Um tipo de sensor de grande importância na automação, tanto industrial quanto 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 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 (CDTs)
Chamamos de transdutores codificados ou CDTs aos transdutores de posição ou sensores que fornecem informações para um circuito externo na forma de um código. Os trandutores codificados podem ser:
Relativos: Os transdutores relativos, como os encoders, indicam a mudança de posição e não a posição real.
Absolutos: Indicam a posição real do objeto. Os sensores deste tipo podem ser usados para medir deslocamentos lineares ou angulares, conforme mostra a figura 1.
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 outro transdutor quando ele se desloca.
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-se os pinos de um cilindro em posições determinadas pelas notas musicais que deviam ser acionadas, ao girar esses pinos, acionavam-se lâminas de comprimentos diferentes, que então produziam as notas correspondentes, conforme ilustra a figura 3.
A idéia evoluiu para os dispositivos capazes de controlar as funções de uma máquina dependendo de sua posição, e hoje temos os CDTs. Um dos tipos mais populares de transdutor codificado ou CDT é o encoder óptico que tem a construção física mostrada na figura 4.
Esse transdutor é formado por um disco de plástico transparente onde estão gravadas tiras escuras que correspondem à codificação digital de cada posição. A leitura é feita colocando-se um ou mais emissores infravermelhos de um lado e um ou mais sensores (fotodiodos ou fototransistores) do lado oposto. Dessa forma, os sinais obtidos são pulsos, conseguidos quando partes claras ou escuras do disco plástico passam diante dos sensores, observe a figura 5.
Na forma mais simples temos uma seqüência de claros e escuros que se movem diante de um único par de sensores, caso em que é produzido um trem de pulsos que pode ser contado tanto para monitorar a posição do objeto quanto 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 a quantidade de posições que podem ser sensoriadas. 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 em um 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 delas é mostrada na figura 6. 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 em um 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, será a outra faixa que passará a detectar as marcas antes.
A codificação dos transdutores de deslocamento absolutos tem a aparência mostrada na figura 7. Note que neste caso temos 8 trilhas e, portanto, 8 bits, o que nos permite ler 28 posições diferentes ou uma definição de 256 posições.
Veja que neste tipo de sensor temos marcas de clock. Sua finalidade é muito importante. Sem as marcas de clock, na transição da leitura de uma 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 ilustra a figura 8. Trata-se de uma forma intuitiva de fazer a marcação de posições, porém existem alguns problemas a serem considerados na adoção desta forma de numeração das posições. Para evitá-los, 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, veja a figura 9.
A idéia de 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. Então, picos de consumo eram gerados na passagem de 0111111 para 100000, quando vários relés eram fechados e abertos ao mesmo tempo. O pico de EFM (força contra-eletormotriz) 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. Dessa forma, para a numeração de 0 a 7 em binário temos:
Veja que, para a passagem de 011 (3) para 100 (4) todos os dígitos mudam! No código Gray representamos os números de 0 a 7 uma forma deferente:
Na figura 10 mostramos um disco sensor de encoder 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.
Desvantagem:
• É preciso ter um acoplamento mecânico com o objeto.
ENCODERS, NA PRÁTICA
Podemos encontrar no comércio especializado encoders de 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, ou pode ser codificada para transmissão serial por linha RS-232 ou RS-485. Nesse último caso, o encoder pode se comunicar diretamente com microprocessadores, computadores, CLPs e outros dispositivos de controle. Na figura 11 temos o aspecto de um encoder encontrado em aplicações práticas.
Na figura 12 damos um circuito simples TTL que converte entradas em código Gray para Binário, acionando um conjunto de LEDs. É, na verdade, um conversor de 4 bits. Esse circuito deve ser alimentado com tensão de 5 V, pois se trata 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 simplesmente dos objetivos, 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.
* Matéria originalmente publicada na revista Mecatrônica Facil; Ano: 4 N° 21; Mar / Abr - 2005
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