Explicação dos parâmetros-chave do codificador
Para avaliar e selecionar corretamente um encoder, é necessário compreender profundamente os parâmetros que afetam sua precisão de medição, faixa de velocidade, adaptabilidade ambiental, vida útil e outros aspectos. Esta página apresenta uma análise profissional e detalhada dos parâmetros elétricos, mecânicos e ambientais comuns a vários tipos de encoder.
1. Resolução (Resolution)
1.1 Definição e Formas de Representação
- Encoder incremental: costuma ser indicado em PPR (Pulses Per Revolution) ou CPR (Counts Per Revolution), por exemplo 1000, 2500, 5000 PPR; com quadruplicação de fase, a contagem real pode chegar a 4×PPR.
- Encoder absoluto: representa a resolução de volta única em bits (por exemplo, 13 bits = 8192 posições discretas) ou em formato bits multivolta + bits única volta (por exemplo, 25 bits multivolta).
- Encoder linear: geralmente usa LPI (Lines Per Inch), CPI (Counts Per Inch) ou “µm/pulso” para caracterizar.
1.2 Resolução e Desempenho do Sistema
- Quanto maior a resolução, mais finos são os movimentos capturados e mais precisa a posição e controle de velocidade.
- Resoluções excessivamente altas exigem controladores de alto desempenho e processadores rápidos, caso contrário podem ocorrer pulsos perdidos ou atrasos.
- Em aplicações de alta velocidade, resoluções elevadas geram altas frequências de pulso; é essencial garantir cabos e drivers com largura de banda adequada.
1.3 Detalhes Adicionais
- Alguns encoders oferecem interpolação interna, subdividindo pulsos para ampliar significativamente a resolução.
- Atenção para distinguir resolução mecânica (número real de ranhuras no disco) e resolução eletrônica (saída após interpolação).
2. Precisão (Accuracy)
2.1 Precisão Ampla vs. Restrita
- Precisão ampla: desvio máximo entre o valor de saída e a posição real, influenciado por erros de disco, montagem mecânica, folgas em rolamentos etc.
- Precisão restrita: alguns fabricantes informam apenas a precisão de marcação ou do sensor, sem incluir erros de montagem e rolamentos.
2.2 Unidades Típicas de Medição
- Encoder angular: arcsec (segundos de arco), arcmin (minutos de arco), graus (°) ou porcentagem de resolução.
- Encoder linear: µm/m, ppm (partes por milhão) ou outros índices de precisão.
2.3 Fontes de Erro de Precisão
- Erro de fabricação de disco/grade: irregularidade de passo ou excentricidade.
- Não linearidade do sensor: distorção de borda em dispositivos ópticos ou magnéticos.
- Erro de montagem mecânica: excentricidade, folga em rolamentos, desalinhamento de flange.
- Influência ambiental: deriva de temperatura, vibração, sujeira.
2.4 Melhoria e Compensação de Precisão
- Utilizar discos de alta precisão e componentes ópticos/magnéticos de alta qualidade.
- Calibrar com interferômetro a laser e criar tabelas de compensação.
- Aumentar a rigidez dos rolamentos para reduzir folgas radiais/axiais.
3. Repetibilidade (Repeatability)
3.1 Conceito
- Avalia a consistência das medições ao retornar repetidamente à mesma posição, independentemente do desvio absoluto.
- Mesmo com precisão absoluta média, alta repetibilidade permite correção de software para posicionamento preciso.
3.2 Fatores de Influência
- Folga mecânica: engrenagens, acoplamentos e fusos podem ter folgas ou deformações elásticas.
- Jitter de sinal: detecção imprecisa em pontos críticos de sensores ópticos ou magnéticos.
- Interferência ambiental: variação de temperatura, EMI, vibração.
3.3 Medidas de Melhoria
- Otimizar a cadeia de transmissão, usar acoplamentos de qualidade e garantir alinhamento de eixo.
- Amostrar múltiplas vezes e aplicar média ou filtragem.
- Reduzir fontes de vibração e interferência.
4. Velocidade Máxima e Resposta em Frequência (Max Speed & Frequency Response)
4.1 Velocidade Máxima
- Encoder rotativo: em RPM (revolutions per minute), ex.: 6000 RPM.
- Encoder linear: em m/s ou mm/s.
- Exceder a velocidade máxima pode causar perda ou distorção de sinal, afetando a precisão.
4.2 Resposta em Frequência
- Capacidade de manter forma de onda completa e contagem correta à medida que a velocidade aumenta.
- Para encoder incremental: frequência de pulso = RPM × PPR / 60.
- Para encoder absoluto: limitada pela taxa de comunicação serial ou frequência de atualização.
4.3 Pontos de Atenção
- O controlador deve suportar contagem de alta velocidade ou decodificação serial rápida.
- Cabos e circuitos de recepção precisam de largura de banda adequada e supressão de ruído.
5. Tensão de Alimentação e Consumo de Energia (Supply Voltage & Power Consumption)
5.1 Faixa de Tensão de Alimentação
- TTL: 5 V DC. HTL: 10–30 V DC. Alguns modelos high-end suportam 4,5–30 V.
- Encoders Ethernet industriais geralmente compatíveis com 24 V.
5.2 Avaliação de Consumo
- Encoders ópticos incluem fonte de luz, consumindo mais energia.
- Encoders magnéticos/capacitivos têm baixo consumo, mas podem exigir pré-aquecimento em baixas temperaturas.
- Operação em alta velocidade e alta resolução aumenta carga no processador interno e drivers.
5.3 Compatibilidade e Estabilidade
- Flutuações de tensão e quedas momentâneas podem resetar o encoder ou causar perda de pulsos.
- Em sistemas multi-eixos, considerar queda de tensão nos cabos e usar bitolas adequadas.
6. Tipos de Saída e Níveis de Sinal (Output Types & Signal Levels)
6.1 Saída Incremental
- Ondas quadradas A/B/Z: níveis TTL, HTL, RS422 etc.
- Saída senoidal (1 Vpp): grades ópticas/magnéticas de alta precisão, permitindo interpolação.
6.2 Saída Absoluta
- Paralela: múltiplos bits em Gray Code ou binário.
- Serial: protocolos sincronizados SSI, BiSS, EnDat, reduzindo fiação e aumentando imunidade a ruído.
- Bus/Ethernet: CANopen, Profibus, EtherCAT, Profinet, permitindo controle multi-nó em rede.
6.3 Saída Analógica
- Tensão (0–5 V, 0–10 V) ou corrente (4–20 mA) para sistemas analógicos tradicionais.
- Precisão sujeita a flutuações de alimentação e impedância de cabos.
7. Grau de Proteção (IP Rating)
7.1 Normas IP
- IP65: à prova de poeira e resistências a jatos de água de baixa pressão.
- IP67: suporta imersão temporária.
- IP68: operação contínua submerso.
7.2 Estratégia de Seleção
- Ambientes externos, indústrias alimentícias, áreas sujeitos a lavagem ou alta umidade exigem IP elevado.
- Níveis altos de IP elevam custo, dissipação térmica e carga nos rolamentos devem ser considerados.
8. Carga em Rolamentos e Vida Útil Mecânica (Bearing Load & Mechanical Life)
8.1 Tipos de Rolamentos e Cargas
- Rolamentos de esferas de precisão ou de contato angular.
- Carga radial: força perpendicular ao eixo. Carga axial: força ao longo do eixo.
8.2 Vida Útil e Manutenção
- Alta velocidade, cargas elevadas ou temperaturas extremas reduzem a vida dos rolamentos.
- Modelos high-end usam rolamentos cerâmicos ou lubrificantes especiais para maior durabilidade.
8.3 Cuidados na Instalação
- Uso de acoplamentos flexíveis ou suportes auxiliares para aliviar cargas radiais.
- Garantir alinhamento adequado para evitar torques excessivos e vibrações.
9. Parâmetros Ambientais (Environment Parameters)
9.1 Faixa de Temperatura
- Temperatura de operação: tipicamente –20 °C a +85 °C para manter precisão.
- Temperatura de armazenamento: faixa mais ampla, evitar degradação de componentes ópticos ou lubrificantes.
9.2 Umidade, Condensação e Corrosão
- Ambientes de alta umidade ou condensação requerem vedação reforçada e proteção contra ferrugem.
- Locais corrosivos (ácidos, álcalis, neblina salina) exigem carcaças de aço inoxidável ou revestimentos especiais.
9.3 Vibração e Impacto
- Limites especificados em g ou m/s². Máquinas-ferramenta e bancadas automotivas podem exigir especificações mais elevadas.
- Amortecedores ou suportes antivibração ajudam a melhorar resistência a choques.
9.4 Imunidade EMC/ESD
- Em ambientes eletromagneticamente ruidosos, usar cabos blindados e aterramento adequado.
- Dispositivos ESD (anéis de aterramento, TVS) protegem eletrônica interna.
10. Segurança Funcional e Redundância (Functional Safety & Redundancy)
10.1 Nível de Integridade de Segurança (SIL / PL)
- SIL conforme IEC 61508/62061 e PL conforme ISO 13849.
- Para AGVs, elevadores e robôs colaborativos, recomenda-se encoders certificados SIL2 ou SIL3.
10.2 Projeto de Redundância
- Cabeças de leitura duplas ou canais duplos para comparação cruzada e backup automático.
- Reduz significativamente o risco de paralisação por falha de sensor.
10.3 Autoinspeção Interna
- Detecção de atenuação de fonte de luz, anomalias magnéticas ou superaquecimento com alarmes.
- Implementação de lógica de “parada segura” ou “redução de velocidade” para maior segurança do sistema.
11. Linearidade e Calibração (Linearity & Calibration)
11.1 Fontes de Erro de Linearidade
- Distribuição irregular do passo de disco ou trilha magnética.
- Variações de folga ou ângulo entre cabeçote e escala.
11.2 Calibração e Compensação
- Aplicações de alta precisão (semicondutor, metrologia) usam interferômetro a laser para gerar curva de erro e tabelas de correção.
- Alguns encoders armazenam internamente tabelas de correção para ajuste automático antes da saída.
11.3 Calibração Local e Integração de Sistema
- Focar calibrar apenas a faixa de trabalho para obter máxima precisão nessa região.
- Com repetibilidade elevada, é possível alcançar precisão de posicionamento muito alta.
12. Guia de Seleção e Integração Completa
12.1 Requisitos da Aplicação
- Tipo de movimento: rotativo/linear, faixa de velocidade, perfil de aceleração.
- Precisão do sistema: resolução, precisão, repetibilidade.
- Limitações ambientais: grau de proteção IP, faixa de temperatura, poeira/umidade, vibração.
12.2 Interface Mecânica e Elétrica
- Verificar compatibilidade de diâmetro de eixo, formato de flange e carga de rolamentos com o sistema mecânico.
- Garantir tensão de alimentação, níveis de sinal e protocolo de comunicação compatíveis com o controlador.
- Estimar comprimento dos cabos, queda de tensão e atenuação de sinal; usar blindagem ou cabos trançados conforme necessário.
12.3 Instalação, Ajuste e Manutenção
- Assegurar concentricidade, evitar cargas radiais/axiais excessivas no rolamento.
- Recomendar acoplamentos flexíveis para compensar pequenos desalinhamentos.
- Inspecionar periodicamente vedação da carcaça, anéis de proteção, cabos e conectores.
13. Conclusão
Compreender os parâmetros-chave de um encoder é essencial para maximizar a eficiência e segurança de sistemas de controle. Os principais indicadores incluem:
- Resolução, precisão, repetibilidade: definem a suavidade e exatidão do controle de movimento
- Velocidade máxima, resposta em frequência: previnem pulsos perdidos em aplicações de alta velocidade
- Grau de proteção, carga de rolamento: asseguram vida útil estável em ambientes severos e sob cargas elevadas
- Compatibilidade elétrica, interfaces de comunicação: garantem integração eficiente com drivers, PLCs e redes industriais
- Segurança funcional, redundância: satisfeitas exigências de confiabilidade em aplicações críticas
Dominar o significado e os padrões de teste desses parâmetros permite escolhas mais acertadas na seleção, integração e manutenção de encoders, elevando a produtividade e segurança em sistemas de automação industrial.