Encoder angular: como medir o ângulo usando encoders

Encoder angular: como medir o ângulo usando encoders

Os encoders angulares medem a posição rotacional em relação a um ponto de referência. O encoder angular fornece uma saída de sinal que corresponde ao deslocamento e o dispositivo de leitura (CLP, contador, etc.) processa esses dados em leituras angulares.

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Existem três abordagens para medir um ângulo com um encoder:

Encoder HS35R

– Medição direta do ângulo, com um encoder montado no eixo em rotação acoplado ao conjunto
– Medição indireta do ângulo, com um encoder montado no eixo do motor acoplado ao conjunto
– Medição indireta do ângulo, com um encoder Multi-Turn montado a partir da borda radial do conjunto

Medição direta do ângulo, com um encoder montado no eixo em rotação acoplado ao conjunto

Para medir o deslocamento angular da carga diretamente, o encoder deve ser montado no ponto de articulação central da carga. À medida que a carga gira, o encoder transmite o sinal para o dispositivo receptor.

Esses dados consistem apenas em pulsos de deslocamento (encoder incremental) ou nas posições absolutas inicial e final (encoder absoluto).

O dispositivo de leitura, seja um drive, um controlador ou algum tipo de dispositivo de contagem, precisa processar os dados brutos em informações úteis.

No caso de um codificador incremental, o ângulo α pode ser expresso como onde P é igual ao número de Pulsos e PPR é igual ao número de Pulsos Por Rotação

No caso de um encoder absoluto, o ângulo α pode ser expresso como onde C é igual às Contagens ocorridas e CPR é igual ao número de Contagens Por Rotação.

Medição indireta do ângulo, com um encoder montado no eixo do motor acoplado ao conjunto

Também é possível medir o deslocamento angular de uma carga monitorando o eixo do motor ou uma roda intermediária. Nesse caso, obtemos melhores resultados girando o eixo do motor um número definido de voltas completas e correlacionando-o com o deslocamento da carga a fim de gerar um fator de conversão.

Este é o caso da aplicação tradicional de um encoder rotativo. Tem o benefício de melhorar o desempenho do motor através de um feedback direto. A desvantagem é que ele pode não rastrear com precisão o movimento da carga.

A mobilidade mecânica introduzida por acoplamentos, caixas de engrenagens, etc., pode introduzir erros como folga e histerese.

Teoricamente, o fator de conversão leva isso em consideração, mas os efeitos mecânicos podem variar ao longo do tempo.

Medição indireta do ângulo, com um encoder Multi-Turn montado a partir da borda radial do conjunto

Algumas cargas são incompatíveis com a montagem do encoder no ponto de articulação central da carga. Antenas parabólicas, por exemplo, precisam ser giradas para direcionar-se ao sinal de interesse com um alto grau de controle.

Tanto o projeto mecânico quanto a presença de cabos elétricos passando pelo eixo central tornam impossível a instalação de um encoder no ponto de articulação para monitorar a posição diretamente. Dependendo do grau de controle, também pode ser necessário um encoder de resolução extremamente alta. A solução é rastrear esses dispositivos ao longo de sua circunferência.

Neste método circunferencial indireto, uma engrenagem acoplada à borda radial do conjunto transfere o movimento rotativo a um encododer absoluto Multi-Turn, capaz de rastrear adequadamente o deslocamento angular. Saiba mais sobre encoders Sigle-Turn e Multi-Turn aqui.

À medida que a borda periférica da carga se move, a engrenagem rotaciona e seu movimento é registrado pelo encoder. Mas o diâmetro dessa engrenagem implica numa relação de transmissão (de redução) com o eixo cujo encoder está acoplado. Deste modo, a Resolução Final (RF) do encoder é dada por:

onde RB é o número de contagens na borda periférica do conjunto e N é a taxa de redução devido à engrenagem (ou redutor) onde o encoder Multi-Turn está montado. O contato pode consistir de uma roda dentada engatada com a borda periférica dentada da carga. Alternativamente, o contato pode dar-se mediante uma roda de atrito com simples contato, ou até mesmo através de uma correia.

As fontes de erro incluem acoplamentos mecânicos, folga entre as engrenagens, desvio ou descentralização do eixo, deslizamento da correia no caso de contatos de fricção, dentre outros. Uma alta taxa de redução por parte do conjunto de engrenagens/redutor minimiza o efeito de erro mecânico. A exceção é o atrito nas engrenagens e vedações do redutor que, nesse caso, é multiplicado pelo número de voltas.

Encoders angulares incrementais versus absolutos

Os encoders angulares incrementais podem registrar apenas o deslocamento a partir de alguma posição inicial (home) definida arbitrariamente na inicialização. Essa posição inicial é geralmente referida a um canal de índice, que cria apenas um pulso ao longo de uma rotação completa do disco de código do encoder.

Isso permite que o dispositivo que processa o sinal do encoder rastreie o número de voltas completas do disco a partir da posição inicial. No entanto, o pulso do índice não é exclusivo. Portanto, o número de rotações completas contadas geralmente é perdido se o dispositivo estiver desligado, sendo necessário um novo referenciamento de inicialização.

Um encoder angular absoluto gera uma palavra digital exclusiva para cada posição do disco de código. Os encoders angulares absolutos Multi-Turn também rastreiam o número total de rotações completas com uma palavra digital. Portanto, não há necessidade de retorno para referenciamento e as informações não são perdidas quando o dispositivo está desligado.

No momento em que um encoder angular absoluto é ligado, ele pode relatar exatamente onde está com a leitura da palavra digital relacionada com esse ângulo em particular.

Alcançando maior resolução com encoders angulares de quadratura

Interpolar o sinal de um encoder angular de quadratura também pode proporcionar um aumento significativo no desempenho, dependendo da implementação. Se o processador do dispositivo receptor tratar a borda de subida e de descida dos pulsos A e B como pulsos individuais, quadruplicará a resolução efetiva do encoder angular. Por exemplo, essa técnica de interpolação pode permitir que um encoder de quadratura industrial padrão com 1024 PPR ofereça resolução angular de apenas 0,088 graus.

No entanto, deve-se observar que quaisquer erros serão multiplicados juntamente com a resolução. Isso pode prejudicar o desempenho, o que significa que uma tentativa de aumentar a precisão do sistema (criando uma resolução mais alta por meio de interpolação) pode ter o resultado não desejado de amplificar o erro e reduzir o desempenho do sistema.

Este é um exemplo de como uma resolução mais alta não melhora a precisão. Saiba mais sobre a precisão do encoder versus a sua resolução aqui.

Os encoders angulares de quadratura também permitem monitorar a direção dessa rotação. Em um encoder de quadratura, o disco possui dois conjuntos separados de marcações (canais) que são deslocadas a fim de que o sinal do canal B fique 90 graus defasado (em quadratura) em relação ao canal A.

Isso permite que o dispositivo receptor determine a direção da rotação.

Pergunta do cliente: como posso medir até os décimos de grau?

Resposta: Supondo que você esteja medindo diretamente a partir da rotação do eixo, comece determinando a resolução necessária. Se você deseja medir até 0,1 graus, primeiro determine se esse número se aplica à resolução ou precisão. Em termos de resolução, você precisará de um encoder com 10 pulsos por grau. Multiplicando isso por 360 graus, você obtém a resolução necessária de 3600 PPR.

Assim, um encoder angular de 3600 PPR pode ser usado. Como alternativa, decodificando as bordas de subida e descida dos canais A e B de um encoder de quadratura, você pode quadruplicar a resolução de um encoder angular de 900 PPR e obter a mesma resolução efetiva, embora qualquer erro também seja amplificado por esse fator (x4).

Infelizmente, essa é apenas a precisão teórica. Avalie possíveis erros no sistema como alinhamento, montagens mecânicas, folgas no sistema, etc. Se o mecanismo não puder se posicionar fisicamente a cada 0,1 grau, talvez seja necessário diminuir sua resolução requerida.

ENCODERS POPULARES PARA MEDIÇÃO DE ÂNGULOS

Encoder AI25 EtherNet/IP

Encoder incremental B58N

Encoder de eixo vazado HS35R

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Sobre a Dynapar

A Dynapar é uma das empresas operacionais da Specialty Product Technologies do Grupo Fortive, do qual também fazem parte a Veeder-RootWest Control SolutionsHengstlerAnderson-NegeleGems Sensors, entre outras. Possui fábricas no Brasil, Estados Unidos e Alemanha.

Conta com assistência técnica local e 1 ano de garantia para todos os produtos. Oferece a mais completa linha de encoders do mercado: incremental, absoluto, senoidal, heavy-duty (robusto).

Seus encoders são dedicados a mercados como energia eólica, área petrolífera e veículos fora da estrada. Experiência, versatilidade e competência para atender sua necessidade de precisão e desempenho.

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