Selección del codificador: encontrar el ajuste adecuado

Kyle Coiner, especialista en automatización, Motion

Los codificadores son una categoría de productos diversa que se utiliza en aplicaciones que requieren retroalimentación de posición y/o velocidad. La mayoría de las aplicaciones pueden satisfacerse mediante algunos criterios de selección clave, como el rango de medición, la resolución y los requisitos de montaje.

Para aplicaciones más desafiantes, se encuentran disponibles muchas tecnologías de codificadores especializados. Si su proyecto de diseño requiere un codificador, deberá elegir uno que satisfaga sus necesidades específicas. A continuación se presentan algunas consideraciones clave a tener en cuenta para garantizar la selección correcta del codificador.

La retroalimentación incremental versus absoluta es el primer criterio que se debe abordar al seleccionar un codificador rotatorio. Los codificadores incrementales producen una señal pulsada a medida que cambia su posición, lo que da como resultado una retroalimentación rápida y precisa. Los codificadores absolutos se utilizan para producir una señal de posición única que describe la ubicación específica de un sistema dentro de su rango de movimiento.

Para sistemas donde solo es necesaria la retroalimentación de velocidad, los codificadores incrementales son la opción fácil ya que son menos costosos, tienen una selección más amplia de diseños y son más simples de implementar. Cuando es necesaria la retroalimentación de la posición, se requiere una mirada más profunda a los pros y los contras de las tecnologías incrementales frente a las absolutas.

Hay cinco características clave que diferencian las tecnologías incrementales y absolutas que se deben considerar, incluido el alcance, la resolución, la calibración, la disponibilidad, la intercambiabilidad y el costo.

Rango: Los codificadores incrementales pueden medir rangos de movimiento prácticamente infinitos a medida que pulsan por un cambio de posición fijo; el conteo máximo de pulsos no lo dicta el codificador sino el controlador que realiza el conteo. Los codificadores absolutos tienen un rango de salida fijo; cuando se exceden, “se desplazan” hasta el inicio de un nuevo nivel de señal. Los codificadores de una sola vuelta actualizan su salida con cada revolución, y los codificadores de varias vueltas almacenan un recuento de revoluciones e incluyen estos datos además de los datos de una sola vuelta. Algunos codificadores absolutos requieren una batería para almacenar estos datos multivuelta durante una pérdida de energía. Sin embargo, las opciones sin batería dependen de conjuntos de engranajes de múltiples etapas, cada uno con sus propias pistas de retroalimentación para retener datos de múltiples vueltas.

Resolución: Los codificadores incrementales vienen en una variedad de opciones de pulso por revolución (PPR), con opciones comunes que van desde un solo PPR (resolución gruesa) hasta más de 16 000 ppr (fina). Uno de los PPR más comunes utilizados en aplicaciones industriales sería un codificador de cuadratura de 1024 ppr (10 bits) (es decir, dos pistas de pulso, A y B), que proporciona una precisión aproximada de +/- 0,1 grados. Los codificadores absolutos suelen venir con resoluciones de una sola vuelta superiores a las que se ven en los codificadores incrementales. Las resoluciones comunes están en el rango de 13+ bits, a menudo hasta 20 o 24 bits. Esto brinda la capacidad de medir cambios de posición de menos de 0,0001 grados.

Calibración: Los codificadores incrementales solo pueden proporcionar pulsos, por lo que corresponde al controlador conectado interpretar dónde existe un sistema dentro de un rango de movimiento. Un sistema que depende de un codificador incremental debe tener algún método de referencia o calibración, donde el sistema avanzará a una ubicación conocida antes de que pueda "poner a cero" sus datos de posición y continuar con el funcionamiento normal. Esta rutina puede ser inaceptablemente larga para sistemas con un gran rango de movimiento junto con cámara lenta (por ejemplo, una antena parabólica grande que puede tardar horas en llegar a casa). Los codificadores absolutos emitirán una señal única en cualquier lugar dentro del rango de movimiento de un sistema. Aún será necesario hacer referencia a esta señal desde una ubicación mecánica; sin embargo, esto generalmente se hace solo una vez durante la construcción del sistema, o más tarde si se reemplazan algunos mecanismos y es necesaria una nueva calibración.

Disponibilidad e intercambiabilidad: Los codificadores incrementales son el estilo de codificador más común que se encuentra en el mercado industrial, con muchas marcas para elegir y una gran variedad de formas, tamaños y estilos de montaje. Si una marca o modelo específico deja de estar disponible, normalmente son fácilmente intercambiables por otro. Los codificadores incrementales con clasificaciones ambientales especiales también son más fáciles de encontrar que los codificadores absolutos con clasificaciones similares. Los codificadores absolutos tienden a ser altamente especializados y diseñados para aplicaciones específicas. Se pueden seleccionar muchas combinaciones de tipos de señales, protocolos de comunicación y resoluciones de una y varias vueltas. Los proveedores a menudo tienen pares limitados para seleccionar, lo que hace imposible encontrar intercambios sin una reingeniería significativa por parte del integrador del sistema.

Costo: Los codificadores incrementales suelen ser menos costosos de usar en aplicaciones simples; sin embargo, es importante considerar el costo total de implementación al decidir sobre una tecnología. Si es necesaria una rutina de búsqueda, el tiempo que lleva diseñar e implementar estas rutinas puede resultar costoso. También están los costes de los sensores de límite, que pueden resultar caros. Otro costo que a menudo se pasa por alto es el tiempo necesario para realizar la rutina de retorno si le quita tiempo a la producción que genera ingresos. Los codificadores absolutos tienden a ser más caros ya que normalmente tienen componentes más complejos y circuitos integrados para manejar una mayor resolución, almacenamiento de datos de posición y procesamiento de protocolos de señalización. Es importante señalar que el aumento del costo de los componentes puede compensarse con los beneficios discutidos anteriormente.

La consideración de selección de codificadores para su aplicación requiere una comprensión profunda de las tecnologías de codificadores más comunes. Estas tecnologías tienen sus propias fortalezas y debilidades (Figura 1).

Codificadores ópticos: Hay disponibles múltiples categorías de codificadores ópticos, con opciones tanto incrementales como absolutas. Sin embargo, tienden a compartir algunas características clave. Miden los cambios de posición detectando la existencia y ausencia de luz de un emisor (normalmente un LED o láser) tal como se ve refractada o reflejada en un disco giratorio con un patrón predefinido de líneas reflectantes o transparentes. Puede haber múltiples pistas de patrón, cada una con su propio sensor (como con un codificador de cuadratura incremental que tendrá pistas A y B) que están desfasadas entre sí por medio pulso, creando cuatro veces la resolución y permitiendo la interpretación de la dirección a partir de la retroalimentación.

Para opciones absolutas, se puede hacer referencia a una pista única con un patrón no repetitivo desde una tabla de búsqueda para determinar dónde se encuentra el eje dentro de una revolución. Una vez que se completa la búsqueda inicial después del encendido, el codificador comúnmente usa las pistas incrementales para mantener velocidades de actualización más rápidas. Tenga en cuenta que la posición absoluta sólo está disponible una vez que ha comenzado el movimiento, por lo que comúnmente se las denomina pseudoabsolutas.

Fortalezas:Bajo costo, alta resolución, tamaños pequeños.

Debilidades:Vulnerabilidad a la contaminación, vibración y condensación.

Codificadores magnéticos: Los codificadores magnéticos funcionan a través de un sensor o sensores, como el tipo de efecto Hall que pasa sobre una serie de imanes colocados a lo largo de un disco. Estos pueden tener variedades incrementales y absolutas. Los sensores detectan la intensidad del campo magnético oscilante y lo interpretan en cambios de posición. Al implementar múltiples pistas o patrones magnéticos "codificados", la posición absoluta se puede determinar mediante la combinación de señales del sensor leídas. Como el campo magnético se puede leer sin movimiento, estos pueden ser verdaderamente absolutos sin necesidad de movimiento antes de informar la posición del eje.

Fortalezas:Bajo costo, inmunidad a contaminantes no metálicos, tamaños pequeños disponibles.

Debilidades:Baja resolución, inmunidad magnética débil, variación de temperatura que distorsiona las mediciones.

Resolutores: Los resolutores son una tecnología de retroalimentación rotativa basada en un campo magnético inducido generado por una corriente alterna en un conductor. Luego, el conductor crea corrientes alternas de intensidad variable en los devanados del conductor secundario que se pueden medir para interpretar la posición del rotor. Son naturalmente dispositivos de retroalimentación absoluta; sin embargo, es importante tener en cuenta que son dispositivos analógicos, por lo que su precisión dependerá del circuito amplificador analógico al que estén conectados.

Fortalezas:Robusto, fiable y sin componentes electrónicos integrados.

Debilidades:Voluminoso, caro y más complicado de interactuar.

Codificadores inductivos: Los codificadores inductivos funcionan como resolutores, excepto que se utilizan placas de circuito impreso (PCB) en lugar de devanados de bobina para generar y medir las corrientes inducidas. Los PCB ahorran espacio y permiten una mayor flexibilidad en forma y diseño. Debido a los circuitos impresos, puede haber varias pistas con diferentes recuentos de devanados por pista en un espacio pequeño. Dado que las pistas tienen diferentes recuentos de devanados sin un denominador común, cada posición dentro de una sola rotación tendrá una señal de salida única.

Fortalezas:Pequeños y grandes tamaños con geometrías especiales, robustos, fiables.

Debilidades:El montaje requiere una alineación precisa y más ingeniería para seleccionar e implementar.

Los codificadores rotatorios son una amplia categoría de productos con tecnologías innovadoras que se introducen periódicamente para satisfacer las necesidades cada vez mayores de la automatización. Una comprensión fundamental de las diferentes tecnologías disponibles ayudará a encontrar el producto correcto para cualquier aplicación, garantizando la confiabilidad sin salirse de las limitaciones presupuestarias del proyecto.

Si tiene una aplicación con requisitos especiales de codificador que abordar, comuníquese con su ingeniero interno o con un especialista en automatización externo para obtener ayuda para encontrar e implementar las mejores soluciones.

Este artículo fue escrito por Kyle Coiner, especialista en automatización de Motion (Birmingham, AL). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2022 de la revista Motion Design.

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