4.a Aula_N7SRV_ Aplicações de Encoder, resolver e tacogerador
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Servomecanismo N7SRV Prof. Dr. Cesar da Costa 4.a Aula: Aplicações de Encoder, resolver e tacogerador Aplicacoes de Encoder A aplicacão tem como base um protótipo de esteira rolante, industrial, acionada por um motor de indução trifásico (tipo gaiola) de 0,15KW, com caixa de redução de velocidade, que por sua vez é controlado pelo inversor de freqüência MM420 da SIEMENS. Um encoder incremental de 10 Bits de resolução da DANAHER HOHNER foi acoplado ao motor, gerando uma aplicação semelhante à apresentada na Figura 1, podendo-se obter parâmetros como posição, velocidade e frequência de chaveamento elétrico do motor AC. Aplicacoes de Encoder Aplicacoes de Encoder Para viabilizar o projeto, desenvolveu-se uma interface microcontrolada com display, baseada no microcontrolador 89S52, da ATMEL. A interface recebe os sinais gerados pelo encoder, interpretando a quantidade e variação temporal destes, e então calcula a posição, frequência do sinal do encoder, velocidade de rotação e frequência de chaveamento do motor, representados respectivamente por Pos, Vel2, Vel1 e Freq, no display LCD utilizado. Aplicacoes de Encoder Configurando-se o inversor de frequência para operar a 58,2 Hz (Freq), que corresponde a uma velocidade de rotação no eixo do motor de 1.746 rpm (Vel1) e frequência no encoder de 29,798KHz (Vel2), foram obtidos os resultados apresentados na Figura 2. Considerando-se a redução de 10 vezes ocasionada pela caixa de redução de velocidade do motor AC, os resultados obtidos divergem em menos de 1,6% dos valores esperados e estão bem próximos dos obtidos com um tacômetro profissional. Neste exemplo foi desenvolvido um sistema para obter posição, velocidade e frequência de rotação do eixo de um motor AC, controlado por um inversor de frequência, usando-se um encoder incremental. O sistema obtido é preciso e o uso de um microntrolador o torna flexível, podendo ser usado com eficiência em sistema práticos ou como unidade básica de desenvolvimento para novas aplicações. Aplicacões Industriais Aplicacão em Máquinas de Enchimento de Garrafas Aplicacão em Máquinas de Impressão de Etiquetas Aplicacão em Máquinas de Deteccão de Objetos Aplicacão em Máquinas de Corte Aplicacão em Elevadores Aplicacão em Elevadores Características Importantes: Pequenas Aplicacoes Na verdade, não existe um encoder que seja ideal para todas as aplicações; cada caso é um caso, o encoder mais utilizado é o incremental, pois não é tão caro e abrange quase todas as necessidades. Mas existem aplicações onde somente o encoder absoluto é recomendado. Figura 3: Micro-encoder para pequenas aplicações. Exemplos de Encoders Comerciais Fig. 4: Encoder Absoluto Fig. 5: Encoder utilizando interface para a rede interbus TIPOS DE SAÍDAS DE SINAL Independentemente do tipo de encoder a ser utilizado, este tem que enviar os pulsos ou os valores de contagem através de um circuito eletrônico de saída do sinal, para que a posterior interpretação dos dados seja feita por uma placa de um CLP, CNC, Robô ou até mesmo circuitos dedicados com microcontroladores. A tendência hoje é a utilização de encoder com saída para rede Fieldbus como, por exemplo: - Interbus; - Profibus; - Device Net; - CAN. ENCODER UTILIZANDO INTERFACE PADRÃO RUGGED PARA A REDE INTERBUS Nos encoders absolutos existem uma grande quantidade de fios a serem conectados, e com o uso do Fieldbus diretamente ao encoder não precisamos de tais conexões. Fig. 6: Encoder utilizando interface para a rede interbus Quando não utiliza-se o Fieldbus (rede industrial), temos diversos circuitos de saída de sinal, entre os quais pode-se citar: Saída NPN e NPN Coletor aberto: É composto apenas por um transistor do tipo NPN e um resistor na configuração pull-up, o qual polariza o transistor em seu ponto quiescente. Esse circuito é similar a lógica TTL e por essa razão é considerado compatível com ela. Quando dimensionado corretamente, na saturação do transistor a saída chega aproximadamente a 0 V, e no corte a tensão de saída fica próximo à tensão de alimentação. O comportamento do circuito fica comprometido pelo aumento da distância do cabo até a carga, pela frequência dos pulsos a serem transmitidos e pelo aumento da carga. Assim, para uma aplicação ideal esses parâmetros devem ser levados em consideração. A saída em coletor aberto se diferencia pela falta do resistor de polarização. Com isso, quem polariza o transistor é a própria carga, permitindo que se obtenham diferentes níveis de sinais na carga (figura 7). Figura 7 - Circuito de saída NPN com e sem coletor aberto. Saída PNP e PNP Coletor aberto: Tomemos as mesmas considerações do circuito NPN. A principal diferença está no transistor, que é do tipo PNP, e por isso seu emissor está no positivo da fonte. O resistor quando presente serve como pulldown para o circuito de saída (figura 8). Fig 8 - Circuito de saída PNP com e sem coletor Saída Push-Pull: Este circuito é utilizado para aumentar a performance do circuito de saída. Na verdade, a maior limitação dos circuitos anteriormente apresentados é que o resistor tem que possuir uma resistência muito maior que a impedância de um transistor saturado, e com isso a carga está limitada a uma alta impedância. Para resolver esse problema, um outro transistor é inserido formando uma configuração em push-pull, com isso a impedância da carga pode ser menor. Essa solução aumenta a performance de frequência, e favorece um maior trecho de cabo entre o encoder e a carga até mesmo em altas velocidades de transmissão (figura 9). Saída Push-Pull: Fig 9 - Circuito de saída Push-Pull Saída com Drive de Linha: Este é utilizado em ambientes sujeitos a distúrbios elétricos ou onde a distância do encoder até a carga seja muito grande. A transmissão dos sinais se dá de forma complementar. Por isso, o distúrbio elétrico é reduzido substancialmente (desde que o cabo seja blindado e trançado), essas interferência são chamadas interferências em modo comum (figura 10). Fig 10 - Circuito de saída com drive de linha Exemplos de Especificacões de Saída: Exemplos de Especificacões de Saída: Exemplos de Especificacões de Saída: Como funciona um Encoder: https://www.youtube.com/watch?v=Jv6NYeY1n_I CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DOS ENCODERS 1) Sensibilidade: Sensibilidade é definida como a taxa de mudança de saída para mudança na entrada. Como exemplo, se um movimento de 0.001 mm causa uma mudança na saída de 0.02 V, então a sensibilidade é de 20 V/mm. 2) Linearidade Uma linearidade perfeita faria com que o gráfico de saída versus entrada fosse uma linha reta. Linearidade é a medida da constância da taxa de saída para entrada. Na equação Y = b. X, a relação é perfeitamente linear se b é constante. Se b é variável, então a relação é não-linear; b pode também ser uma função de X, tal que b = a + d. X, onde o valor de d introduziria uma não-linearidade. Uma medida da não-linearidade poderia ser dada como valor de d. CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DOS ENCODERS 3) Faixa Faixa é a medida da diferença entre o valor mínimo e o valor máximo medido. Um strain gauge pode ser capaz de medir valores sobre a faixa de 0.1 a 10 N, e um sensor de ultrassom pode medir distâncias na faixa de 30 cm a 5 m, por exemplo. 4) Tempo de Resposta É o tempo necessário para uma mudança na entrada ser observável como uma mudança estável na saída. Em alguns sensores, a saída oscila por um certo tempo antes que ele alcance um valor estável. Pode-se medir então o tempo de resposta desde o início de uma mudança na entrada até quando a saída alcance uma faixa especificada. CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DOS ENCODERS 5) Precisão É a medida da diferença entre os valores medidos e reais. Uma precisão de +/- 0.001 mm significa que, sobre todas as circunstâncias consideradas, o valor medido estará dentro de 0.001 mm do valor real. São necessários equipamentos de medida de calibracão para verificar essa precisão. CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DOS ENCODERS 6) Repetibilidade É a medida da diferença entre duas medidas sucessivas sob as mesmas condições. Um encoder pode ter alta repetibilidade, mas pouca precisão. CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DOS ENCODERS A figura abaixo mostra um exemplo claro da diferença entre os conceitos de precisão e repetibilidade: CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DOS ENCODERS 7) Resolução É uma medida do número de medidas de valores diferentes possíveis dentro de uma faixa de mínimo a máximo. É também utilizado para indicar o valor do menor incremento que é observável. Pode ser dado em valores percentuais (por exemplo, alguns encoders possuem uma resolução de 1% da medida de distância). 8) Tipo de Saída Como visto anteriormente a saída do encoder pode ser coletor aberto, NPN, PNP, drive de linha ou rede fieldbus, AS.I, CAN. CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DOS ENCODERS Com relação a suas características físicas, os encoders devem ser avaliados em relação a: 1) Tamanho e Peso: Se um sensor deve ser montado em um robô móvel ou na extremidade ou braço de um robô manipulador, ele se torna parte da massa (além de ocupar um espaço na mesma) que deve ser acelerada e desacelerada pelos motores do punho e braço do robô manipulador, ou do motor de acionamento do robô móvel, tal que ele afeta diretamente o desempenho do robô). 2) Confiabilidade: A confiabilidade é de grande importância em todas as aplicações de robótica. Pode ser medida em termos do tempo médio para falhar (MTTF – Mean Time To Failure) como o número médio de horas entre falhas, que causam uma impossibilidade de operação do encoder. CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DOS ENCODERS 3) Interfaceamento Considerações de interfaceamento são frequentemente um fator determinante na usabilidade dos sensores. Conexões não padrões ou necessidade de tensões não padrões pode tornar um encoder muito complexo e caro. Da mesma forma, os sinais de controle e saída de um encoder devem ser compatíveis com outro equipamento que será usado conjuntamente com o encoder, por exemplo o controlador. Transdutores Eletromagnéticos Tacogerador Os tacogeradores são geradores CC de ímã permanente ou geradores síncronos CA, também de campo produzido por imãs, conhecidos como alternadores. Os tacogeradores CC apresentam uma tensão proporcional à velocidade, positiva ou negativa, dependendo do sentido de rotação e, como toda máquina CC, trabalham com escovas. Os alternadores não necessitam de escovas, o que representa uma vantagem. Em geral, a tensão de saída é retificada por uma ponte de diodos, o que faz com que a tensão retificada tenha sempre o mesmo sinal, independentemente do sentido de rotação. Transdutores Eletromagnéticos Tacogerador Medida de velocidade angular; Muito ruidoso; São usualmente acoplados aos motores, para controle analógico de de velocidade; Uso diminuído em função de controle digital com transdutores menos ruidosos e mais exatos. Transdutores Eletromagnéticos Pick-Up Magnético Codificador Incremental; Transdutores de posição e Velocidade; Gera uma tensão quando um dente de material ferro magnético passa próximo ao imã e altera o fluxo Magnético. Transdutores Eletromagnéticos Pick-Up Magnético Sensor de Efeito Hall Os sensores de efeito Hall podem ser definidos como sendo transdutores que variam a sua tensão de saída em resposta a um campo magnético. O funcionamento destes sensores baseia-se no efeito de Hall. O efeito de Hall diz que numa área magnética, percorrida por uma corrente, a qual iremos medir a queda de tensão, verificamos que é de zero volts. Mas ao se aplicar um campo magnético a esta mesma área, surge uma pequena tensão entre as duas extremidades. A diferença destas duas tensões deve-se ao fato da existência de uma força para deslocar os eletrons ao longo da área magnética (Força de Lorenz). Sensor de Efeito Hall É portanto com a informação desta diferença de potencial que o sensor de efeito de Hall atua. Estes sensores normalmente são utilizados para a medição de velocidade e posição. Fig. Efeito Hall Sensor de Efeito Hall Sensor de Efeito Hall Sensor de Efeito Hall Sensor de Efeito Hall Transdutores Eletromagnéticos Resolvers Os resolvers não são mais do que transformadores de alta frequência, onde o seu primário é girante e está situado no rotor do servomotor. Este possui dois secundários em quadratura que se encontram na sua parte estática. O seu funcionamento é baseado nas amplitudes e fases das tensões induzidas nos dois secundários, que são função da posição do rotor. Outro circuito analisa as tensões induzidas e fornece uma tensão proporcional à posição do rotor. Transdutores Eletromagnéticos Resolvers A posição inicial do resolver é feita na fábrica no ato da montagem do servomotor e só pode ser alterada perante a abertura e remontagem do servomotor. Este tipo de sensor é muito utilizado em servomotores, aliando ao seu baixo custo uma boa precisão. As figuras a seguir representam esquematicamente e fisicamente um resolver. Transdutores Eletromagnéticos Resolvers O primário está situado no rotor e existem dois secundários em quadratura no estator. As amplitudes e fases das tensões induzidas nos secundários são função da posição do rotor. Um circuito condicionador processa as tensões induzidas nos secundários fornecendo uma tensão proporcional à posição. . Transdutores Eletromagnéticos Transdutores Eletromagnéticos Transdutores Eletromagnéticos Transdutores Eletromagnéticos Transdutores Eletromagnéticos Como funciona um Resolver https://www.youtube.com/watch?v=qCU8b8vo2qE Transdutores Eletromagnéticos Transdutores Eletromagnéticos
