Seleção do codificador — parte três: controlo da velocidade

Uma análise geral aprofundada mostra que para um controlo da velocidade muito preciso são necessárias as resoluções mais elevadas dos codificadores. A resolução do codificador aumenta com o quadrado da precisão da velocidade exigida. Além disso, é necessário um circuito de controlo de velocidade rápido e uma elevada inércia de massa tem um efeito benéfico na estabilidade de velocidade.

• Não se esqueça: não é apenas a resolução do codificador que influencia o controlo da velocidade dinâmico e preciso. É a reação do sistema como um todo. O tempo de resposta pode ser limitado por restrições de corrente e tensão da fonte de alimentação e do sistema de controlo, pela taxa de amostragem do circuito de controlo, pelas inércias de massa, variação de fricção e pelo desempenho mecânico.

Como funciona a avaliação da velocidade com codificadores incrementais?

A velocidade é avaliada no sistema de controlo através da contagem do número de alterações de estado dentro de um determinado intervalo de tempo. Um EPOS2 tem uma taxa de amostragem do sistema de controlo de velocidade de 1 kHz, por exemplo. Portanto, a velocidade interna é medida em números inteiros de quadcounts por ms (qc/ms) o que corresponde a uma resolução de velocidade de 30 rpm num codificador de 500 ipv (2000 qc por volta). Quanto menor for a resolução do codificador, maior será esta quantização de velocidade.

É necessário salientar que este é um problema metrológico devido à aquisição digital. O que se mede não corresponde ao comportamento do sistema. A velocidade real do motor assume o valor de referência e mantém-no devido à inércia mecânica (efeito volante). Apenas os valores medidos flutuam em torno da velocidade média.

Sinais de velocidade registados num motor com codificador MR maxon. (Captura de ecrã do registador de dados EPOS2 Studio.) A linha preta é a leitura da velocidade do sensor. Esta salta em incrementos de 30 rpm, o que corresponde a uma resolução de 1 qc/ms. Adicionalmente, o sinal exibe um período de 30 ms, decorrente do tempo de 1 revolução do motor. A velocidade média verde mostra mais claramente esta periodicidade. Este sinal de velocidade média está mais próximo da velocidade real do motor. No entanto, neste caso reflete as imperfeições do codificador. A propósito, a precisão da velocidade do sinal médio é de cerca 3 rpm de desvio a uma velocidade de 2000 rpm — e isto é bastante bom!

Controlo da velocidade a altas velocidades

Os componentes eletrónicos do codificador limitam a frequência máxima de impulsos que pode ser manipulada, restringindo, portanto, a velocidade máxima do codificador. Em alguns casos, esta restrição deriva de considerações mecânicas, tais como desequilíbrios e tolerâncias de montagem.

As restrições de frequência à entrada do codificador, do lado do sistema de controlo, também devem ser consideradas. Se forem necessárias velocidades muito altas, tem de ser escolhida uma resolução do codificador correspondentemente baixa.

Uma variação relativa da velocidade de alguns por cento a altas velocidades de vários milhares de rpm corresponde a vários 10 rpm de precisão absoluta, sendo bastante fácil de conseguir. 

Regra n.º 4: codificador para o controlo da alta velocidade (> 500 rpm)

Selecione um codificador com um número moderado ou reduzido de estados e uma categoria de velocidade máxima suficientemente alta. Para muitos casos, o codificador EASY maxon é a solução perfeita. Geralmente não existe qualquer necessidade de um codificador ótico de alta precisão. Regra geral: (velocidade em rpm) x (resolução do codificador em ipv) > 100 000 rpm ipv é sem dúvida suficiente para a maioria das aplicações.

Controlo da velocidade a baixas velocidades

Embora o tipo de avaliação da velocidade de contagem do estado resulte num bom controlo da velocidade a altas velocidades, este torna-se difícil a velocidades muito baixas. Imagine uma velocidade de 60 rpm, ou seja, 1 volta por segundo a ser mantida com uma precisão de 5% ou 3 rpm. Com o mesmo codificador de 500 ipv e um tempo de ciclo de controlo de 1 ms como acima, nunca será capaz de obter uma velocidade estável e suavemente controlada.

Para reduzir a variação absoluta da velocidade, irá necessitar de uma resolução de codificador superior e um sistema de controlo mais rápido. Basta imaginar um codificador com 5000 ipv na situação acima descrita; obterá 10 vezes mais feedback. No entanto, a baixas velocidades também o circuito de controlo deve ser capaz de reagir mais rapidamente para manter o desvio absoluto da velocidade a um nível reduzido. Os dois requisitos aumentam as exigências para o codificador. A resolução do codificador aumenta com o quadrado da estabilidade absoluta da velocidade: metade da variação de velocidade permitida requer uma resolução de codificador 4 vezes superior. 

A velocidades muito baixas, alguns sistemas de controlo permitem uma forma alternativa de avaliar a velocidade. Medem o tempo que decorre entre 2 estados. Os valores de feedback da velocidade serão mais homogéneos, permitindo um controlo mais rigoroso e mais dinâmico.

O sistema de controlo EPOS4 permite a utilização de outro método a baixas velocidades, chamado observador da velocidade. O observador da velocidade é um elemento no circuito do controlo. Este calcula a velocidade observada em duas etapas. Primeiro, a velocidade, a posição e o binário externo são previstos com base nos parâmetros que definem a função de transferência mecânica do sistema. Em segundo lugar, os valores previstos são corrigidos com base na posição do rotor recentemente medido.

Mas mesmo assim, um codificador com uma alta resolução e um sistema de controlo rápido revelam-se vantajosos.

Regra n.º 5: codificador para o controlo da velocidade baixa (< 100 rpm)

Selecione um codificador com um número alto ou muito alto de estados em combinação com um sistema de controlo rápido.