Óptico, Magnético, Resolver ou Capacitivo para o Seu Encoder de Motor?
Em muitos projetos de controle de movimento, é essencial conhecer os principais parâmetros do rotor do motor, como sua posição angular, velocidade e direção. Um componente essencial para compreender esses parâmetros é o encoder — um sensor adicional que determina e informa a posição angular do rotor para o controlador do sistema (que pode ser totalmente analógico, híbrido analógico/digital ou totalmente digital). O encoder captura “instantâneos” da posição em intervalos de tempo definidos. Com essa série de leituras de posição, o controlador consegue determinar a velocidade de rotação e a direção. (Vale lembrar que o termo “encoder” também se refere a diversos outros circuitos e componentes eletrônicos, o que pode gerar confusão.)
Este artigo explora o funcionamento das principais tecnologias de encoder e os fatores que os usuários devem considerar ao escolher a melhor opção para o controle de motores.
Visão Geral dos Encoders
Nem todas as aplicações de motor precisam do feedback fornecido por sensores e dos parâmetros associados ao rotor. Produtos mais simples, como brinquedos, não necessitam — e muitas vezes não podem arcar com o custo — de um encoder. Por outro lado, algoritmos avançados de controle de motores que utilizam controle orientado por campo (FOC), também conhecido como controle vetorial, não exigem necessariamente um encoder. No entanto, mesmo nesse caso, pode ser interessante incluir o encoder para monitorar e verificar a posição e o movimento esperados do rotor em aplicações críticas.
Quatro tipos de tecnologias de encoder são amplamente utilizadas para determinar a posição do rotor: óptico, magnético, indução eletromagnética (resolver) e capacitivo. Cada uma tem vantagens e desvantagens relativas, portanto, a escolha “certa” é determinada pelos requisitos, prioridades e custo da aplicação.
Algumas implementações de encoder podem fornecer informações absolutas de posição do rotor, necessárias em alguns casos durante a inicialização ou reinício, enquanto outras podem fornecer apenas informações de posição relativa; no entanto, isso pode ser tudo o que é necessário para a aplicação final.
O encoder desejado é selecionado pelo fabricante do motor, que o incorpora ao produto final, geralmente durante a produção na fábrica do cliente. Muitos fornecedores de motores também oferecem encoders próprios ou de terceiros, os quais são incorporados durante a produção do motor em suas fábricas. Com diversas opções disponíveis, vamos analisar mais de perto os quatro encoders mais utilizados.
Encoders Ópticos
Os encoders ópticos utilizam um LED como fonte de luz, um disco codificador conectado ao eixo e um fotossensor, apoiados por um circuito de alimentação para acionar o LED e um circuito de saída para produzir pulsos limpos a partir do sensor.
Os encoders ópticos estão disponíveis em duas formas. No design transmissivo, o LED e o sensor estão em lados opostos do disco codificador; no design reflexivo, eles estão no mesmo lado. O design reflexivo é mais fino, mas requer um alinhamento mais preciso e pode apresentar uma relação sinal-ruído (SNR) reduzida em comparação com o design transmissivo.
O disco codificador é o elemento principal nesse sistema. Trata-se de um disco fino de vidro ou plástico, com padrões de linhas opacas que bloqueiam a passagem da luz e áreas transparentes que a deixam atravessar. No design reflexivo, as áreas opacas são, na verdade, refletivas. À medida que o disco codificador gira, o sensor de luz produz um trem de pulsos seriais correspondente ao movimento do disco. A resolução do disco codificador pode chegar a 1.024 pulsos por revolução (PPR) ou até 4.096 PPR.
O encoder óptico básico é um sensor incremental que indica apenas o movimento relativo. Para determinar a direção, o sistema do encoder pode usar a diferença de fase relativa entre as saídas das trilhas, adicionando uma segunda trilha óptica defasada em 90° (quadratura) em relação à primeira, juntamente com outro sensor.
Existem duas abordagens para obter a posição absoluta, que é necessária em muitas aplicações. Em uma abordagem, é adicionada uma terceira trilha ao disco codificador com um único marcador de índice, que registra uma vez por revolução para definir um ponto de partida. A outra abordagem é usada em casos mais exigentes, onde a posição absoluta é necessária no momento da energização, então o disco do codificador possui várias trilhas com padrões diferentes para produzir um código único para cada posição codificada.
Os encoders ópticos são muito populares devido ao design simples, facilidade de interface e alta resolução. No entanto, alguns pontos a considerar são que eles são relativamente frágeis devido ao disco, podem ser afetados por poeira e sujeira do ambiente, e requerem uma quantidade moderada de energia para funcionar.
Encoders Magnéticos
Existem vários tipos de encoders baseados em magnetismo. Na versão mais comum, um ímã permanente é acoplado à ponta do eixo do rotor, e sensores magnéticos são montados próximos para detectar o campo desse ímã. Quando o ímã permanente gira com o eixo do motor, os sensores detectam a mudança na direção do campo magnético.
Ao medir a intensidade relativa do campo, o encoder consegue determinar a posição rotacional e a velocidade do eixo do motor. Isso é feito com dois sensores de efeito Hall orientados ortogonalmente: um para captar a magnitude do componente no eixo X (Bx) e outro para detectar a intensidade do componente no eixo Y (By).
Em seguida, utilizando identidades trigonométricas conhecidas, as duas saídas podem ser demoduladas para determinar o ângulo do eixo. Isso pode ser feito com um circuito analógico ou calculado numericamente a partir dos valores digitalizados dos componentes X e Y.
Esses encoders magnéticos podem fornecer uma resolução de até 4.000 PPR e são robustos o suficiente para serem usados em aplicações com poeira, óleo e até umidade. No entanto, eles podem ser afetados por campos magnéticos fortes nas proximidades, como os gerados pelo motor, sistemas de monitoramento ou fiação próxima.
Outro tipo de encoder magnético, que não é tão amplamente utilizado, emprega um disco codificador com ímãs de pólos norte e sul alternados na borda externa do disco. O sensor magnético detecta as mudanças na polaridade magnética à medida que os pólos passam. Esse design tem uma resolução inferior à abordagem anterior, mas pode ser adequado para algumas situações. Como não há necessidade de alimentar o emissor e receptor de luz, o encoder magnético consome menos energia do que um encoder óptico.
Resolvers
Um tipo de encoder bem diferente, baseado em princípios magnéticos, é o resolver. Este transformador rotativo determina o ângulo e a velocidade de deslocamento de seu rotor usando um arranjo semelhante a um pequeno motor síncrono.
Um sinal AC, geralmente em torno de 10 kHz, é aplicado ao rotor e funciona como o enrolamento do lado primário. O estator possui dois enrolamentos secundários posicionados a 90° entre si, conhecidos como enrolamentos seno e cosseno. À medida que o rotor gira, ele induz mudanças relativas e diferenças nos sinais entre os enrolamentos secundários seno e cosseno. Estes podem ser decodificados por meio de demodulação para fornecer a posição absoluta, novamente utilizando identidades trigonométricas.
Vale ressaltar que, apesar de seu tamanho, peso e requisitos de circuitos de interface, os resolvers foram amplamente utilizados em aplicações de alta tensão, como plataformas inerciais de sistemas de orientação de mísseis, devido à sua precisão e robustez. Na época, eram a única opção de encoder de posição angular, apesar de serem maiores, mais caros e consumirem mais energia do que a maioria das opções mais novas.
De maneira geral, os resolvers produzem sinais analógicos senoidais, enquanto os encoders fornecem saídas digitais de liga/desliga, embora haja certa sobreposição. Como resultado, cada um exige um esquema de decodificação diferente para produzir as informações desejadas do motor. A saída do encoder é mais compatível com a eletrônica e os processadores modernos, sendo mais fácil de usar “como está” em um sistema de controle de motor.
Encoders Capacitivos
A tecnologia do encoder capacitivo utiliza um método mais recente para detecção de movimento rotacional, embora tenha sido usada por anos em paquímetros digitais de alta precisão e baixo custo. Nesse arranjo, há um rotor com um padrão sinusoidal condutor impresso ao longo de seu perímetro, um transmissor fixo e um receptor fixo. À medida que o rotor gira, o sinal de referência de alta frequência do transmissor é modulado de forma previsível. O encoder detecta as mudanças na reatância capacitiva na placa do receptor e traduz essas alterações em incrementos de movimento rotacional, novamente utilizando um algoritmo de demodulação.
Como não há LED, os encoders capacitivos têm uma vida útil mais longa, ocupam menos espaço e consomem menos corrente (tipicamente de 6mA a 18mA) do que um encoder óptico. Além disso, esses encoders também são bastante imunes a interferências magnéticas e ruídos elétricos. No entanto, contaminantes no ar podem afetar o acoplamento capacitivo aparente, impactando, assim, a consistência do desempenho.
Escolhendo o “Melhor” Encoder
Há encoders de alto desempenho disponíveis para atender às diferentes necessidades de diversas aplicações. Dado o grande número de opções de encoders, determinar qual é o mais adequado ou o melhor para uma aplicação específica pode ser desafiador. A decisão envolve fatores como resolução, interfaces, requisitos de potência, robustez física, considerações de EMI, tamanho e custo.
Os fornecedores de tipos específicos de encoders naturalmente afirmam que o seu é o “melhor”, mas a realidade é mais complexa. Para cada afirmação geral sobre encoders (“este tipo é bom para este parâmetro” ou “este tipo talvez não seja tão bom para aquele outro parâmetro”), existem muitas exceções relevantes a essas diretrizes gerais.
Embora uma tabela comparativa dos atributos relativos de cada tipo de encoder pareça fazer sentido, ela também precisaria de muitas observações explicativas para esclarecer as exceções. A realidade é que a escolha de um encoder exige uma análise cuidadosa do que está disponível, balanceada com os objetivos do projeto, as prioridades e os trade-offs que precisam ser feitos ao selecionar o tipo de encoder.
Artigo escrito por Bill Schweber e publicado no blog da Mouser Electronics: Optical, Magnetic, Resolver, or Capacitive? | Bench Talk
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
