagens:

É preciso ter um acoplamento mecânico com o objeto.

 

Encoders na Prática

Podemos encontrar no comércio especializado encoders diversos tipos e formatos, com circuitos internos que podem fazer a comunicação com dispositivos de controle externo de diversas maneiras.

Essa comunicação pode ser uma simples seqüência de pulsos,como nos tipos incrementais mais simples, como pode ser codificada para transmissão serial por linha Rs232 ou RS485.

Nesse último caso, o encoder pode se comunicar diretamente com microprocessadores, computadores, PLCs e outros dispositivos de controle.

Na figura 11 temos os aspectos de alguns encoders encontrados em aplicações práticas.

 

Aspecto físico de um encoder.
Aspecto físico de um encoder.

 

Na figura 12 damos um circuito simples TTL que converte entradas em código Gray para Binário, acionando um conjunto de LEDs. Trata-se de um conversor de 4 bits.

 

Conversor de 4 bits.
Conversor de 4 bits.

 

Esse circuito deve ser alimentado com tensão de 5 V pois, trata-se de lógica TTL.

 

Conclusão

Os encoders consistem em transistores precisos para o monitoramento e medida de velocidade de partes móveis de uma máquina, principalmente partes que giram.

Existem diversos tipos cuja aplicação depende simples da aplicação ou seja, da definição na medida da posição e da velocidade e ainda do tipo de comunicação que deve ser feita com o circuito de controle.

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