Aplicação de Encoder Incremental Usando um Módulo de Interface para Contagem Rápida de um CLP

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Aplicação de Encoder Incremental Usando um Módulo de Interface para Contagem Rápida de um CLP

Muitas aplicações de controle de máquina exigem vários tipos de controle de alta velocidade simples. Tais aplicações normalmente envolvem algum tipo de controle de movimento, ou interrupções de alta velocidade para eventos de tempo crítico. Muitos Controladores Lógicos Programáveis (CLP) de médio porte, apresentam um Módulo de Interface para Contagem Rápida agregado como recurso interno da CPU para resolver tais problemas a um custo mínimo.

Os Módulos de Interface para Contagem Rápida são bem adaptados para monitorar e controlar vários tipos de sinais de entrada de alta velocidade (pulsos), os quais não convém serem tratados com os módulos de entrada discreta padrão.

Os Módulos de Interface para Contagem Rápida trabalham com uma parte especial da CPU do CLP, que opera independentemente do ciclo de varredura do programa principal da CPU. Isso possibilita medições exatas e a captura de pulsos de alta velocidade, entradas discretas de curta duração, etc. Tais pulsos podem ser gerados a partir de vários dispositivos diferentes, como encoders de pulso, sensores e interruptores.

Uma aplicação típica é um encoder de pulso que é conectado a um dispositivo de movimento rotativo ou linear.

Os encoders são utilizados no controle de movimento em aplicações diversas, incluindo máquinas-ferramenta, posicionamento de SMD e posicionamento multi-eixos. Em um sentido mais geral, os encoders produzem um determinado número de pulsos para cada rotação de seu eixo, a fim de que as decisões de controle possam ser feitas com base no número de pulsos contados.

Os encoders podem ser facilmente interfaceados a um módulo de contagem rápida dos CLPs para o controle da posição exata. Do ponto de vista dos tipos de sinais elétricos disponíveis em sua saída, existem basicamente dois tipos de encoders disponíveis no mercado, o incremental e o absoluto. Estes encoders, quando rotativos, possuem um eixo de rotação, que são normalmente associados mecanicamente, por meio de um dispositivo de acoplamento adequado, aos eixos dos motores da máquina que se deseja controlar.

O encoder incremental possui uma saída de trem de pulsos, a qual responde à rotação do seu eixo. A resposta desta saída de pulsos é correspondente à resolução do encoder, ou seja, ao número de pulsos por revolução. Há duas saídas em um encoder incremental, em geral denominadas “A” e “B”.

Há também uma saída para indicar a posição inicial ou zero (pulso de índice). As saídas do encoder incremental podem ser usadas tanto numa configuração de contagem rápida padrão como também para contagem com controle de sentido de giro (em quadratura).

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Por sua vez um encoder absoluto, que geralmente é usado para um posicionamento mais preciso, possuem uma saída que apresenta um valor binário correspondente aos graus por revolução (360º / volta).

Existem duas maneiras básicas de utilizar a técnica de contagem progressiva/ regressiva numa aplicação que envolve um encoder incremental:

Dupla Contagem Progressiva Padrão, a partir de duas fontes distintas de pulsos, ou seja, usando apenas uma saída de pulsos de dois encoders, ou;

Contagem Progressiva / Regressiva em Quadratura, usando ambas as saídas, A e B, de um mesmo encoder.

A primeira forma, utiliza o módulo de contagem rápida como dois contadores independentes, para contagem apenas progressiva e é comumente usada para controle de posição, onde o sentido de movimento não precisa ser controlado.

Por exemplo, um mandril pode precisar ser movido em um determinado sentido, na horizontal enquanto que, ao mesmo tempo, a posição do mandril precisa ser conhecida e controlada.

Isso pode ser feito por meio da contagem de pulsos recebidos de dois encoders de apenas um ponto de saída. Quando o mandril se move em uma direção, um dos encoder irá incrementando uma contagem acumulada (contador 1). Quando a broca se move no sentido oposto, um segundo encoder irá incrementar uma segunda contagem acumulada (contador 2). A posição do mandril será então conhecida, por se olhar para o valor da diferença dos valores das contagens acumulados em um dado momento.

Usando o exemplo de posicionamento de alta velocidade apresentado na figura anterior, a entrada de contagem rápida C0 recebe os sinais a partir de um encoder que mantém o controle do movimento em um sentido (horário, por exemplo). Já a entrada C1 mantém o controle do movimento no outro sentido (anti-horário) recebendo pulsos de um segundo encoder. As ações de incrementar o contador 1 e incrementar o contador 2 podem acontecer simultaneamente ou durante intervalos de tempo distintos.

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A segunda maneira de usar o módulo de contagem rápida é quando necessita se manter o controle do sentido que o motor está girando. Isto é obtido por meio de um encoder de quadratura, que tem duas saídas de pulso (A e B), ligadas a um contador Progressivo / Regressivo. Os trens de pulso A e B que são processados têm uma diferença de fase de 90º entre si. A partir desta informação, o módulo de contagem rápida pode ser configurado para saber se o eixo está girando no sentido horário ou anti-horário.

O diagrama abaixo mostra este modo, denominado Contagem Progressiva / Regressiva em Quadratura que está sendo executada com um encoder de quadratura.

Os encoders mostrados na aplicação de contagem rápida Progressiva / Regressiva padrão poderiam ser substituídos por sensores fotoelétricos, ou mesmo chaves de fim de curso, já, por outro lado, a aplicação da contagem em quadratura, limita-se especificamente ao eixo dos encoders.

Em geral, os módulos de Interface para Contagem Rápida operam em até 5 KHz e permitem que se configure várias opções de contagem diferentes. Estas características de operação são inerentes à CPU nas quais são construídas, mas o módulo de Interface para Contagem Rápida deve ser utilizado para conectar esses recursos para um determinado processo. Existem várias opções disponíveis típicas, como por exemplo:

Contador de alta velocidade com múltiplos valores de pré-determinados (valores de preset) e sub-rotinas de interrupção integradas (consideramos aqui um exemplo com até 24 valores de preset por contador);

Entrada para encoder de quadratura para processar contagens e determinar sentido de giro horário ou anti-horário;

Saída de pulso programável com interrupções externas e perfis de aceleração e de desaceleração separado para posicionamento e controle da velocidade. A saída de pulsos é geralmente usada com motores de passo, que traduzem os pulsos em uma quantidade e um sentido de rotação;

Entradas de interrupção externas para uma resposta imediata a tarefas críticas ou tempo sensíveis;

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Recurso de captura de pulsos para ler até quatro entradas, cada entrada com uma largura de pulso tão pequena quanto 0.1ms;

Filtro discreto programável (com retardo no ligamento ou retardo no desligamento de 99ms) para garantir a integridade do sinal de entrada.

Assim, um módulo de interface para contagem rápida, é uma interface para vários métodos de contagem. Ele também fornece um meio para uso incorporado das características da CPU para a interrupção, a captura de pulso, pulso de saída e entrada discreta. Como resultado, o módulo tem dois terminais de entrada e saída. Em algumas aplicações em que se faça necessário, os mesmo terminais podem ser utilizados como entradas em um modo de operação e como saídas em um modo diferente. Em alguns modelos de CLP de alguns fabricantes, o bloco de terminais pode ser removido para facilitar a montagem da fiação, em outros modelos é necessário construir um cabo com conector adequado para ter acesso aos terminais do módulo de interface para contagem rápida.

Em geral do módulo de interface para contagem rápida também possui LEDs para indicar a operação do módulo. Normalmente o módulo tem seis indicadores: um para cada uma das quatro entradas, mais dois (para aqueles que usam os modos de direção), uma para indicar operação em sentido horário (CW) e outro para indicar operação anti-horário (CCW).

As entradas da interface para contagem rápida aceitam pulsos de largura mínima de 100µs, operando com tensões de 12V a 24V (Max. 30V) e consumo em torno de 10mA por entrada e taxa de resposta menor que 30µs para ambas as bordas de transição.

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Modos de Operação de um Módulo de Interface para Contagem Rápida:

O Módulo de Interface para Contagem Rápida fornece acesso fácil a diferentes modos de operação, em geral de quatro a seis diferentes modos estão disponíveis.

Existe no mínimo um, mas em geral dispomos de até dois contadores progressivos / regressivos de alta velocidade (5KHz) embutidos internamente na CPU. Esses contadores trabalham de forma independente da varredura da CPU. A faixa de valor de contagem vai de 0 até um valor máximo positivo (no caso 9.99.99).

Quando o contador atinge um dos múltiplos valores pré-determinados (preset), a

CPU pára o funcionamento normal, interrompendo a varredura do programa principal e passa a executar uma sub-rotina de interrupção que está associada com o contador progressivo (uma sub-rotina de interrupção para cada contador).

Cada um dos 24 presets tem um relé especial que é usado para disparar eventos quando o valor atual se iguala ao valor de preset. Há duas maneiras de se fazer à comparação:

Por valor absoluto pode ser usada para comparar o valor atual da contagem diretamente com o valor de preset;

Por valor incremental pode ser usada para comparar o valor atual da contagem com o valor de preset corrente somado ao valor acumulado dos presets anterior.

A sub-rotina de interrupção pode ser programada para executar as tarefas que forem necessárias. Por exemplo, a instruções de I/O imediatas podem ser utilizadas na sub-rotina de interrupção para dar uma resposta muito rápida. Depois que a rotina de interrupção é execução é concluída, o processador retoma a execução normal do programa a partir do ponto em que se encontrava no momento que ocorreu a interrupção.

Manipulando o habilitação (ENABLE) do contador para ON e para OFF irá fazer iniciar ou parar a contagem, respectivamente.

Há três formas de reinicializar os contadores (reset):

O sinal enviado a partir de um módulo de entrada para a CPU onde a entrada é lido durante a varredura normal de atualização;

O sinal enviado diretamente para o módulo via ponto C2 e / ou ponto C3, e;

Utilizando um relé interno do PLC para executar o reset através do programa. A segunda opção é a forma de reinicialização mais rápida.

Normalmente o módulo mantém uma solução de contagem em laço aberto para a sua aplicação e depende do projetista do sistema para fechar o laço adequadamente. O

Automação e Controle Maio/2010 André Luis Lenz 6 diagrama a seguir fornece uma visão geral das especificações e seqüência de operações para um dos modos de operação:

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No Módulo de Interface para Contagem Rápida os contadores internos podem ser configurados tanto para operar tanto como dois contadores progressivos / regressivos padrão, quanto como um único contador progressivo / regressivo em Quadratura.

Como contadores progressivos / regressivos padrão, o sinal de entrada para contagem progressiva até um valor de predefinição é conectado ao ponto C0 no módulo. O sinal para contagem regressiva a partir de uma predefinição é ligado ao ponto C1. Normalmente, estes sinais são processados a partir de dois encoders com único ponto de saída em cada encoder, (como foi o caso da aplicação mostrada na pagina anterior). Neste caso, as demais entradas, C2 e C3, se prestam a receber sinais de reinicialização (reset) para cada contador, respectivamente.

Por sua vez no modo de quadratura, os sinais são normalmente recebidos de um único encoder de quadratura com dois pontos de saída (A e B). A entrada C0 recebe o sinal da fase A e a entrada C1 recebe o sinal da fase B do encoder. Os dois sinais são defasados em 90º elétricos um do outro. Ao contar os sinais e compará-los, a CPU pode determinar tanto a velocidade quanto a direção do eixo de rotação do motor.

O contador funciona de forma independente da varredura da CPU. A lógica ladder pode ser escrita de modo que quando a contagem atinge um valor pré-determinado (até 24 presets), a CPU pára o funcionamento normal e executa uma sub-rotina de interrupção que é associada com o contador. Cada preset está associado a um relé especial que pode ser usado para disparar eventos quando o valor atual da contagem se tornar igual ao valor de preset. Pode-se usar tanto preset absoluto (comparação direta) quanto preset incremental (compara a contagem atual com o preset atual somado do valor acumulado dos presets anterior).

A sub-rotina de interrupção pode ser programada para executar as tarefas que forem necessárias. Por exemplo, a instruções de I/O imediatas podem ser utilizadas na sub-rotina de interrupção para dar uma resposta muito rápida. Depois que a rotina de interrupção é execução é concluída, o processador retoma a execução normal do programa a partir do ponto em que se encontrava no momento que ocorreu a interrupção.

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A faixa de valor de contagem vai de um valor máximo negativo até um valor máximo positivo (no caso, de –8,388,608 até 8,388,607). O sinal de habilitação (Enable) é manipulável e os ambos os contadores podem ser reinicializados (reset), quer por um sinal externo no ponto C2, ou por relés especiais internos que podem ser ativados pelo programa. Neste modo, o ponto C3 não é utilizado. O diagrama a seguir fornece uma visão geral das especificações e seqüência de operações para este modo de operação:

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Como um Encoder de Quadratura Funciona:

Como mencionado anteriormente, um encoder de quadratura tem duas saídas, A e

B. Essas saídas podem ser usadas para determinar posição e sentido em um sistema motorizado com acionamento controlado. Isso é possível porque as saídas de quadratura, A e B, estão defasadas em 90 ° uma em relação à outra, como mostrado na figura abaixo:

Como qualquer encoder de quadratura, pela combinação dos sinais de saída A e B, quatro estados lógicos distintos são gerados pelo encoder. Estes quatro estados ocorrem em certa seqüência, dentro do intervalo de um período (um ciclo), ou seja, desde uma borda de subida até a próxima borda de subida de um dos sinais de saída (sinal A ou sinal B).

No caso analisado no diagrama anterior, a borda de subida do sinal da saída A, denominamos borda de liderança e é esta borda que fará com que o contador seja incrementado. Isto pode indicar para a CPU que o eixo do motor esteja girando, por exemplo, no sentido horário. No entanto o movimento poderá ocorrer no sentido contrário e isso faz com que a ordem de ocorrência das bordas dos sinais das saídas A e B se inverta, invertendo a seqüência lógica das combinações:

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