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Codificadores magnéticos
Os encoders magnéticos têm como núcleo ímãs multipolares e sensores magnéticos, convertendo deslocamentos rotativos ou lineares em sinais elétricos. Destacam-se pela resistência a óleo e poeira, imunidade a vibrações, ampla faixa de temperatura e grandes tolerâncias de montagem. Por isso, são dispositivos de realimentação de posição amplamente usados em automação industrial, veículos e equipamentos pesados, robótica e equipamentos para uso externo.
O que é um encoder magnético (What is a Magnetic Encoder)
Um encoder magnético é um sistema de sensor que mede posição e velocidade explorando a variação periódica do campo magnético. A estrutura típica é composta por um ímã (anel multipolar/fita magnética/ímã magnetizado radial ou axialmente) e um cabeçote de leitura (readhead) contendo o CI sensor magnético e o circuito de condicionamento. Dentro do entreferro especificado, o cabeçote detecta componentes senoidal/cossenoidal do campo conforme o deslocamento e, após o front-end analógico (AFE) e interpolação/decodificação, fornece saídas incrementais A/B/Z, seno/cosseno 1 Vpp (ou corrente 11 µApp) ou posição absoluta (SSI/BiSS/SPI/EnDat etc.).
Comparado ao encoder óptico, o magnético oferece maior robustez ambiental, vida útil e custo mais baixo; porém, em resolução extrema, linearidade e erro de subdivisão (SDE), geralmente fica aquém de soluções ópticas de alto nível.
Princípio de funcionamento (Working Principle)
1) Tecnologias de detecção magnética
- Hall: baixo custo, tecnologia madura; precisão de posição/ângulo média; exige compensação de deriva térmica.
- AMR (magnetorresistência anisotrópica): maior sensibilidade que Hall e melhor imunidade a ruído.
- GMR/TMR (magnetorresistência gigante/túnel): máxima sensibilidade e baixo ruído; suportam entreferros menores e maior resolução; TMR tem menor deriva térmica, porém maior custo.
- Medição diferencial: canais em fase/anti-fase cancelam campos magnéticos parasitas e derivas térmicas comuns, elevando a imunidade a interferências.
2) Formação de sinal e cálculo angular
- Ímãs magnetizados com polos N/S alternados ao longo do perímetro ou de um eixo linear geram um campo periódico; o cabeçote obtém dois sinais próximos de sen e cos. O ângulo pode ser calculado por:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Interpolação digital ou PLL (loop de bloqueio de fase) para subdividir ângulo/deslocamento; encoders absolutos entregam um código único via codificação mono/multivoltas, contagem redundante ou quadros de protocolo.
3) Relação velocidade–frequência (fórmulas em texto puro)
- Rotativo:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Linear:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(onde RPM é a rotação, pole_pairs o número de pares de polos, edges_per_cycle as bordas válidas por ciclo elétrico; v é a velocidade linear e p o passo de polos da fita magnética)
Classificação (Classification)
- Pelo tipo de movimento: encoder rotativo (anel/ímã radial; on-axis/off-axis) / encoder linear (fita/grade magnética multipolar).
- Pela saída: incremental (A/B/Z, TTL/HTL/RS422; seno/cosseno 1 Vpp, 11 µApp) / absoluto (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; via gateway para CANopen/EtherCAT etc.).
- Pelo ímã: anéis multipolares (montagem por diâmetro interno/externo, passo fixo), ímãs magnetizados radial/axialmente (baixa contagem de polos, compactos), fitas magnéticas flexíveis (curso longo, fácil instalação).
- Pelo CI sensor: sensor angular monolítico (integra AFE + CORDIC/SIN/COS) / solução discreta AFE + ADC + MCU/FPGA com interpolação/encoder.
Saídas e interfaces (Outputs & Interfaces)
| Categoria | Formato de sinal | Aplicações típicas |
|---|---|---|
| Incremental quadrado | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Contadores rápidos de PLC, laços de velocidade/posição |
| Seno/Cosseno | 1 Vpp, 11 µApp | Interpolação de alta resolução, aplicações com baixo SDE |
| Absoluto serial | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Posição absoluta, multivoltas, diagnóstico |
| Barramentos/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (via módulo de interface) | Sincronismo multieixos, longas distâncias e diagnóstico on-line |
Especificações principais (Key Specifications)
| Parâmetro | Faixa típica / Observações |
|---|---|
| Resolução | Rotativo: 12–18 bits (Hall/AMR), 18–20+ bits (GMR/TMR com interpolação); Linear: grade de 5–50 µm, interpolável a 1–5 µm; top de linha pode chegar a submicrométrico |
| Precisão angular | Absoluto rotativo: ±0,05° a ±0,5° (depende do ímã e da excentricidade) |
| Repetibilidade/Jitter | Repetibilidade melhor que ±0,05°; jitter depende de SNR e clock de interpolação |
| SDE (erro de subdivisão) | Normalmente ≤ ±0,1° (alto nível ≤ ±0,03°); para lineares, em µm |
| Entreferro | 0,5–2,5 mm (conforme energia do ímã e arranjo do sensor) |
| Passo/pares de polos | Anéis: 2–64 pares de polos comuns; fitas: passo de 2–5 mm usual |
| Velocidade máxima | Rotação mecânica acima de 10.000 RPM; linear > 3 m/s (conforme interface) |
| Faixa de temperatura | −40 °C a +125/150 °C (grau automotivo); requer compensação térmica |
| Proteção/robustez | IP50–IP67; compatível com névoa de óleo, poeira e fluido de corte |
| EMC/ESD | Atende às exigências industriais/automotivas; projeto diferencial e blindagem são críticos |
Nota: O desempenho real é influenciado por material e qualidade de magnetização, excentricidade/inclinação, entreferro, blindagem e compensações algorítmicas.
Ímã e projeto mecânico (Magnet & Mechanics)
- Escolha do material: NdFeB (alta energia; suscetível à desmagnetização—requer controle térmico), SmCo (estável em alta temperatura; mais caro), ferrite (baixo custo; volumoso).
- Magnetização: radial/axial ou anéis multipolares; a uniformidade do passo de polos afeta diretamente a linearidade e os harmônicos de erro.
- Erros geométricos: excentricidade (runout) gera erros angulares harmônicos de 1ª/2ª ordem; inclinação/batimento causam desbalanceamento de amplitude/fase e distorção.
- Tolerância do entreferro: excessivo reduz amplitude e SNR; muito pequeno pode causar contato/atrito e desajustes térmicos.
- Imunidade a campos parasitas: uso de topologias diferenciais, concentradores de fluxo ou anéis de blindagem; manter distância de harmônicos dos dentes do estator do motor; avaliar stray-field immunity quando necessário.
Fontes de erro e compensação (Error Sources & Compensation)
- Desbalanceamento de amplitude/fase e elipticidade: empregar AGC (controle automático de ganho), equalização de fase e compensação elíptica para reduzir o SDE.
- Deriva térmica: modelar coeficientes térmicos do sensor e a variação da remanência do ímã; corrigir via medição de temperatura em tempo real.
- Excentricidade/erro de passo de polos: linearização por LUT de fábrica ou calibração in situ (ajuste multipontos/compensação harmônica).
- Campos parasitas/EMI: roteamento diferencial, transmissão RS422, blindagem e aterramento em ponto único; adicionar blindagem de ferro macio quando necessário.
- Contagem multivoltas: retenção sem energia via colheita de energia, engrenagens, FRAM/NVRAM, com verificação de consistência de redundância.
Comparações com outras tecnologias (Comparisons)
| Tecnologia | Resolução/Precisão | Robustez ambiental | Custo | Aplicações típicas |
|---|---|---|---|---|
| Encoder magnético | ★★★☆ (até 18–20+ bits) | ★★★★★ | ★★☆ | Industrial/automotivo, ambiente severo, longa vida |
| Encoder óptico | ★★★★★ (nível nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Máquinas-ferramenta de precisão, metrologia, semicondutores |
| Encoder indutivo | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Alta temperatura/EMI intenso, máquinas pesadas |
| Resolver | ★★☆ (demodulação analógica) | ★★★★★ | ★★★ | Feedback em motores com alta vibração/temperatura |
| Potenciômetro | ★ | ★★ | ★ | Baixo custo, curta vida/baixa precisão |
Aplicações (Applications)
- Automação industrial: transportadores e mecanismos de carga pesada, servos/stepper híbridos, elevadores e equipamentos portuários.
- Automotivo/transporte: comutação e posição de motores, direção e pedais, posição de chassis e assentos (ISO 26262).
- Robótica e cobôs: ângulo de articulações, encoders de roda para AGV/AMR, plataformas móveis outdoor.
- Energias renováveis e equipamentos externos: rastreamento solar/eólico, válvulas e atuadores, mineração e máquinas de construção.
Instalação e integração (Installation & Integration)
- Centragem/coaxialidade: em rotativos, priorize ombro de posicionamento/jigas; controle batimento radial e axial. Em lineares, garanta a retilineidade da fita e a rigidez do suporte.
- Ajuste do entreferro: siga o datasheet e mantenha margem em toda a faixa de temperatura; valide SNR mínimo e margem de amplitude na velocidade máxima.
- Fiação e terminação: priorize RS422 diferencial ou saída em corrente; faça casamento de impedância, blindagem e aterramento em ponto único para evitar laços.
- Parâmetros de protocolo: alinhe com o controlador o comprimento de quadro, CRC, temporização e bits de alarme de SSI/BiSS/SPI/EnDat.
- Redundância e segurança: para eixos críticos, use duplo canal/sensor e monitoramento de consistência (SIL/PL ou ASIL).
Normas e conformidade (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (grau de proteção IP) / IEC 60068-2 (vibração/choque/altas e baixas temperaturas/umidade)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (EMC industrial – imunidade/emissão), ISO 7637 (transientes automotivos)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (segurança funcional em máquinas/acionamentos/automotivo)
- AEC-Q100/Q200 (confiabilidade grau automotivo para CIs de sensor/componentes passivos)
Os requisitos efetivos devem ser selecionados conforme o setor e o projeto.
Guia de seleção (Selection Guide)
- Metas de precisão: precisão/linearidade angular, resolução, SDE e jitter.
- Tecnologia de detecção: Hall (custo), AMR, GMR, TMR (priorizar resolução/deriva térmica).
- Arranjo magnético: anel multipolar/fita/ímã único; passo e dimensões, material e classe térmica.
- Interface de saída: incremental/seno ou SSI/BiSS/SPI/EnDat; necessidade de gateway de barramento e diagnóstico on-line.
- Ambiente e vida útil: grau IP, temperatura/névoa de óleo/poeira, campos parasitas; aplicações automotivas/outdoor exigem qualificação automotiva e durabilidade.
- Mecânica e entreferro: erros de alinhamento permitidos, janela de entreferro, limite de rotação; ferramental de montagem e consistência em volume.
- Compensação e calibração: suporte a LUT térmica/harmônica/linearização; estratégia de calibração em fábrica ou no sistema.
- Segurança e redundância: nível de segurança funcional, filosofia falha-segura (fail-safe) e interfaces de monitoramento de falhas.
Glossário (Glossary)
- Passo/pares de polos (pole pitch/pairs): comprimento espacial de um ciclo N–S / número de pares.
- SDE (Sub-Division Error): erro de subdivisão; erro periódico remanescente após a interpolação.
- Stray-field Immunity: imunidade a campos magnéticos parasitas/externos.
- CTE: coeficiente de dilatação térmica; afeta o acoplamento térmico entre ímãs e partes mecânicas.
Resumo: Dominando os princípios de sensoriamento magnético, o projeto do conjunto ímã + mecânica, as interfaces e as estratégias de compensação, e alinhando-os às metas de precisão e às condições de operação, é possível obter controle de movimento e realimentação de posição altamente confiáveis, duráveis e com diagnóstico, mesmo em ambientes severos.