Encoder Magnético. Contexto Social e Profissional da Engenharia Mecatrônica. Grupo 8: Danilo Zacarias Júnior. Leonardo Maciel Santos Silva

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1 Encoder Magnético Contexto Social e Profissional da Engenharia Mecatrônica Grupo 8: Danilo Zacarias Júnior Leonardo Maciel Santos Silva Yuri Faria Amorim

2 Índice Resumo Introdução Desenvolvimento Tipos de Saídas Aplicações Fabricantes e Especificações Especificações do Encoder Incremental Magnético IH28M e do Encoder Magnético Rotativo AS Estágio de saída dos encoder Conclusão Referências Bibliográficas

3 Resumo Este trabalho busca descrever as principais características do encoder magnético, seus elementos internos e tipos de saídas. Ao final é dado um exemplo de dispositivo disponível comercialmente e aplicações. 3

4 1. Introdução Os encoder magnéticos são transdutores de movimento capazes de converter movimentos lineares ou angulares em informações elétricas que podem ser transformadas em informações binárias, sequencia de pulsos elétricos, e trabalhadas por um programa que converta as informações passadas em algo que possa ser entendido como distância e posição. Figura 1: Encoder magnético, Absoluto - Multi Volta - DeviceNet. 4

5 2. Desenvolvimento Encoder Linear Magnético No encoder linear magnético, a fita listrada é substituída por uma fita com sensores magnéticos. Na sua maioria, são sensores magnetoresistivos ou de efeito hall. O sensor é guiado através da fita magnética sem que eles entrem em contato. Os transientes de polaridade são então contados e interpolados com valores intermediários. Figura 2: Funcionamento do Encoder Linear Magnético. 5

6 2.1 Tipos de Saídas 2.1 Incremental Na medição incremental, são gerados 3 sinais na saída: - O sinal Z, que é um pulso acionado toda vez que o sensor passa pela posição de referência, que corresponde à posição zero. - O sinal A, que corresponde a uma onda binária, e cada pulso corresponde a um deslocamento x, que é a resolução do instrumento. A posição é calculada a partir da contagem de pulsos após o pulso de referência multiplicada pela resolução. - O sinal B, que é uma cópia de A deslocada em fases de ±90, e é necessário para determinar o sentido do movimento. Dependendo do deslocamento de fase desse sinal em relação a A, é possível determinar se o deslocamento foi para a direita ou esquerda do ponto de referência, no caso linear, ou horário ou anti-horário, no caso rotacional. Figura 2.1: Sinais Típicos de Saída de um Encoder Incremental [fonte: Absoluta Na medição absoluta, cada posição corresponde a um código binário. Quanto maior o número de bits desse código, maior a resolução do instrumento. Geralmente, é usado código de Gray para representar as posições. Dessa forma, cada transição entre posições adjacentes corresponde à mudança de apenas um bit, evitando erros que levem à um código diferente do correspondente a uma das posições adjacentes. Uma vantagem da medição absoluta é que a real posição não é perdida no caso de uma eventual queda de alimentação. Quando a energia retorna, a posição é atualizada e, com isso, não é preciso ir até a posição zero para determinar a posição, como no caso da medição incremental. 6

7 3. Aplicações Eles são utilizados em sistemas que necessitam de posicionamento em vários eixos. Podemos citar: Máquinas de CNC (Controle Numérico Computadorizado) como furadeiras e máquinas de usinagem. Impressoras de jato de tinta e digitais. Maquinas para montagem de PCI (placas de circuito impresso). Além disso, podem ser utilizados em outros instrumentos para uma medida direta de comprimento, como: Paquímetros digitais Testadores de tensão elástica. 7

8 3.1 Fabricantes e Especificações Existem inúmeros fabricantes de encoder: Rational Precision Instrument Co., Ltd Pepperl & Fuchs RENISHAW GURLEY Precision Instruments Heidenhain Leeds Honeywell Nos datasheets destes fabricantes, são dadas muito mais especificações elétricas que mecânicas, diferentemente do rotacional. Temos as seguintes especificações: - Mecânicas: Comprimento, sessão transversal, peso, escala de medida, velocidade máxima, aceleração máxima. - Elétricas: Linearidade: geralmente dada em μm/m. Geralmente ocorre por imprecisões mecânicas. Alimentação: Usualmente 5 V, pois atende às especificações digitais mais usuais. Saídas: diversas. 8

9 4. Especificação do Encoder incremental magnético IH28M Figura 4: Dados elétricos e cabeamento do Encoder Incremental Magnético IH28M. 9

10 4.1 Especificação do Encoder Magnético Rotativo AS5040 Figura 4.1: Diagrama em Blocos do AS5040 [fonte: manual técnico do AS5040]. Figura 4.2: Descrição dos pinos do AS540 [fonte: manual técnico do AS5040]. 10

11 4.3.: Modelo de sinais de saída incremental do AS5040 [fonte: manual técnico do AS5040]. 11

12 5.1 Encoders Incrementais - Estágios de saída 5. Estágio de Saída dos Encoders Encoders incrementais possuem 3 saídas PWM (canal A, canal B e Z) podendo ter mais 3 saídas (canal A invertido, canal B invertido, Z invertido) que possuem o objetivo de eliminar efeitos de ruído que possam vir a atrapalhar a interpretação dos sinais, assim, o que é analisado é o sinal diferencial complementar. Os estágios de saída encontrados nestes encoder podem ser: TTL, NPN, NPN coletor aberto (Existem também as mesmas configurações com PNP), push-pull, push-pull complementar, drives de linha [fonte: - TTL Este estágio comum utiliza uma forma de onda PWM com nível baixo em 0 V e nível alto em 5 V. O encoder possui os sinais A, B, Z, A invertido, B invertido e Z invertido. - NPN e NPN coletor aberto O estágio de saída NPN é composto de um amplificador com transistor NPN na configuração emissor comum, enquanto NPN coletor aberto refere-se ao mesmo amplificador onde agora o resistor no coletor do transistor é a própria carga para a qual o encoder fornece os pulsos, como é mostrado à esquerda na figura 3. Existem os mesmos tipos de estágio de saída utilizando transistores PNP, recebendo o nome de PNP e PNP coletor aberto. São utilizados para sinais onde a frequência máxima é baixa (velocidade do sistema medido baixa), comprimento dos cabos a serem ligados a carga não muito grandes e exige da resistência ter um valor alto devido a alta impedância de saída da configuração em emissor comum. O encoder possui apenas os sinais A, B e Z. 12

13 Figura 3 - Estágios NPN, PNP e em coletor aberto [fonte: [ Push-pull É uma topologia em que dois transistores, um PNP e outro NPN estão numa configuração em coletor comum, como é mostrado na figura 4, permitindo a conexão de cargas menores à saída do encoder, (em relação aos estágios de saída mencionados no item anterior) uma vez que esta configuração apresenta baixa impedância de saída [fonte: Também possibilita conexão de um cabo maior entre o encoder e a carga. O encoder possui apenas os sinais A, B e Z. Figura 4 Saída em Push-Pull [fonte: 13

14 Push-pull complementar Nesta configuração utilizam-se dois push-pulls de forma complementar, por exemplo, um para o sinal A e outro para o sinal A invertido, gerando um sinal diferencial. O encoder possui os sinais A, B, Z, A invertido, B invertido e Z invertido, mostrados na figura 5. Figura 5 Saída em Push-Pull complementar fonte: - Drive de Linha Drives de linha possuem saída diferencial balanceada e são utilizados para obter um bom rendimento quando o cabo a ser empregado na saída é muito grande ou a frequência do sinal é muito alta. Um tipo de drive de linha utilizado é o RS422. O encoder possui os sinais A, B, Z, A invertido, B invertido e Z invertido. - Interfaceamento Para fazer o interfaceamento com um microcontrolador ou computador, deve-se contar os pulsos. Isto é feito vendo qual é o sentido do movimento através de um decodificador ( pode ser feito com um flip-flop tipo D e portas and) para saber se a contagem deve ser up ou down. 14

15 Figura 6 Diagrama de conexão do interfaceamento Ao realizar o interfaceamento, como o contador e a leitura do microprocessador ou computador não são sincronizados é necessário gravar a saída fornecida pelo contador em um latch. Figura 7 Adição do Latch 5.2 Encoders Absolutos Estágios de saída Como esse tipo de encoder codifica a posição medida diretamente em uma palavra binária, transmitem-se bits do encoder para o circuito controlador. Os bits gerados podem ser transmitidos paralelamente ou serialmente. Quando a transmissão é paralela, utilizam-se geralmente estágios de saída push-pull e quando é serial usam-se drives de linha, como o RS485 ou RS422. Interfaceamento 15

16 Se os bits forem transmitidos serialmente utilizam-se protocolos de comunicação, os principais são: SSI (Synchronous Serial Interface), BISS e os protocolos pertencentes a tecnologia de comunicação industrial Fieldbus (Interbus, Profibus, Devicenet, Can).Apenas será mencionado o Profibus. A transmissão de forma paralela não necessita de protocolo. Transmissão paralela A transmissão é feita com um fio para cada bit. Transmissão serial Os bits são enviados por um único fio, evitando o uso de vários fios. SSI (Synchronous Serial Interface) O dado é transmitido unilateralmente, do encoder para o controlador, de forma síncrona através do sistema mestre-escravo.(o controlador envia os pulsos de clock e o encoder transmite seus bits). Figura 8 Interfaceamento SSI BISS É um tipo de comunicação serial compatível com o SSI, pode operar de forma unidirecional ou bidirecional, é síncrono, opera na configuração mestre-escravo admitindo até oito escravos. Profibus É um sistema de comunicação baseado em perfis definidos pelo produtor ou pelo usuário, permitindo programar opções de desempenho. 16

17 6. Conclusão Após uma analise mais detalhada dos encoder, podemos observar que eles são transdutores muito eficientes quanto à qualidade da medida e também quanto à simplicidade de uso. Não é por acaso que inúmeros ramos da indústria utilizam os encoder para implementação de máquinas e instrumentos. 17

18 Referências Bibliográficas: codificadores 18