📘 Encoder Rotativo Óptico (Incremental e Absoluto)

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1. Identificação Normativa e Visão Geral

O Encoder Rotativo Óptico é o transdutor mecatrônico primário para medição angular de posição, deslocamento e velocidade em eixos mecânicos de servomotores, fusos de esferas de máquinas-ferramenta CNC, robôs articulados e pontes rolantes industriais. Operando através da interrupção periódica de feixes de luz infravermelha colimada por um disco de vidro ou mylar microgravado, o sensor traduz o movimento rotativo contínuo em trens de pulsos digitais ou palavras binárias seriais de altíssima resolução.

Normativamente, os encoders industriais são projetados sob as normas IEC 60034-8 (Sistemas de interface e realimentação para máquinas elétricas rotativas), DIN EN 60529 (Graus de proteção mecânica IP65 a IP67 contra óleos de corte e poeira) e os padrões elétricos de comunicação diferencial EIA/TIA-422 (RS-422) e barramentos síncronos ponto-a-ponto SSI (Synchronous Serial Interface) e BiSS-C.

graph TD
    subgraph "Famílias de Encoders Rotativos Ópticos"
        ENC["Encoder Rotativo Óptico"] --> INC["Encoder Incremental (A / B / Z)"]
        ENC --> ABS["Encoder Absoluto (Palavra Digital Única)"]
        
        INC --> INC_QUAD["Quadratura 90°: Sentido de Giro + Multiplicação 4x no CLP"]
        INC --> INC_HOMING["Canal Z (Índice): Referenciamento Físico Obrigatório no Boot"]
        
        ABS --> ABS_ST["Monovolt (Single-Turn): Posição Absoluta em 360° (ex: 13 a 20 bits)"]
        ABS --> ABS_MT["Multivolt (Multi-Turn): Posição Absoluta + Contador de Voltas por Trem de Engrenagens"]
        ABS --> ABS_GRAY["Código Gray: Variação de Estritamente 1 Bit por Transição"]
    end

Tabela Comparativa: Incremental vs. Absoluto

Parâmetro Técnico	Encoder Incremental (A/B/Z)	Encoder Absoluto Monovolt (Single-Turn)	Encoder Absoluto Multivolt (Multi-Turn)
Comportamento pós Queda de Energia	Perde a posição real; exige rotina de Homing até o sensor de fim de curso	Retém a posição angular absoluta instantaneamente ($0^{\circ }\text{ a }360^{\circ }$)	Retém posição e número exato de voltas acumuladas sem baterias
Padrão de Sinais Elétricos	Ondas quadradas em quadratura ($A,\bar{A},B,\bar{B},Z,\bar{Z}$)	Saída paralela ou serial digital síncrona (SSI / BiSS-C / EnDat)	Protocolos seriais industriais / Fieldbus (Profinet, EtherCAT)
Codificação do Disco	Trilhas periódicas radiais idênticas ($1024\text{ a }10.000\text{PPR}$)	Pistas concêntricas em Código Gray ($2^{13}=8192\text{ a }{2}^{20}$ posições)	Disco óptico principal + microengrenagens mecânicas com sensores Wiegand
Custo de Implementação	Baixo a Médio	Médio	Elevado
Aplicação Típica	Controle de velocidade em esteiras, VFDs e bombas	Eixos de robôs SCARA e antenas rastreadoras	Eixos de máquinas CNC e servodrives de alta precisão

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2. Aspecto Visual e Corte Anatômico

O encoder industrial de precisão é montado em corpo cilíndrico de alumínio usinado ou fundido de diâmetro padronizado ($\varnothing 58\text{mm}$ padrão Europa), flange sincro ou servo com eixo de aço inoxidável apoiado sobre rolamentos de esferas de precisão pré-carregados.

Detalhamento dos Componentes Internos e Callouts

• ① Disco Óptico Giratório (Code Disc): Disco ultrafino de vidro óptico temperado (ou polímero técnico Mylar em modelos de alta resistência a impacto), rigidamente colado ao eixo por cubo metálico usinado. O disco contém máscaras microscópicas fotogravadas a laser com precisão sub-micrométrica, alternando setores opacos (cromo vaporizado) e setores transparentes com resoluções de $1024$ a $10.000\text{PPR}$.
• ② Eixo Mecânico em Aço Inoxidável Retificado: Eixo sólido de diâmetro padrão ($\varnothing 6\text{mm}$, $\varnothing 10\text{mm}$ ou $\varnothing 12\text{mm}$) ou eixo vazado (Hollow Shaft) para acoplamento direto sobre a ponta do motor. É apoiado em um par de rolamentos de esferas de precisão montados com pré-carga axial, suportando cargas radiais de até $80\text{N}$ e rotações contínuas de até $10.000\text{ a }12.000\text{RPM}$.
• ③ Fonte Emissora de Luz (LED Infravermelho Colimado): Diodo emissor de luz infravermelho ($\lambda \approx 850\text{nm}$) de altíssima vida útil ($>100.000\text{horas}$). Na frente do LED, uma lente asférica paralelizadora gera um feixe de luz colimado e rigorosamente perpendicular à superfície do disco óptico.
• ④ Retículo Óptico Fixo de Varredura (Index Reticle / Grating): Placa de vidro estacionária posicionada paralelamente ao disco giratório a uma distância de fração de milímetro. Contém fendas idênticas às do disco, defasadas espacialmente entre si para gerar o fenômeno de Franjas de Moiré, o qual converte o deslocamento microscópico em modulação senoidal macroscópica de intensidade luminosa.
• ⑤ Matriz de Fotodiodos Detectores de Silício: Conjunto de fotodiodos integrados monoliticamente que captam a modulação luminosa e a convertem em quatro fotocorrentes senoidais em contrafase ($0^{\circ },90^{\circ },180^{\circ },270^{\circ }$) para cancelamento de ruído de modo comum e eliminação de deriva térmica de offset.
• ⑥ Placa de Circuito Impresso Interna (PCB com Line Driver): Contém amplificadores operacionais de transimpedância, comparadores ultravelozes com histerese de Schmitt (Schmitt Trigger) para quadratura perfeita e circuitos integrados drivers de linha diferenciais padrão RS-422 (ex: 26LS31) com proteção contra curto-circuito e inversão de polaridade.

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3. Princípios Físicos de Operação

3.1 Quadratura de Fase ($90^{\circ }$ Elétricos) e Sentido de Giro

No encoder incremental, a máscara do retículo fixo gera dois sinais de saída defasados no espaço por um quarto de período geométrico da grade, o que se traduz em uma defasagem temporal de rigorosos $90^{\circ }$ elétricos entre as ondas quadradas dos Canais A e B:

ROTAÇÃO HORÁRIA (CW) - Canal A adianta Canal B em 90°:
Canal A: ───┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌───
            └───┘   └───┘   └───┘   └───┘
Canal B: ─────┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌─
              └───┘   └───┘   └───┘   └───┘

ROTAÇÃO ANTI-HORÁRIA (CCW) - Canal B adianta Canal A em 90°:
Canal A: ─────┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌─
              └───┘   └───┘   └───┘   └───┘
Canal B: ───┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌───
            └───┘   └───┘   └───┘   └───┘

O circuito de decodificação no CLP ou servodrive avalia a direção do movimento através da lógica de bordas:

• Se na borda de subida do Canal A, o Canal B estiver em nível lógico BAIXO ($0$), o sentido de rotação é Horário (CW / Direto).
• Se na borda de subida do Canal A, o Canal B estiver em nível lógico ALTO ($1$), o sentido de rotação é Anti-Horário (CCW / Reverso).

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3.2 O Poder da Multiplicação de Resolução em Hardware ($1\times ,2\times ,4\times$)

Os módulos contadores de alta velocidade (HSC - High Speed Counter) integrados aos CLPs e servodrives decodificam os sinais em quadratura por hardware sem consumir tempo de processamento de software:

graph LR
    subgraph "Estratégias de Decodificação em Quadratura"
        CLK["Canais A e B em Quadratura 90°"] --> M1["Modo 1x: Conta apenas na borda de subida de A ⇒ Resolução = PPR"]
        CLK --> M2["Modo 2x: Conta nas bordas de subida e descida de A ⇒ Resolução = 2 · PPR"]
        CLK --> M4["Modo 4x (Quadratura Plena): Conta em TODAS as 4 bordas (A↑, A↓, B↑, B↓) ⇒ Resolução = 4 · PPR"]
    end

No modo $4\times$, um encoder comercial de $2500\text{PPR}$ passa a fornecer:

$\text{Pulsos por Volta no CLP}=4\times 2500=10.000\text{contagens/volta}$

A resolução angular teórica obtida por cada incremento é:

${\theta }_{\text{resoluc¸a˜o}}=\frac{360^{\circ }}{10.000}=0.036^{\circ }(2.16\text{minutos de arco})$

3.3 O Canal Z (Índice / Ponto Zero)

O Canal Z (também denominado Marker ou pulso zero) emite estritamente 1 único pulso de alta precisão por rotação mecânica completa do eixo ($360^{\circ }$). Sua largura é padronizada para corresponder a $90^{\circ }$ elétricos, ocorrendo exclusivamente quando ambos os canais A e B encontram-se em nível ALTO ($1$).

Sua aplicação é mandatória no procedimento de Referenciamento de Máquinas (Homing): durante a inicialização de um torno CNC ou robô, o eixo translada lentamente até acionar uma chave de fim de curso mecânica (referência grosseira); a partir daí, o comando busca a borda exata do Canal Z do encoder, travando a coordenada de zero absoluto da máquina com repetibilidade sub-micrométrica.

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3.4 Por que Encoders Absolutos Exigem Código Gray?

Em um encoder absoluto, o disco possui $N$ pistas circulares concêntricas, cada uma lida por um fotodiodo independente, formando uma palavra binária paralela de $N$ bits que indica unicamente a posição angular ($0$ a $360^{\circ }$).

Se as pistas fossem codificadas em Código Binário Natural, ocorreriam falhas metrológicas catastróficas nas transições onde múltiplos bits mudam de estado simultaneamente. Por exemplo, na passagem da posição $7$ para a posição $8$ em $4\text{bits}$:

$0111_2⟶1000_2(\text{Todos os 4 bits devem mudar simultaneamente})$

Devido a tolerâncias mecânicas de alinhamento micrométrico dos fotodiodos e pequenas imperfeições no disco, os bits nunca mudam de estado no mesmo picosegundo exato. Durante alguns microssegundos, o sensor geraria leituras espúrias intermediárias transitórias caóticas (como $1111_2=15$ ou $0000_2=0$), induzindo trancos violentos e erros fatais no servomotor.

O matemático Frank Gray (Bell Labs, 1953) patenteou o Código Gray (Código Binário Refletido), cuja propriedade física basilar estabelece que ESTRITAMENTE 1 ÚNICO BIT MUDA DE ESTADO ENTRE QUALQUER PAR DE NÚMEROS ADJACENTES:

Posição Angular	Código Binário Natural	Código Gray (Refletido)	Bits que Mudam no Gray
0	0000	0000	Início
1	0001	0001	1 bit
2	0010	0011	1 bit
3	0011	0010	1 bit
4	0100	0110	1 bit
5	0101	0111	1 bit
6	0110	0101	1 bit
7	0111	0100	1 bit
8	1000 (4 bits mudam!)	1100	Estritamente 1 bit muda!

A conversão lógica instantânea de Código Gray ($G$) para Binário Natural ($B$) no microprocessador é realizada por portas lógicas OU-Exclusivo (XOR):

$B_n=G_n$ $B_i=B_{i+1}\oplus G_i(\text{para }i=n-1\text{ descendo ateˊ }0)$

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3.5 Topologias de Saída Elétrica: A Supremacia do Line Driver RS-422

Padrão de Saída	Nível de Tensão	Frequência Máxima	Comprimento Máx. de Cabo	Imunidade a Ruídos EMI de Inversores
Coletor Aberto (NPN)	$5\text{ a }30\text{V}$	$<50\text{kHz}$	$<10\text{metros}$	Péssima (bordas lentas por resistor pull-up)
Push-Pull / Totem-Pole (HTL)	$10\text{ a }30\text{V}$	$<150\text{kHz}$	$<30\text{metros}$	Média (sinal single-ended suscetível a ruído)
Line Driver Diferencial (RS-422 / TTL)	$5\text{Vcc}$ Diferencial	$>300\text{ a }500\text{kHz}$	$>100\text{metros}$	Excelente (Rejeição total de modo comum)

O padrão Line Driver RS-422 gera para cada canal o seu sinal inverso complementar ($A$ e $\bar{A}$, $B$ e $\bar{B}$, $Z$ e $\bar{Z}$). Conduzidos por pares trançados blindados, qualquer interferência eletromagnética externa induzida pelo chaveamento de inversores de frequência acopla-se de forma idêntica em ambos os condutores. O receptor diferencial na entrada do CLP subtrai os sinais ($V_{\text{sinal}}=V_A-V_{\bar{A}}$), cancelando $100\%$ do ruído induzido.

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4. Diagrama de Aplicação Prática

A figura abaixo demonstra o circuito de controle em malha fechada de um Servomotor Brushless em centro de usinagem CNC, onde o encoder óptico incremental de $2500\text{PPR}$ alimenta em tempo real tanto o servodrive quanto o módulo contador rápido (HSC) do CLP.

graph TD
    subgraph "Mecânica de Precisão CNC"
        MOTOR["Servomotor CA Brushless (3000 RPM)"] --> FUSO["Fuso de Esferas Recirculantes (Passo 10 mm/volta)"]
        MOTOR --- ENC["Encoder Óptico 2500 PPR com Acoplamento Flexível"]
    end

    subgraph "Fiação Diferencial Blindada (Cabo de Servomotor)"
        ENC -->|Pares Trançados Blindados A, /A, B, /B, Z, /Z| DRIVE["Servodrive Digital (Malha de Corrente e Velocidade a 16 kHz)"]
    end

    subgraph "Automação e Controle Numérico CNC"
        DRIVE -->|Repetição de Pulsos Buffered| HSC["Módulo Contador Rápido HSC do CLP (Decodificação 4x)"]
        HSC --> CNC_CPU["Controle Numérico Computadorizado (CNC / G-Code)"]
        CNC_CPU -->|Consignas de Posição e Interpolação| DRIVE
    end

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5. Metodologia de Dimensionamento e Caso Numérico Resolvido

5.1 Caso de Engenharia: Eixo de Avanço de Retífica CNC

Dados de Projeto

• Mecanismo: Fuso de esferas recirculantes retificado de alta precisão com passo $p=10.00\text{mm/volta}$.
• Acoplamento: Direto sem folga ($1:1$) entre o eixo do servomotor e o fuso de esferas.
• Rotação máxima do servomotor em avanço rápido: $n_{\text{maˊx}}=3000\text{RPM}$.
• Resolução linear de posicionamento exigida pelo processo: $\Delta x\le 1.0\mu \text{m}$ ($0.0010\text{mm}$).
• Hardware do controlador: Cartão Contador Rápido de CLP com frequência máxima de corte de entrada de $f_{\text{HSC,maˊx}}=200\text{kHz}$ por canal.

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Passo 1: Cálculo da Resolução Angular Necessária no Eixo

Para alcançar o deslocamento linear mínimo de $\Delta x=1.0\mu \text{m}$ com um passo de fuso de $p=10.00\text{mm}=10.000\mu \text{m}$:

$\text{Contagens por Volta Requeridas}=\frac{p}{\Delta x}=\frac{10.000\mu \text{m}}{1.0\mu \text{m}}=10.000\text{pulsos de contagem por rotac¸a˜o}$

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Passo 2: Seleção do Encoder com Decodificação $4\times$ em Quadratura

Configurando o cartão contador do CLP em modo de Quadratura Plena ($4\times$):

$\text{PPR do Encoder}=\frac{\text{Contagens por Volta}}{4}=\frac{10.000}{4}=2500\text{PPR}$

Especificação do Encoder de Catálogo:

• Modelo: Encoder Óptico Incremental Industrial $\varnothing 58\text{mm}$
• Resolução nativa: $2500\text{PPR}$ (Pulsos Por Rotação)
• Saída elétrica: Line Driver RS-422 diferencial ($5\text{Vcc}$, $A,\bar{A},B,\bar{B},Z,\bar{Z}$)
• Alimentação: $5\text{ a }30\text{Vcc}$ com regulador interno
• Grau de proteção: IP67 com retentor de eixo

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Passo 3: Verificação da Frequência Máxima de Pulsos na Rotação Máxima

A frequência fundamental de pulsos gerada no Canal A ou B a $3000\text{RPM}$ é calculada por:

$f_{\text{pulsos}}=\frac{n_{\text{maˊx}}\cdot \text{PPR}}{60}=\frac{3000\text{RPM}\cdot 2500\text{PPR}}{60}=\frac{\mathrm{7.500.000}}{60}=125.000\text{Hz}=125.0\text{kHz}$

Verificação do limite de hardware do CLP:

f_{\text{pulsos}} = 125.0\,\text{kHz} \le f_{\text{HSC,máx}} = 200.0\,\text{kHz} \quad \text{(Aprovado com 37.5% de margem de segurança)}

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Passo 4: Cálculo da Velocidade Linear Máxima da Mesa CNC

A velocidade linear máxima de translação da mesa no avanço rápido é:

$v_{\text{maˊx}}=\frac{n_{\text{maˊx}}\cdot p}{60}=\frac{3000\text{RPM}\cdot 10.0\text{mm}}{60}=500.0\text{mm/s}=30.0\text{m/min}$

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Regras de Segurança

graph TD
    subgraph "Mecanismos de Falha em Encoders Ópticos"
        F1["Impacto Axial no Eixo durante Montagem Mecânica"] --> E1["Trinca ou Fragmentação do Disco de Vidro"]
        F2["Falta de Resistor de Terminação 120 Ω em Cabos Longos"] --> E2["Reflexão de Linha Provoca Contagem Falsa Dupla"]
        F3["Conexão em Coletor Aberto próxima ao Cabo do Inversor"] --> E3["Ruído PWM Induzido Adiciona Metros de Erro Acumulado"]
    end

6.1 Regras Críticas de Montagem Mecânica

1. PROIBIDO QUALQUER IMPACTO AXIAL OU MARTELAMENTO NO EIXO:
   • O disco óptico interno de vidro temperado possui folga de apenas $0.1\text{ a }0.3\text{mm}$ em relação ao retículo estacionário. Qualquer pancada com martelo ou pressão excessiva para encaixar polias ou acoplamentos trinca ou pulveriza instantaneamente o disco de vidro. O acoplamento de engrenagens ou polias deve ser feito exclusivamente com aquecimento térmico ou parafusos extratores.
2. Uso Mandatório de Acoplamento Flexível Elástico:
   • O encoder nunca deve ser parafusado rigidamente ponta-a-ponta contra o eixo do motor. Deve-se empregar obrigatoriamente um Acoplamento Flexível de Fole Metálico ou Helicoidal para absorver desvios angulares (até $1.5^{\circ }$), radiais (até $0.2\text{mm}$) e axiais, evitando a destruição prematura dos rolamentos de esferas do sensor por cargas mecânicas cíclicas.

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6.2 Integridade Elétrica de Sinal e Blindagem

1. Terminação de Linha Casada ($120\Omega$):
   • Em comprimentos de cabo superiores a $15\text{metros}$, a alta frequência dos sinais ($>100\text{kHz}$) provoca reflexões de onda eletromagnética na extremidade receptora do CLP. É obrigatório inserir um resistor de terminação de $120\Omega$ em paralelo entre $A$ e $\bar{A}$, e entre $B$ e $\bar{B}$ no borne de entrada do CLP para casar a impedância característica do cabo par trançado.
2. Aterramento Único da Malha de Blindagem:
   • A blindagem de malha trançada do cabo do encoder deve ser aterrada em um único ponto, preferencialmente no barramento de terra do painel elétrico (lado do CLP/drive). Aterrar a blindagem em ambas as pontas cria um loop de circulação de terra que injeta ruídos no circuito do sensor.

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