Codificadores incrementais

Os encoders incrementais são encoders rotativos que fornecem um sinal de saída sob a forma de impulsos. Um impulso corresponde a um período, o incremento, que dá nome a este tipo de encoder. Os encoders incrementais são também designados por encoders de impulsos rotativos devido às suas caraterísticas como encoders para movimentos rotativos e à sua forma de sinal. A utilização de impulsos para medição é um princípio fundamentalmente diferente de, por exemplo, potenciómetros e encoders absolutos.

A propriedade mais importante para determinar a precisão angular de um encoder incremental é o número de impulsos gerados por rotação completa do eixo na saída (impulsos por rotação, ppr.). Este valor pode ser encontrado em qualquer folha de dados de um encoder incremental.

A tecnologia de sensores ópticos tem várias vantagens que fazem dos encoders ópticos os encoders incrementais mais importantes. Em primeiro lugar, o facto de o próprio método de medição dos elementos sensores integrados gerar incrementos, pelo que a utilização em encoders incrementais é óbvia. Uma visão geral dos encoders ópticos pode ser encontrada aqui.

O sistema ótico de um encoder incremental ótico moderno é constituído, no mínimo, pelos seguintes componentes:

• Um díodo emissor de luz (LED) que produz luz
• Um colimador que direciona a luz do LED em paralelo
• Uma roda de codificação com regiões alternadamente permeáveis e não permeáveis (ou reflectoras e absorventes)
• O fotodetector, que detecta a luz incidente do LED e a converte num sinal elétrico.

Existem dois métodos estabelecidos no mercado: O método transmissivo (imagem) e o método refletivo (interferencial). No método transmissivo, a roda de codificação é transiluminada, enquanto no método refletivo, o feixe de luz é refletido a partir da superfície da roda de codificação e são utilizados efeitos de interferência.

Os encoders Hall também estão disponíveis com saídas incrementais. Tal como acontece com os encoders ópticos, a tecnologia de medição não tem contacto e, por isso, é praticamente isenta de desgaste (à exceção da chumaceira). As principais vantagens dos encoders incrementais de efeito Hall são a vida útil praticamente ilimitada da tecnologia de sensores (sem envelhecimento dos LEDs) e a excelente resistência ao choque. As desvantagens podem ser a sensibilidade a interferências externas e o facto de os sinais serem transmitidos com um ligeiro atraso de tempo (taxa de atualização). Para uma explicação do princípio de medição dos encoders de efeito Hall, ver o guia dos encoders absolutos. Para uma análise mais detalhada das vantagens e desvantagens das diferentes tecnologias de encoders, ver o guia de encoders rotativos.

Os encoders incrementais têm normalmente várias saídas de sinal. Se um encoder incremental emitir vários pacotes de sinais, o termo canal é utilizado neste contexto. Por exemplo, "Canal A" e "Canal B". Na literatura, o termo "pista" também é utilizado em vez de "canal".

Exemplo:
Se a folha de dados de um codificador incremental especificar o valor 360 ppr e o codificador tiver as saídas de sinal elétrico "A" e "B" ("Canal A" e "Canal B"), então 360 impulsos por uma rotação do veio (por 360°) são emitidos na saída "A" e outros 360 ppr 90° à frente ou atrás dos impulsos do canal A são emitidos na saída "B". No total, o codificador gera 720 ppr por rotação completa do eixo (360°) para ambos os canais A e B.

O número de impulsos por rotação (ppr) é também referido como a resolução, quanto maior for o valor ppr), maior será a resolução angular do codificador.

O desvio de sinal de 90° dos sinais de onda quadrada dos canais A e B tem uma vantagem. Para cada faixa e período de sinal, um sinal de onda quadrada tem uma borda de sinal ascendente e uma borda de sinal descendente.
A sequência de bordas para as faixas A e B de um período de sinal é a seguinte:

Borda ascendente da faixa A (1) → após um período de ¼ Borda ascendente da faixa B (2) → após um período de ½ Borda descendente da faixa A (3) → após um período de ¾ Borda descendente da faixa B (4)

Se uma unidade de avaliação avaliar não só o bordo ascendente de uma via, mas também os bordos ascendente e descendente das vias A e B, o número de impulsos pode ser quadruplicado com este método. Isto equivale a uma quadruplicação da precisão sem qualquer alteração estrutural do codificador.

Os encoders incrementais não podem funcionar a qualquer velocidade. Existem limitações mecânicas e/ou electrónicas.

As limitações mecânicas podem ser determinadas a partir da folha de dados e devem-se às seguintes causas:

• Velocidade máxima do rolamento do veio (apenas se aplica a encoders com o seu próprio rolamento do veio, ver Encoders de veio). A velocidade máxima permitida é frequentemente inferior a 10000 rpm.
• A excentricidade (desequilíbrio) da mecânica. Nos encoders ópticos, isto é causado principalmente pelo desequilíbrio da roda de codificação. No entanto, a velocidade máxima de funcionamento pode atingir as 60.000 rpm. Os codificadores de kit magnético, por outro lado, não têm normalmente esta limitação.

A limitação eletrónica pode ser calculada: neste caso, o resultado do cálculo é designado por "velocidade de acionamento máxima teórica possível".

• A razão para isto é a frequência de corte da eletrónica. A eletrónica não pode processar uma frequência superior à frequência de corte. Quanto maior for a frequência de corte e menor for a resolução do codificador, maior será a velocidade de atuação teoricamente possível.

A seguinte fórmula pode ser utilizada para calcular a velocidade de atuação máxima teórica a partir da frequência de corte:

\(max. rpm =\frac{\text {frequência de corte} \frac {1} {s} * 60 }{ \text {número de impulsos}}\)

Dois exemplos de como calcular a velocidade de atuação máxima teórica são dados abaixo.

Exemplo 1:
É necessária uma resolução de 512 ppr. A frequência de corte é dada como 100 kHz na folha de dados do codificador. Obtém-se

\({100000 \cdot 1/s\cdot 60 \text{ s} \over 512} = 11718 \text { rpm} \)

Resultado: A velocidade de atuação máxima teórica permitida é de 11718 rpm.

Exemplo 2:
A resolução requerida é de 10000 ppr. A frequência de corte é especificada como 100 kHz na folha de dados do codificador. Resultado: A velocidade de atuação máxima teórica do atuador é de 600 rpm.

\({100000 \cdot 1/s \cdot 60 \text{ s} \over 10000} = 600 \text { rpm} \)

Uma comparação entre a velocidade de atuação máxima teórica e mecanicamente permitida mostra qual delas conta para a aplicação: o menor dos dois valores é relevante!

Nenhum encoder incremental fornece um sinal perfeito. Para os encoders incrementais ópticos, descrevem-se de seguida as incertezas ou tolerâncias que devem ser consideradas para os sinais destes encoders. O sistema ótico inclui a própria roda do codificador e o módulo ou conjunto do codificador que contém o LED e o fotodetector. Todos estes elementos interagem para produzir algum desvio em relação à forma retangular ideal do sinal e à posição ideal do bordo. Estas tolerâncias são frequentemente descritas na ficha de dados de um codificador incremental ótico e ajudam o utilizador a analisar os dados de medição com maior precisão.
Na maioria dos casos, os sinais dos canais A, B e, se necessário, Z são apresentados sob a forma de uma imagem. As relações são depois explicadas através de exemplos no diagrama ao lado.

Os símbolos têm os seguintes significados:
C corresponde a um período
P corresponde a um período de ½ sinal
S corresponde a ¼ período de sinal
Ф é a referência de fase entre os canais A e B

No caso ideal: C = 2 * P = 4 * S = S1 + S2 + S3 + S4.

Quanto maior for o número de impulsos por rotação que são realizados com um codificador ótico, menor será a largura da linha dos incrementos na roda de códigos. No entanto, o sistema ótico de um codificador angular só pode detetar incrementos até uma determinada largura de linha. Por exemplo, uma roda de códigos com 10 mm de diâmetro não pode ter 10.000 linhas devido à sua pequena dimensão. Quando é necessário implementar codificadores incrementais com um diâmetro de caixa pequeno e uma resolução elevada, tal é frequentemente efectuado com base na interpolação seno/cosseno.

O circuito de coletor aberto é um padrão óbvio para circuitos de saída para sinais incrementais e uma grande vantagem é que permite que a saída seja ligada a um nível de tensão diferente definido pela aplicação. Isto é possível porque não existe uma resistência pull-up integrada no codificador e o coletor é conduzido para fora da caixa (coletor aberto). O transístor actua assim como um interrutor.

O exemplo seguinte aplica-se a um transístor bipolar Si-NPN:

Nível alto na saída do sinal:

• Um nível baixo (<0,7V) na base do transístor bloqueia o transístor e a tensão de alimentação (VSUP) é aplicada ao coletor.

Nível baixo na saída de sinal:

• Quando a base do transístor está alta (>0,7V), a tensão no coletor (VSUP) é puxada para a terra.

A saída TTL é muitas vezes referida simplesmente como a saída de tensão. A diferença em relação à saída de coletor aberto é que as resistências de pull-up necessárias já estão integradas na caixa do codificador, pelo que os níveis são fixos. A conversão de nível variável, como acontece com o circuito de coletor aberto, não é, portanto, possível.

Estes níveis são para a lógica TTL padrão:
< 0,4 V para o nível baixo
> 2,4 V para o nível alto

O circuito de saída push/pull baseia-se num par de transístores complementares (canal n e canal p). Bloqueia alternadamente um dos dois transístores.

Quando o sinal de saída é alto, está ao nível de VSUP e quando é baixo, está aproximadamente à terra. A vantagem de um circuito push-pull é que não são necessárias resistências pull-up ou pull-down adicionais. Se não for necessária uma conversão de nível, os codificadores com circuito de saída push-pull podem ser utilizados como um substituto universal para saídas de coletor aberto e TTL/tensão.