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Codificador rotativo
Os codificadores rotativos são sensores que convertem o movimento rotacional mecânico em sinais digitais ou analógicos e são amplamente utilizados em automação industrial, robótica, máquinas CNC, equipamentos médicos e sistemas de transporte. Detectando deslocamento angular, velocidade e direção, eles fornecem feedback preciso para sistemas de controle. Este artigo explica detalhadamente a definição, princípios de operação, classificações, parâmetros técnicos, análise comparativa, cenários de aplicação, regulamentações padrão e conselhos de seleção para codificadores rotativos.
O que é um codificador rotativo?
Um codificador rotativo é um dispositivo de feedback de motor ou sensor de posição usado para medir o deslocamento angular, a velocidade e a direção de rotação de um eixo. Sua principal função é converter o movimento rotacional em sinais elétricos decodificados por um controlador para determinar a posição atual do dispositivo e o status do movimento. Os codificadores rotativos são classificados principalmente em codificadores incrementais, que emitem sinais de pulso, e codificadores absolutos, que fornecem informações de posição únicas.
Princípios de funcionamento
Detecção óptica
- Usa uma fonte de luz para iluminar um disco de grade com seções transparentes e opacas.
- À medida que o disco gira, um fotodetector gera sinais de pulso.
Detecção magnética
- Emprega sensores magnetoresistivos, de efeito Hall ou de magnetoresistência gigante (GMR) para detectar mudanças de polos magnéticos.
Detecção indutiva/capacitiva
- Variações na indutância ou capacitância são usadas para detectar deslocamento angular, adequado para ambientes agressivos (alta contaminação, vibração).
Lógica de sinal de saída
- Os codificadores incrementais emitem fases A e B (quadratura) e uma fase Z (pulso de referência zero).
- Os codificadores absolutos fornecem sinais exclusivos em código binário multibit ou código Gray.
Tipos
✓ Por sinal de saída
- Incremental: Emite sinais de pulso, adequado para detecção de velocidade e direção.
- Absoluto: Fornece informações exclusivas de posição, volta simples ou multiturno.
✓ Por estrutura mecânica
- Eixo sólido
- Eixo oco
- Eixo oco cego
✓ Por tecnologia de detecção
- Codificadores ópticos
- Codificadores magnéticos
- Codificadores indutivos
- Codificadores capacitivos
✓ Por protocolo industrial e saída
- TTL/HTL/RS422
- Sin/Cos
- SSI, BiSS-C, EnDat
- Profibus, Profinet, EtherCAT, CANopen
Especificações técnicas
| Parâmetro | Faixa/Detalhes |
|---|---|
| Resolução | 1 a 4.194.304 PPR ou 8 a 24 bits |
| Velocidade máxima | 3000 a 12.000 RPM, modelos especiais até 20.000 RPM |
| Classificação de proteção | IP50 a IP68 |
| Temperatura de operação | -40°C a +105°C |
| Parâmetros elétricos | 5V, 10-30V, corrente de saída tipicamente < 100mA |
| Resistência à vibração/choques | IEC 60068-2: 10-20g (vibração), 50-200g (choque) |
| Tipos de sinal de saída | TTL, HTL, RS422, SSI, BiSS-C, Profinet, EtherCAT |
Vantagens e limitações
Vantagens:
- Alta resolução e repetibilidade.
- Resposta rápida adequada para controle dinâmico.
- Diversas interfaces e protocolos de comunicação.
- Excelente resistência a interferências eletromagnéticas em ambientes industriais complexos.
Limitações:
- Tipos ópticos são sensíveis à contaminação.
- Modelos de alta resolução podem ser caros.
- Certas tecnologias podem se degradar sob temperaturas/vibrações extremas.
Comparação com outros sensores angulares
| Tipo | Precisão | Custo | Resistência a interferências | Flexibilidade de aplicação |
|---|---|---|---|---|
| Potenciômetro | Baixa | Baixo | Pobre | Sistemas simples |
| Resolver | Média | Médio | Alta | Ambientes de alta vibração e temperatura |
| Codificador rotativo | Alta (até 24 bits) | Médio/Alto | Alta | Diversos sistemas industriais |
Campos de aplicação
- Automação industrial: Feedback de motores, braços robóticos.
- Máquinas CNC: Feedback de posição do fuso e do eixo de alimentação.
- Robótica: Controle de juntas e feedback de trajetória.
- Equipamentos médicos: Detecção de rotação em MRI, tomógrafos CT.
- Elevadores e transporte: Posicionamento da cabine e feedback de controle de portas.
- Energia eólica e solar: Ângulo das lâminas e sistemas de rastreamento solar.
Normas industriais
- IEC 61800-5-2:2016: Segurança funcional de sistemas de acionamento.
- ISO 13849-1:2015: Segurança de sistemas de controle de máquinas.
- IEC 60529:2020: Proteção contra ingressos (código IP).
- IEC 60068-2: Testes ambientais de vibração e choque.
- ISO 9001:2015: Sistemas de gestão de qualidade na fabricação.
Problemas comuns e solução
| Problema | Causa possível | Solução |
|---|---|---|
| Nenhuma saída de sinal | Energia desconectada, erros de fiação, sensor danificado | Verifique energia, fiação, substitua componentes danificados |
| Flutuação ou perda de sinal | Interferência, envelhecimento do cabo, folga mecânica | Verifique aterramento, substitua cabos, aperte fixações |
| Erro ou flutuação de saída | Contaminação óptica, interferência magnética, envelhecimento eletrônico | Limpe componentes ópticos, elimine fontes de interferência, substitua componentes |
| Atraso de saída ou perda de passos | Configuração incorreta do protocolo ou incompatibilidade | Verifique o protocolo, inspecione fiação, atualize configurações do controlador |
Guia de seleção
- Requisitos da aplicação: Determine os parâmetros de medição (posição, velocidade, direção).
- Tipo de codificador: Escolha incremental ou absoluto (simples/múltiplos turnos).
- Tecnologia de detecção: Óptico, magnético, indutivo ou capacitivo.
- Resolução & Sinal: Combine precisão do sistema e requisitos de interface.
- Adequação ambiental: Confirme a classificação IP e resistência à vibração/choques.
- Interface mecânica: Diâmetro do eixo, método de montagem e requisitos de carga.
- Compatibilidade de comunicação: Garanta compatibilidade com PLCs ou controladores de movimento.
- Normas de conformidade: Prefira produtos que atendam às normas IEC, ISO, UL e outras internacionais.
Referências
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- Série IEC 60068-2
- ISO 9001:2015
Compreendendo a fundo a estrutura, os princípios de funcionamento, os parâmetros de desempenho e as aplicações dos codificadores rotativos, engenheiros e integradores de sistemas podem alcançar uma seleção e integração precisas, otimizando o desempenho do controle e a confiabilidade do sistema.