BR102016024634A2

BR102016024634A2 - Encoder magnético analógico fuzzy

Info

Publication number: BR102016024634A2
Application number: BR102016024634-2A
Authority: BR
Inventors: Noronha Montanari Arthur; De Souza Oliveira Everthon
Original assignee: Centro Federal De Educação Tecnológica De Minas Gerais
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-05-02

Abstract

encoder magnético analógico fuzzy a presente invenção apresenta um novo sensor de posição angular baseado no princípio de funcionamento de um encoder magnético absoluto. encoders magnéticos, tipicamente, utilizando de sensores magnéticos binários para codificar a posição angular de um material magnético fixado à um eixo de rotação. o sinal digital gerado por um encoder magnético requer um software para processamento de dados. a presente invenção, por sua vez, utiliza de um hardware simples de baixo custo para implementar uma técnica de interpolação, baseada em lógica fuzzy, entre os sinais de saída dos sensores magnéticos do encoder, no caso sensores de efeito hall. a técnica de interpolação permite ao novo sistema de medição atender a toda a faixa de medição, inclusive às posições intermediárias à dois sensores, com alta linearidade e precisão. desta forma, o processamento analógico, além de aumentar a resolução de um encoder magnético de características construtivas similares, também dispensa o uso de softwares no encoder, atingindo maior simplicidade de projeto, baixo custo e melhor resposta em frequência. além das melhorias apresentadas em relação a um encoder, a presente invenção é também uma ótima alternativa aos sensores potenciométrico rotacionais para aplicações que exijam sinal analógico, como controle de máquinas pesadas.

Description

(54) Título: ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY (51) Int. Cl.: G01D 5/12; G01B 7/30; G01B 21/22; G01D 1/00; G01P 3/42 (73) Titular(es): CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS, FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE MINAS GERAIS FAPEMIG (72) Inventor(es): ARTHUR NORONHA MONTANARI; EVERTHON DE SOUZA OLIVEIRA (57) Resumo: ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY A presente invenção apresenta um novo sensor de posição angular baseado no princípio de funcionamento de um encoder magnético absoluto. Encoders magnéticos, tipicamente, utilizando de sensores magnéticos binários para codificar a posição angular de um material magnético fixado à um eixo de rotação. O sinal digital gerado por um encoder magnético requer um software para processamento de dados. A presente invenção, por sua vez, utiliza de um hardware simples de baixo custo para implementar uma técnica de interpolação, baseada em lógica fuzzy, entre os sinais de saída dos sensores magnéticos do encoder, no caso sensores de efeito Hall. A técnica de interpolação permite ao novo sistema de medição atender a toda a faixa de medição, inclusive às posições intermediárias à dois sensores, com alta linearidade e precisão. Desta forma, o processamento analógico, além de aumentar a resolução de um encoder magnético de características construtivas similares, também dispensa o uso de softwares no encoder, atingindo maior simplicidade de projeto, baixo custo e melhor resposta em frequência. Além das melhorias apre(...)

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ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY

Campo de aplicação [01] A presente invenção se trata de um sensor de posição angular analógico para aplicações como automação industrial, medição, monitoramento e controle contínuo em malha fechada de máquinas rotativas. A presente invenção é baseada nos princípios de funcionamento de um encoder magnético típico e, por isso, compartilha algumas de suas vantagens para aplicação em campo, como seu tempo de vida e baixa sensibilidade à temperatura, poeira, vibração e umidade. Além disto, a presente invenção preserva as informações normalmente descartadas no processo de digitalização de um encoder magnético típico.

[02] A presente invenção também conta com uma técnica de interpolação, baseada em lógica fuzzy, implementada em um hardware analógico e de baixo custo. A simplicidade de projeto da presente invenção ao dispensar quaisquer implementações em software aliada à alta confiabilidade de um encoder permite que a presente invenção seja uma ótima alternativa aos sensores potenciométrico rotacionais para aplicações que exijam sinal analógico, como controle e monitoramento de máquinas rotativas de alta velocidade.

Estado da técnica [03] No contexto atual, os avanços na área industrial, como o controle e monitoramento de sistemas automatizados, intensificaram a demanda por sensores mais precisos e com melhor resposta em frequência. Entretanto, o alcance de aplicações de um sensor é limitado pelas características de seu hardware, software ou mesmo construtivas, especialmente quando se trata de sensores de posição angular uma vez que envolvem ótima precisão e alta velocidade de operação simultaneamente. Considerando os quatro principais sensores de posição angular no mercado - o sensor potenciométrico rotacional, o RVDT (transformador diferencial

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2/8 variável rotacional), e o encoder magnético e óptico - suas vantagens e desvantagens são bem claras para aplicações industriais.

[04] Apesar do sensor potenciométrico e o RVDT serem ótimas opções para medição e controle analógico e aplicações gerais de baixo custo, são sensores de menor nível de confiança. Além disto, requerem um contato físico com o eixo de rotação que restringe a velocidade do eixo e, portanto, limita seu ponto máximo de operação e compromete sua vida útil. Os encoders ópticos e magnéticos, por sua vez, recebem destaque no mercado por sua alta precisão e confiabilidade combinada ao fato de que apresentam menor interferência no processo de medição, uma vez que não exigem contato físico direto com o eixo de rotação. A resolução digital dos encoders, entretanto, é intrínseca à construção do sensor, uma vez que seu sinal de saída é codificado por meio de seus elementos sensores que reagem com uma mudança de estados binária de acordo com a posição angular do eixo de rotação. Esta quantização de sinal, portanto, representa uma grande perda de informação.

[05] Com base nas informações providas e sendo o encoder o sensor de posição angular com maior confiabilidade e precisão, o investimento em relação ao aumento da resolução de um encoder aumenta proporcionalmente à necessidade dos processos automatizados industriais. Entretanto, em virtude de aspectos construtivos, o tamanho de um encoder magnético é um limitante direto do aumento da resolução: um menor volume construtivo reduz o raio do eixo e, consequentemente, reduz o número de polos magnéticos no disco, limitando sua resolução (LE, H.; HOANG, H.; JEON, J. Efficient method for correction and interpolation signal of magnetic encoders, IEEE International Conference on Industrial Informatics, 2008).

[06] Como alternativa, o uso de técnicas de interpolação em encoders permite ao encoder atingir maiores resoluções sem aumentar a quantidade de sensores ou o número de polos magnéticos do imã. Apesar disso, técnicas de interpolação aumentam a complexidade de processamento e o custo computacional. Encoders ópticos, por exemplo, podem atingir uma resolução 400 vezes melhor se utilizados em conjunto com encoders absolutos do tipo seno/cosseno. O sinal senoidal analógico, entretanto, deve estar em sincronia com o contador incremental, uma vez que uma

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3/8 diferença de fase entre os sinais pode ocasionar um erro de medição (STAEBLER, M. TMS320F240 DSP-Solution for High-Resolution Position with Sin/Cos-Encoders, Tech. Rep., 1998).

[07] De forma generalizada, encoders ópticos atingem resoluções superiores no mercado aos encoders magnéticos. Entretanto, encoders magnéticos são menos susceptíveis à ambientes com poeira, vibração, umidade e temperatura, tornando-os mais eficientes em aplicações em campo. Apesar de menos frequente que o encoder óptico, técnicas de interpolação também são aplicadas à encoders magnéticos (LE, H.; HOANG, H.; JEON, J. - Efficient method for correction and interpolation signal of magnetic encoders, IEEE International Conference on Industrial Informatics, 2008).

[08] Apesar da tendência mundial para sensores com processamento digital, muitas aplicações ainda exigem sinais analógicos, como sistemas de controle contínuo e medições de suas posições em alta frequência.

Breve descrição da invenção [09] A presente invenção se refere a um novo sensor de posição angular, baseado no princípio de funcionamento de um encoder magnético absoluto, que tem por objeto um prático e inovador hardware de processamento analógico capaz de realizar a interpolação entre os sinais de saída dos sensores de efeito Hall de um encoder magnético, garantindo um sistema de medição com um sinal analógico de resolução absoluta e alta linearidade.

[010] Um encoder magnético absoluto típico apresenta uma resolução proporcional ao número de sensores Hall envolvidos no encoder e ao número de polos magnéticos presente no disco. Desta forma, a resolução do sinal de medição está limitada às restrições construtivas. Além disto, o encoder magnético típico exige um software para decodificação e processamento de seu sinal digital.

[011] A presente invenção, por sua vez, aplica uma técnica de interpolação baseada em lógica fuzzy para interpolar os sinais de saída dos sensores de efeito Hall do encoder magnético e, desta forma, apurar com alta precisão as posições angulares

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4/8 intermediárias à cada par de sensores Hall. Desta forma, o sistema de medição projetado atende completamente à faixa de medição projetada (0 a 360°).

[012] A técnica de interpolação fuzzy aplicada é implementada em um hardware analógico. A presente invenção, portanto, dispensa o uso de processamento em software em prol de um processamento em hardware, atingindo maior simplicidade de projeto, menor custo e melhor resposta em frequência para o sinal de medição. A presente invenção recebe destaque ainda por ampliar a resolução de um encoder magnético sem a necessidade aumentar o número de sensores ou de polos magnéticos do sistema.

Breve descrição das figuras [013] A seguir, para melhor entendimento e compreensão de como se constitui o “ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY”, que aqui se pleiteia, apresentam-se os desenhos ilustrativos em anexo, onde se vê:

[014] A Figura 1 é um diagrama esquemático de posicionamento dos sensores de efeito Hall utilizado na presente invenção.

[015] A Figura 2 é a curva estática esperada do sensor de efeito Hall para uso na presente invenção [016] A Figura 3 é o hardware analógico desenvolvido para implementação da técnica de interpolação fuzzy.

[017] A Figura 4 é a interface eletrônica utilizada para implementação do hardware analógico da Figura 3.

[018] A Figura 5 reúne as equações necessárias para projeto dos resistores do hardware analógico da Figura 3.

Descrição detalhada da invenção [019] A Figura 1 apresenta um diagrama esquemático com as posições angulares em que se encontram os sensores de efeito Hall: 0° (1), 90° (2), 180° (3) e 270° (4). A Figura 1 também demonstra um imã bipolar (5) posicionado no eixo de rotação do encoder magnético. A faixa de medição da presente invenção é de 360°.

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5/8 [020] A Figura 2 apresenta a curva estática esperada dos sensores de efeito Hall linear posicionados na Figura 1. O sinal de saída v_hall-i de cada sensor de efeito Hall deve ser proporcional ao campo magnético do imã bipolar (5) presente no eixo e, consequentemente, à sua posição angular θ no eixo de rotação. Sendo o índice i para identificação dos sensores, variando de 1 a n. Modelando a curva estática do sensor Hall na Figura 2 como uma função gaussiana, tem-se que: a média μ<> (6) da curva estática deve ser igual à posição angular em que seu respectivo sensor se encontra; e o desvio padrão σ (7) da curva estática deve ser maior ou igual à metade da distância angular entre dois sensores Hall - para que haja interpolação. No caso do diagrama esquemático da Figura 1, o desvio padrão σ deve ser maior ou igual a 45°.

[021] A técnica de interpolação implementada no hardware da Figura 3 baseia-se no procedimento de inferência fuzzy do Método de Takagi-Sugeno explicitado na Equação (8), sendo v_out o sinal de saída da presente invenção, v_Hall-i os sinais de saída dos sensores Hall (1 a 4) e zi o consequente de regra do sistema fuzzy. O numerador da Equação (8) é implementado por um circuito amplificador somador (9) com os ganhos resistivos definidos pela variável z_i,. O consequente de regra z_i deve ser igual ou diretamente proporcional à posição angular em que se encontra o sensor de mesmo índice. O denominador da Equação (8) é implementado por um circuito amplificador somador (10) de ganho unitário. A operação divisão da Equação (8) é efetuada por um circuito divisor analógico (11) conectado às saídas dos amplificadores operacionais (9) e (10). Circuitos divisores analógicos podem ser desenvolvidos utilizando circuitos multiplicadores de 2 ou 4 quadrantes ou circuitos log-antilog.

[022] Conforme evidenciado na Figura 3, as entradas do hardware são os próprios sinais de saída vhall-i dos quatro sensores de efeito Hall. Como é observado na Equação (8), o sinal de saída do encoder magnético analógico fuzzy é dado pelo somatório dos sinais de saída dos sensores Hall multiplicados por seus respectivos ganhos (ou consequentes de regra) dividido pelo somatório dos sinais de saída dos sensores Hall. Desta forma, como evidenciado na Figura 3, o circuito amplificador somador do denominador (10) apresenta ganho unitário e possui como entradas apenas os quatro sinais de saída dos sensores Hall (12).

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6/8 [023] O circuito amplificador somador que gera o sinal do dividendo (9), por sua vez, apresenta uma peculiaridade. A interpolação entre as curvas estáticas dos sensores deve ser dada pelas curvas centradas em 0°, 90°, 180°, 270° e 360°. Entretanto, a posição 0° e 360° ocupam o mesmo espaço e, portanto, são provenientes do mesmo sensor (1). Além disto, para que no intervalo angular entre 0° e 90° ocorra a mesma interpolação que nos demais intervalos, é necessária uma curva estática centrada em 90°, ângulo ocupado pelo sensor posicionado em 270° (4). De forma análoga, o intervalo entre 270° e 360° exige uma curva em 450°, ângulo ocupado pelo sensor posicionado em 90° (2).

[024] Conforme citado, o consequente de regra z_i deve ser igual ou proporcional à posição angular de seu sensor. Logo, os sensores (1), (2), (3) e (4) estão associados respectivamente aos consequentes de regra: zi=0, z₂=90, zi=180, e zi=270. Entretanto, para que a interpolação presente na Figura 5 ocorra, os sensores (1), (2) e (4) devem estar associados também às posições zi=360, z2=450, e zi=-90.

[025] O consequente de regra ao qual o sinal de saída do sensor Hall estará associado dependerá do quadrante angular em que o imã se encontra, conforme a seguinte base de regras:

[026] 1) Se 0° < θ < 90°, então Z1=0, z2=90, zs=180, e z4=-90.

[027] 2) Se 90° < θ < 270°, então z₁=0, z₂=90, z₃=180, e z₄=270.

[028] 3) Se 270° < θ < 360°, então Z1=360, z2=450, z3=180, e z4=270.

[029] O quadrante em que o imã se encontra, por sua vez, está associado ao sinal de saída dos sensores Hall, conforme a seguinte base de regras:

[030] 4) Se 0° < θ < 90°, então Vhall-2 > vhall-3.

[031] 5) Se 270° < θ < 360°, então v_hall-2 < v_hall-3.

[032] Substituindo as regras 4 e 5 nas regras 1 e 3, respectivamente:

[033] 6) Se vhall-2 > vhall-3, então z1=0, z2=90, e z4=-90.

[034] 7) Se vhall-2 < vhall-3, então z1=360, z2=450, e z4=270.

[035] Sendo z₃=180 independentemente da posição angular θ do imã.

[036] As regras 6 e 7 podem ser implementadas por meio da configuração apresentada na Figura 4. A interface eletrônica baseia-se na operação do transistor

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7/8 (13) como chave eletrônica e do uso do amplificador operacional como comparador de sinais (14). Se v₁ < v₂, o amplificador operacional (14) satura positivamente, polarizando a base do transistor (13) e, consequentemente, conduzindo corrente elétrica. Se v1 > v2, o amplificador operacional (14) satura em zero, forçando o transistor (13) a operar em corte e, consequentemente, impedindo a passagem de corrente elétrica.

[037] Com base na Figura 4 e nas regras 6 e 7, a Figura 3 apresenta o hardware analógico implementado para processamento e interpolação dos sinais dos sensores Hall. As relações entre os ganhos resistivos e os consequentes de regra zi estão explicitadas na Figura 5. O resistor R(-90) está conectado a um circuito amplificador inversor (15) uma vez que seu consequente de regra z₄ assume um valor negativo (z₄=90) quando v_hall-2 > v_hall-3 apontado pelo amplificador comparador (14). A relação R/R(0) deve ser proporcional ou igual a zero, logo R(0) é uma impedância infinita, ou seja, um circuito aberto.

[038] Tratou-se, portanto, no presente relatório descritivo de uma nova concepção envolvendo um encoder magnético. Por meio de uma implementação em hardware analógico inovadora e simples, a presente invenção destaca-se em relação aos demais sensores de posição angular. Aumento de resolução do sistema, melhor resposta em frequência, simplicidade de projeto, hardware de baixo custo e processamento analógico são as principais vantagens obtidas pela presente invenção em função de sua técnica de interpolação e de seu hardware. Além disto, a presente invenção mantém as principais vantagens de um encoder magnético típico, como sua alta confiabilidade e precisão e baixa susceptibilidade a ruídos, vibrações, poeira e umidade. Além disto, a presente invenção dispensa qualquer interface de processamento computacional, reduzindo drasticamente o custo final do projeto e aumentando sua simplicidade, tornando-o uma ótima alternativa de mercado para aplicações de baixo custo.

[039] Pelas vantagens que o método de projeto oferece ao desenvolvimento de sistemas de medição multisensor, e ainda, por revestir-se de características verdadeiramente inovadoras acerca da implementação de uma estrutura lógica fuzzy

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8/8 em um sistema de medição, o presente “ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY” reúne condições necessárias para merecer a patente de invenção.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY, caracterizado por: i) apresentar quatro sensores magnéticos posicionados em quadratura (1,2,3,4), isto é, defasados entre si em 90°; ii) compreender um hardware de processamento analógico para interpolação entre os sinais de saída dos sensores magnéticos; iii) apresentar um sinal de medição (sinal de saída) analógico e linear; iv) apresentar uma faixa de medição de 0 a 360° multivolta;
2. ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY, de acordo com a reinvindicação 1, caracterizado por utilizar sensores magnéticos (1,2,3,4,) que apresentam um sinal de saída de tensão ou corrente elétrica proporcional à densidade de campo magnético em sua superfície, como os sensores de efeito hall ou sensores magnetorresistivos;
3. ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY, de acordo com a reinvindicação 1, caracterizado por utilizar um hardware cujo sinal de saída é de natureza analógica e contínua;
4. ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY, de acordo com as reinvindicações 1 a 3, caracterizado por um hardware analógico que: i) utiliza como entradas do circuito (12) apenas os sinais de saída dos sensores magnéticos; ii) implementa analogicamente as operações matemáticas estabelecidas pelo método de inferência fuzzy de Takagi-Sugeno (8);
5. ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY, de acordo com as reinvindicações 1 e 4, caracterizado por um hardware analógico que compreende dois circuitos amplificadores somador (9,10), um circuito amplificador inversor (15), dois amplificadores comparadores (14) anexados a transistores bipolares de junção (13), e um circuito divisor analógico (11);

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6. ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY, de acordo com as reivindicações 1, 5 e 6, caracterizado por utilizar uma configuração de amplificador somador cujos ganhos são estabelecidos pelas relações de proporcionalidade de seus consequentes de regra (16);
7. ENCODER MAGNÉTICO ANALÓGICO FUZZY, de acordo com as reinvindicações 1, 5 e 6, caracterizado por utilizar circuito analógico divisor que realize a operação matemática de divisão entre dois sinais analógicos por meio de um processamento completamente analógico.

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FIGURAS