Nem todo disco de encoder rotativo é um conjunto organizado de anéis concêntricos. Alguns trazem uma única faixa irregular que lembra mais um código de barras; outros têm um padrão extremamente fino ao redor da borda e algo bem mais grosso encaixado por dentro. Com anéis concêntricos dá pelo menos para intuir a leitura vendo qual trilha está clara, mas esses discos praticamente não se deixam ler a olho nu.
O que eles têm em comum é uma motivação. Acrescentar uma trilha por bit representa a posição absoluta perfeitamente, mas a contagem de trilhas se reflete direto na largura necessária do disco e na dificuldade de fabricá-lo. Os três estilos desta página tentam obter posição absoluta, ou alta resolução, sem acrescentar trilhas ou misturando padrões que fazem trabalhos diferentes.
Se preferir começar pelos estilos de múltiplas trilhas — binário, Gray e incremental — comece por (1) Códigos de múltiplas trilhas. Aquela página também explica as convenções que estas figuras seguem: branco é 1, preto é 0 e a trilha mais externa é o LSB.
| Pergunta | Figura que responde |
|---|---|
| Como uma trilha só consegue carregar a posição absoluta? | Discos de trilha única em código PRBS (figura 1) |
| O que um disco faz quando um padrão fino e um grosso convivem? | Discos híbridos: absoluto grosso mais ciclo fino (figura 2) |
| O que se aprende sobrepondo duas trilhas de períodos ligeiramente diferentes? | Discos vernier: uma diferença de período (figura 3) |
Todos os discos abaixo podem ser arrastados. Estes três revelam muito mais em movimento do que parados, então observe as lâmpadas comutando em vez de estudar o padrão estático.
Discos de trilha única em código PRBS (figura 1)
Como funciona a codificação
Em vez de acrescentar uma trilha concêntrica por bit, este projeto escreve a posição absoluta numa única sequência binária irregular que dá a volta na circunferência. A sequência é pseudoaleatória (PRBS) e, quando se escolhe uma de comprimento máximo, chama-se sequência M.
A propriedade que faz tudo funcionar é esta: toda janela de n bits consecutivos é única, não importa onde você a recorte no anel. Basta ler n bits contíguos para que exista um único lugar da circunferência de onde eles poderiam ter vindo. Uma trilha basta, o que permite um disco estreito, e o padrão resultante lembra bastante um código de barras dobrado em anel.
Isso levanta a questão de como se lê uma janela. Um sensor que olha um único ponto só sabe se aquele ponto é claro ou escuro. Como fixar a posição exige n bits consecutivos ao mesmo tempo, o lado da leitura precisa colocar uma cabeça com n elementos enfileirados, ou pegar um bit de cada vez enquanto o disco se move e guardar os últimos n num registrador de deslocamento.
Por isso o hardware real costuma acrescentar uma trilha de sincronismo que mantém a amostragem alinhada. Encare como uma troca: o disco cai para uma trilha só e, em compensação, a cabeça de leitura fica mais complicada.
Na figura desta página
Há uma única trilha de código e nenhuma faixa de sincronismo é desenhada. Uma sequência M de período 2n−1 dá a volta na circunferência, e a cabeça fixa, de x0 em diante, lê um segmento consecutivo dela como janela.
As lâmpadas mostram os bits dentro dessa janela, em ordem. Não são bits ponderados, então não há MSB nem LSB entre eles. Esse significado difere do das figuras absolutas da parte (1), então não convém lê-las do mesmo jeito. O controle de resolução define o número de bits da janela, que é também o expoente que determina o período.
Ler o padrão das lâmpadas como número decimal não dá nada que corresponda a um ângulo. Num código de trilha única, as lâmpadas mostram os bits que estão neste instante dentro da janela, não um valor de posição. Transformar esse padrão numa posição exige um passo à parte que o confronta com a sequência.
Discos híbridos: absoluto grosso mais ciclo fino (figura 2)
Como funciona a codificação
Essa combinação aparece o tempo todo nos encoders absolutos de alta resolução. Um código absoluto grosso — alguns bits de trilha, ou uma faixa tipo código de barras — estabelece em qual intervalo o eixo está, e uma faixa periódica fina, normalmente perto da borda, é interpolada para precisar a posição dentro daquele intervalo.
Dividir o trabalho em dois estágios é a ideia toda. Com posição absoluta e resolução atribuídas a trilhas diferentes, dá para chegar a uma posição fina sem inflar a contagem de bits do código absoluto. Em fotografias de discos reais, essa família costuma parecer carregada: algo fino por fora e algo grosso mais para dentro ou numa faixa separada.
Na figura desta página
O desenho coloca uma faixa periódica fina de claro e escuro por fora, com um código Gray de múltiplas trilhas grosso por dentro. As lâmpadas mostram os bits grossos, do MSB ao LSB, seguidos de uma lâmpada “Fino” para a faixa periódica.
O que a figura não faz é a interpolação em si. Ela mostra o sensor sob a faixa fina piscando entre 0 e 1, e para antes de calcular a partir daí um ângulo dentro do intervalo. Encare como um jeito de observar a divisão de tarefas: o código grosso fixa o intervalo enquanto o ciclo fino passa por cima bem mais rápido.
Discos vernier: uma diferença de período (figura 3)
Como funciona a codificação
Emprestando a ideia do nônio de um paquímetro, este projeto sobrepõe trilhas periódicas cujos períodos diferem em exatamente um ciclo. O deslocamento entre a trilha principal e a secundária fornece informação absoluta grossa, de modo que a posição pode ser estreitada a partir de dois sinais periódicos em vez de uma pilha de trilhas absolutas digitais.
O objetivo é economizar trilhas. Em vez de dedicar uma trilha a cada bit de posição absoluta, o deslocamento entre duas trilhas periódicas faz o trabalho, o que mantém alta resolução disponível num formato pequeno.
Na figura desta página
A faixa externa é o período principal e a interna é o período secundário, com exatamente um ciclo a menos que a principal. Há apenas duas lâmpadas, “Princ.” e “Sec.”, e o leve descompasso na velocidade com que piscam é o deslocamento tornado visível.
Também aqui, a figura não combina o deslocamento num ângulo. Ela existe para mostrar como uma diferença de período realmente se parece sobre um disco.
A lâmpada “Fino” da figura 2 e a lâmpada “Sec.” da figura 3 se parecem, mas fazem coisas diferentes. A primeira é um ciclo fino usado para interpolar dentro de um intervalo; a segunda é um período secundário cujo deslocamento em relação ao principal fornece informação absoluta grossa. Nenhuma das duas representa uma posição sozinha.
Onde cada um dos três tipos realmente aparece
Estes três costumam surgir junto de uma restrição: falta espaço, ou o disco não pode ficar mais grosso. O que segue descreve tendências gerais, e o tipo empregado varia de modelo para modelo.
Trilha única (PRBS / sequência M)
Com apenas uma trilha de código, o disco pode ficar estreito no sentido radial. Isso compensa em projetos de eixo vazado, em que a fiação ou a tubulação passa pelo centro, e em sensores absolutos pequenos que precisam caber no espaço deixado pelo mecanismo.
Dito isso, como vimos, o lado da leitura ainda precisa de maquinário para capturar uma janela. O esforço poupado no disco se transfere para a cabeça e o processamento posterior, então não é um estilo escolhido como substituto direto de um disco de múltiplas trilhas.
Híbrido (absoluto grosso mais ciclo fino)
Entre os encoders absolutos de alta resolução, essa combinação chega bem perto de ser a prática padrão, porque atingir a mesma resolução só com um código absoluto grosso exigiria um número irrealista de trilhas.
Aparece na realimentação de posição embutida em servomotores e na detecção de ângulo de mesas de precisão: lugares onde se exigem posição absoluta e resolução fina ao mesmo tempo.
Vernier (diferença de período)
Como duas trilhas periódicas cobrem a informação absoluta grossa, este estilo combina com projetos pequenos e finos sem espaço para alinhar muitas trilhas. O mesmo raciocínio aparece tanto em encoders magnéticos quanto ópticos, usando números de polos que diferem em uma unidade.
A mesma ideia se estende à detecção multivoltas, que consiste em contar quantas revoluções o eixo deu. Engrenam-se rodas dentadas com números de dentes ligeiramente diferentes e a contagem de voltas é recuperada do deslocamento entre elas.
Esta é uma família em que nomear o estilo só pelo padrão é realmente difícil. Um disco com borda externa fina não é necessariamente híbrido, e um anel de aspecto irregular não é necessariamente PRBS. Quando precisar saber, procure uma descrição de como o dispositivo obtém a posição absoluta em vez de tentar deduzir pelo desenho.
O que cada um dos três tipos economiza
Os três partem da mesma motivação — evitar acrescentar trilhas — mas economizam em lugares diferentes.
| Tipo | De onde vem a posição absoluta | Trilhas de código | Processamento omitido na figura |
|---|---|---|---|
| Trilha única (PRBS) | Toda janela de bits consecutivos é única | Uma (sem faixa de sincronismo desenhada) | Casar uma janela com uma posição |
| Híbrido | Um código absoluto grosso fixa o intervalo | Uma por bit grosso, mais a faixa fina | Interpolação a partir do ciclo fino |
| Vernier | Deslocamento entre os períodos principal e secundário | Duas (principal e secundária) | Tirar um ângulo do deslocamento |
Quanto menos trilhas um disco carrega, mais simples o disco em si fica, e mais o trabalho de extrair uma posição se desloca para o processamento atrás do sensor. O que estas figuras omitem é exatamente esse trabalho deslocado. Leia-as como um jeito de ver onde o padrão do disco termina e onde o cálculo começa.
Os estilos clássicos, em que uma trilha corresponde a um bit — binário, Gray e incremental — estão em (1) Códigos de múltiplas trilhas.
Perguntas frequentes
P1. Se uma trilha basta, por que discos de múltiplas trilhas ainda existem?
R. Uma trilha só mantém o disco estreito, mas exige um passo que casa a janela de bits lida com uma posição da sequência. Num disco absoluto de múltiplas trilhas, a combinação que você lê é o endereço, então o lado da leitura fica simples. Tudo se resume a o que você prefere manter simples: o disco ou a eletrônica.
P2. Um disco PRBS é a mesma coisa que o código de barras de um produto?
R. Eles se parecem, mas vêm de lugares diferentes. Um código de barras codifica uma cadeia fixa de caracteres. Um disco PRBS representa a posição em si, aproveitando o fato de que qualquer janela de n bits tomada em qualquer ponto do anel é única. Gire o disco da figura e verá que o padrão de bits dentro da janela é diferente em cada posição.
P3. O que a lâmpada “Fino” da figura híbrida representa?
R. Se o sensor sob a faixa periódica fina da borda está vendo claro ou escuro neste instante. O hardware real interpola esse sinal para obter uma posição precisa dentro do intervalo; a figura para na exibição do 0 e do 1 e não realiza a interpolação.
P4. Um encoder vernier funciona pelo mesmo princípio do nônio de um paquímetro?
R. A ideia de fundo é a mesma: sobrepor duas escalas com períodos ligeiramente diferentes e ler um valor fino a partir do deslocamento entre elas. A figura toma emprestada essa intuição colocando um período principal diante de um secundário. Ela para antes de combinar o deslocamento num ângulo e apenas mostra os dois períodos escorregando um em relação ao outro.
P5. Dá para listar tudo o que estas figuras omitem?
R. A figura de trilha única não casa a janela de bits com uma posição, a híbrida não interpola a partir do ciclo fino e a vernier não tira um ângulo do deslocamento. A figura de trilha única omite ainda a trilha de sincronismo que o hardware real costuma trazer. O que você vê é o padrão do disco e os sinais que se leem diretamente dele.
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