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7/18/2019 IMP_SensorEncoder-Eduardo.pdf

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Faculdade Pitágoras de Londrina

Núcleo de EngenhariasCurso de Engenharia Elétrica

Eduardo Gonçalves

Encoders de Posição

Londrina2015



Faculdade Pitágoras de Londrina

Núcleo de Engenharias

Curso de Engenharia Elétrica

Eduardo Gonçalves

Encoders de Posição

Trabalho apresentado à disciplina de Instrumentação do Curso deEngenharia Elétrica, 10◦ Semestre, ministrada pelo Prof. Júlio Cé-

sar Lopes, da Faculdade Pitágoras-Campus Metropolitana.

Londrina

2015



Lista de ilustrações

Figura 1 – Plano de seis eixos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Figura 2 – Indicador de ângulo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Figura 3 – Indicador de ângulo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Figura 4 – Estrutura de montagem de encoder rotativo. . . . . . . . . . . . . . . . 9

Figura 5 – Estrutura de montagem de encoder rotativo. . . . . . . . . . . . . . . . 10

Figura 6 – Encoder incremental de sinais em A, B e Z. . . . . . . . . . . . . . . . 10

Figura 7 – Encoder de três sinais quadráticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Figura 8 – Encoder de seis sinais quadráticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Figura 9 – Encoder absoluto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Figura 10 – Disco de 8 bits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Figura 11 – Encoder absoluto virtual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14



Lista de tabelas

Tabela 1 – Tipos de revolução para o Single Turn e Multi Turn. . . . . . . . . . . 13

Tabela 2 – Posição de encoder absoluto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Tabela 3 – Continuação da Tabela 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Tabela 4 – Valores de mercado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15



Sumário

1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 SENSORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 SENSORES DE POSIÇÃO ENCODER . . . . . . . . . . . . . 7

3.1 Aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2 Associações com outros dispositivos. . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.3 Determinação do encoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.4 Sistema de leitura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.5 Encoder incremental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.6 Encoder absoluto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.7 Tipos de revolução para o Single Turn e Multi Turn. . . . . . 13

3.8 Encoder absoluto virtual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.9 Valores de mercado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.10 Comunicação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17



5

1 Objetivo

O principal objetivo deste trabalho é apresentar um dispositivo de aplicações diver-

sas na automação industrial sobre todas, a mais utilizada, como indicador de posição

rotacional, linear ou angular.

Para tal, apresentaremos a teoria juntamente com aplicações para o melhor entendi-

mento da funcionalidade deste dispositivo que com certeza é de grande importância na

automação de processos industriais.



6

2 Sensores

Sensores podem ser descritos basicamente como sendo transdutores que reportam um

sinal a um controlador. São considerados transdutores por converter grandeza física em

elétrica. Podemos citar, por exemplo o movimento mecânico de uma maquina que chega

a uma origem determinada onde estará instalado o encoder que por sua vez converte esta

informação em um sinal ou pulso elétrico.



7

3 Sensores de posição encoder

Podemos definir posição, como sendo o local onde se encontra um objeto num deter-

minado tempo.

Encoders são transdutores de conversão de movimento podendo ser rotativo, angular

ou linear, que recebem um sinal podendo ser mecânico, luminoso, capacitivo, indutivo ou

magnético e reportam este sinal em um pulso elétrico ou um sinal binário a um dispositivo

de recepção como, por exemplo, um controlador logico programável.

Temos então os sensores de posição como um dispositivo que envia informações de

posição de objetos com relação um ponto referenciado. Para cada eixo rotacional ou

linear faz-se necessário à instalação de um encoder. A Figura 1 representa um plano deseis eixos, sendo três lineares e três rotativos.

Figura 1 – Plano de seis eixos.

Fonte: Autor.

3.1 Aplicações

Existem diversos tipos de fim de curso como o capacitivo, indutivo, magnético, óptico,

mecânico, porem estes informam apenas que o mecanismo referenciado passou ou chegou

ao seu destino, mas não permitem facilmente controlar a velocidade, ângulo rotacional

sendo, portanto limitados.



Capítulo 3. Sensores de posição encoder 8

Porem o encoder pode ser utilizado como indicador de posição angular ou linear,

comprimento, velocidades rotacional, velocidade linear, taxa de aceleração, aplicados na

robótica entre outras diversas aplicações.

Tem diversas aplicações como máquinas NC, CNC, eixos de robôs, controle de ve-locidade de motores, posicionamento, mesas rotativas, fresas, entre outras. A Figura 2

representa sua aplicabilidade como indicador de ângulo podendo variar de 0◦ a 360◦.

Figura 2 – Indicador de ângulo.

Fonte: Autor.

A Figura 3 representa um encoder de posição linear montado em trilho utilizado em

máquinas de movimento vertical ou horizontal.

Figura 3 – Indicador de ângulo.

Fonte: Autor.

3.2 Associações com outros dispositivos.

Podem ser associados de maneira simples e utilizados em comandos eletromecâni-

cos com contatoras, podendo também ter características complexas e ser associado cominversor de frequência, controlador lógico programável em conjunto a interfaces homem-

máquina (IHM’s).




3.3 Determinação do encoder.

Para determinarmos o encoder devemos observar:

• Por tipo de montagem: podendo ser em eixo transversal, ponta de eixo, linear emtrilho ou tipo carrinho;

• Proteção do eixo: podendo ser montado em IP00 a IP64;

• Incremental ou absoluto.;

• Frequência de resposta: Pode chegar a 60 kHZ (60000 pulsos/segundo);

• Velocidade: até 6000 RPM.

3.4 Sistema de leitura.

Tem seu sistema de leitura baseado em um disco para encoder rotativo ou régua para

encoder linear, formados por lacunas transparentes e opacas, uma fonte emissora de luz e

um receptor acoplado a uma placa eletrônica. Ao ser iluminado a luz projetada atravessa

as lacunas que por sua vez e recebido pelo receptor ótico que gera pulsos elétricos.

A Figura 4 representa a estrutura básica de montagem de um encoder rotativo.

Figura 4 – Estrutura de montagem de encoder rotativo.

Fonte: Autor.




A Figura 5 demonstra a estrutura de um encoder linear de régua com escala. Tem o

mesmo princípio de funcionamento do encoder rotativo.

Figura 5 – Estrutura de montagem de encoder rotativo.

Fonte: Autor.

3.5 Encoder incremental.

O encoder incremental funciona gerando pulso/revolução ao movimentar a régua ou

disco. A Figura 6 representa um encoder incremental de sinais em A, B e Z.

Figura 6 – Encoder incremental de sinais em A, B e Z.

Fonte: Autor.




A posição para este encoder é definida pela quantidade de pulsos, para tal faz-se neces-

sário à determinação de uma origem que chamamos de pulso zero. Podemos determinar

a resolução dividindo o numero de pulsos por 360◦.

Para exemplificar tomemos uma régua segmentada de 1024, dividindo 360◦

pela quan-tidade de segmentos obtemos um pulso a cada 0,35◦.

O encoder incremental podem gerar sinais em A, B, Z, /A, /B e /Z. Para melhor

entendermos, a Figura 7 representando um sinal de encoder de três ondas quadráticas e

a Figura 8 para um encoder de saída de seis ondas quadráticas.

Figura 7 – Encoder de três sinais quadráticos.

Fonte: Autor.

Figura 8 – Encoder de seis sinais quadráticos.

Fonte: Autor.




3.6 Encoder absoluto.

Similar ao encoder incremental, pois ambos utilizam o principio dos discos ou réguas

com lacunas transformando luz em pulsos luminosos. O principal diferencial é que o

absoluto determina a posição pela leitura do código que é único para cada posição. Isto

é obtido pela associação de diversos sensores fotoelétrico, onde suas leituras formam um

código binário. Este código e gerado para cada posição, dai a origem do nome, pois

informa a posição absoluta. A Figura 8 representa um encoder absoluto.

Figura 9 – Encoder absoluto.

Fonte: Autor.

A vantagem do encoder absoluto comparado ao incremental é que em momentos de

queda de energia elétrica do sistema, este por utilizar de códigos locais estabelecidos no

disco ou régua consegue determinar exatamente a posição em que se encontra o equipa-

mento medido quando a energia é reestabelecida. O que não ocorre no incremental por

obter a posição por quantidade de pulsos a partir do sinal Z.Existe uma particularidade para isso se fazer verdadeiro. Como um encoder rotativo

possui ângulo de inclinação de aproximadamente 1◦ entre lacunas e para réguas 0,5 mm

faz-se necessário a movimentação de 1◦ ou 0,5 mm para se determinar a posição da

máquina. O sistema recebe o feixe de luz e sua parte eletrônica processa esse resultado e

o transforma em um sinal binário. A Figura 10 apresenta um disco com sinal de 8 bits.

Figura 10 – Disco de 8 bits.

Fonte: Autor.




Para encoder incremental possuímos duas formas de resolução a single turn que per-

corre todas as posições em uma volta e a multi turn que realiza todas as combinações e

mais de uma revolução. A Tabela 1 representa os três tipos de revolução para o single

turn e multi turn do absoluto.

3.7 Tipos de revolução para o Single Turn e Multi

Turn.

Tabela 1 – Tipos de revolução para o Single Turn e Multi Turn.

SINGLE TURN MULTI TURN

4096 posições 4096 posições(12 bits) 16 voltas (16 bits)

8192 posições 8192 posições(13 bits) 20 voltas (20 bits)

16384 posições 16384 posições

(14 bits) 4096 voltas (24 bits)

Como cada posição possui seu próprio código binário, portanto temos a Tabela 1.

Porém sincronismo e obtenção de posição no momento de variação entre dois códigos

tornam-se muito difíceis. Se pegarmos como exemplo dois códigos consecutivos binários

como 7 (0111) e 8 (1000), notamos que a variação de zero para esses números ocorre em

todos os bits, e uma leitura feita no momento da transição pode resultar em um valor

completamente errado. A solução para este problema foi aplicado o código gray que possui

uma particularidade que na comutação somente um bit é alterado.

Tabela 2 – Posição de encoder absoluto.

DECIMAL BINÁRIO GRAY

0 0000 00001 0001 00012 0010 00113 0011 0010

4 0100 01105 0101 01116 0110 0101




Tabela 3 – Continuação da Tabela 2

DECIMAL BINÁRIO GRAY

8 1000 11009 1001 1101

10 1010 111111 1011 111012 1100 101013 1101 101114 1110 100115 1111 1000

3.8 Encoder absoluto virtual.

O encoder absoluto virtual, desenvolvido pela empresa Gurley Precision Instruments,

possui como nos incrementais informações de três canais A, B e Z porem com uma parti-

cularidade, tendo seu canal zero substituído por um código similar a um código de barras

ao invés de apenas uma janela. A Figura 11 apresenta os três tipos de discos de encoder,

o incremental absoluto e absoluto virtual.

Figura 11 – Encoder absoluto virtual.

Fonte: Autor.




3.9 Valores de mercado.

Os valores mudam conforme o tipo incremental ou absoluto, modelo, tipo de aplicação,

grau de proteção, numero de segmentos, velocidade rotacional e fabricante. A Tabela 4

apresenta valores médios entre os encoders incremental e absoluto no Brasil e nos Estados

Unidos.

Tabela 4 – Valores de mercado.

MODELO DO ENCODER VALOR EM REAIS VALOR EM DÓLAR

Incremental 400 pulsos/volta 318,00 86,00Absoluto Multi Turn 1.491,00 183,00

Alguns fabricantes de enconder mais conhecidos no mercado são: Allen-Bradley Rockwell

Automation, SEW Eurodrive, ABB, Gurley Precision Instruments, S&E Instrumentos.

3.10 Comunicação.

Independentemente do tipo de encoder, este tem que enviar pulsos ou os valores de

contagem através de um circuito eletrônico, para que a posterior interpretação dos dados

seja feita por um CLP, CNC, Robô, microcontroladores ou simplesmente sinais para

acionar dispositivos eletromecânicos.

A escolha da rede deve-se ao fato de que com elas há uma economia de cabos que

conectam o campo ao painel elétrico.



16

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Existem diversos tipos de encoders e seu modelo depende da medida, posição, veloci-

dade e ainda do tipo de comunicação, que deve ser feita com o circuito de controle.



17

Referências

CREDER, H. Instalações Elétricas . 15a edição. ed. [S.l.]: LTC, 2007.

FILHO, J. M. Instalações Elétricas Industriais . 7a edição. ed. Rio de Janeiro: EditoraLTC, 2007.

SOUZA, G. T. de. Controle de Automação Industrial . [S.l.: s.n.], 2004.

THOMAZINI, P. U. B. D. A. . D. Sensores Industriais, Fundamentos e Aplicações . 4o

edição. ed. [S.l.]: Editora Érica, 2007. 224 p.

imp_sensorencoder-eduardo.pdf

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