Un codificador rotatorio , también llamado codificador de eje , es un dispositivo electromecánico que convierte la posición angular o el movimiento de un eje o eje en señales de salida analógicas o digitales . [1]
Hay dos tipos principales de codificadores rotatorios: absolutos e incrementales. La salida de un codificador absoluto indica la posición actual del eje, lo que lo convierte en un transductor de ángulo . La salida de un codificador incremental proporciona información sobre el movimiento del eje, que normalmente se procesa en otro lugar en información como posición, velocidad y distancia.
Los codificadores rotatorios se utilizan en una amplia gama de aplicaciones que requieren monitoreo o control, o ambos, de sistemas mecánicos, incluidos controles industriales, robótica , lentes fotográficas , [2] dispositivos de entrada de computadora como ratones y trackballs optomecánicos, reómetros de tensión controlada y Plataformas de radar giratorias .
Un codificador absoluto mantiene la información de posición cuando se corta la energía del codificador. [5] La posición del codificador está disponible inmediatamente al aplicar energía. La relación entre el valor del codificador y la posición física de la maquinaria controlada se establece en el momento del montaje; el sistema no necesita regresar a un punto de calibración para mantener la precisión de la posición.
Un codificador absoluto tiene múltiples anillos de código con varias ponderaciones binarias que proporcionan una palabra de datos que representa la posición absoluta del codificador dentro de una revolución. Este tipo de codificador a menudo se denomina codificador absoluto paralelo. [6]
Un codificador rotatorio absoluto multivuelta incluye ruedas codificadas y ruedas dentadas adicionales. Una rueda de alta resolución mide la rotación fraccionada y las ruedas codificadas con engranajes de menor resolución registran el número de revoluciones completas del eje. [7]
Un codificador incremental informará inmediatamente los cambios de posición, lo cual es una capacidad esencial en algunas aplicaciones. Sin embargo, no informa ni realiza un seguimiento de la posición absoluta. Como resultado, es posible que el sistema mecánico monitoreado por un codificador incremental deba volver a su origen (moverlo a un punto de referencia fijo) para inicializar las mediciones de posición absoluta.
Los codificadores absolutos digitales producen un código digital único para cada ángulo distinto del eje. Los hay de dos tipos básicos: ópticos y mecánicos.
Un disco metálico que contiene un conjunto de anillos concéntricos de aberturas está fijado a un disco aislante, que está fijado rígidamente al eje. Se fija una fila de contactos deslizantes a un objeto estacionario de modo que cada contacto roce contra el disco de metal a una distancia diferente del eje. A medida que el disco gira con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los espacios donde se cortó el metal. La lámina de metal está conectada a una fuente de corriente eléctrica y cada contacto está conectado a un sensor eléctrico independiente. El patrón metálico está diseñado para que cada posible posición del eje cree un código binario único en el que algunos de los contactos están conectados a la fuente de corriente (es decir, encendidos) y otros no (es decir, apagados).
Los contactos tipo escobilla son susceptibles al desgaste y, en consecuencia, los codificadores mecánicos generalmente se encuentran en aplicaciones de baja velocidad, como controles manuales de volumen o sintonización en un receptor de radio.
El disco del codificador óptico está fabricado de vidrio o plástico con zonas transparentes y opacas. Una fuente de luz y un conjunto de fotodetectores leen el patrón óptico que resulta de la posición del disco en cualquier momento. [8] El código Gray se utiliza a menudo. Este código puede ser leído por un dispositivo de control, como un microprocesador o un microcontrolador, para determinar el ángulo del eje.
El tipo analógico absoluto produce un código analógico dual único que se puede traducir a un ángulo absoluto del eje.
El codificador magnético utiliza una serie de polos magnéticos (2 o más) para representar la posición del codificador ante un sensor magnético (normalmente magnetorresistivo o efecto Hall). El sensor magnético lee las posiciones de los polos magnéticos.
Este código puede ser leído por un dispositivo de control, como un microprocesador o un microcontrolador para determinar el ángulo del eje, similar a un codificador óptico.
El tipo analógico absoluto produce un código analógico dual único que se puede traducir a un ángulo absoluto del eje (mediante el uso de un algoritmo especial [ cita necesaria ] ).
Debido a la naturaleza de la grabación de efectos magnéticos, estos codificadores pueden ser óptimos para usar en condiciones donde otros tipos de codificadores pueden fallar debido a la acumulación de polvo o desechos. Los codificadores magnéticos también son relativamente insensibles a vibraciones, desalineaciones menores o golpes.
Los codificadores rotatorios incorporados se utilizan para indicar el ángulo del eje del motor en motores sin escobillas de imán permanente , que se utilizan comúnmente en máquinas CNC , robots y otros equipos industriales. En tales casos, el codificador sirve como un dispositivo de retroalimentación que desempeña un papel vital en el funcionamiento adecuado del equipo. Los motores sin escobillas requieren conmutación electrónica, que a menudo se implementa en parte mediante el uso de imanes de rotor como codificador absoluto de baja resolución (normalmente seis o doce pulsos por revolución). La información del ángulo del eje resultante se transmite al servoaccionamiento para permitirle energizar el devanado del estator adecuado en cualquier momento.
Un disco de forma asimétrica gira dentro del codificador. Este disco cambiará la capacitancia entre dos electrodos que se puede medir y calcular nuevamente a un valor angular. [9]
Un codificador multivuelta puede detectar y almacenar más de una revolución. El término codificador absoluto multivuelta se utiliza generalmente si el codificador detecta movimientos de su eje incluso si no recibe alimentación externa.
Este tipo de codificador utiliza una batería para retener los conteos durante los ciclos de energía. Utiliza un diseño eléctrico que conserva energía para detectar los movimientos.
Estos codificadores utilizan un tren de engranajes para almacenar mecánicamente el número de revoluciones. La posición de las marchas individuales se detecta con una de las tecnologías mencionadas anteriormente. [10]
Estos codificadores utilizan el principio de recolección de energía para generar energía a partir del eje en movimiento. Este principio, introducido en 2007, [11] utiliza un sensor Wiegand para producir electricidad suficiente para alimentar el codificador y escribir el recuento de vueltas en la memoria no volátil. [12]
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A continuación se muestra un ejemplo de código binario, en un codificador extremadamente simplificado con sólo tres contactos.
En general, donde hay n contactos, el número de posiciones distintas del eje es 2 n . En este ejemplo, n es 3, por lo que hay 2³ u 8 posiciones.
En el ejemplo anterior, los contactos producen un conteo binario estándar a medida que gira el disco. Sin embargo, esto tiene el inconveniente de que si el disco se detiene entre dos sectores adyacentes, o los contactos no están perfectamente alineados, puede resultar imposible determinar el ángulo del eje. Para ilustrar este problema, considere lo que sucede cuando el ángulo del eje cambia de 179,9° a 180,1° (del sector 3 al sector 4). En algún instante, según la tabla anterior, el patrón de contacto cambia de apagado-encendido a encendido-apagado. Sin embargo, esto no es lo que sucede en la realidad. En un dispositivo práctico, los contactos nunca están perfectamente alineados, por lo que cada uno conmuta en un momento diferente. Si el contacto 1 cambia primero, seguido del contacto 3 y luego el contacto 2, por ejemplo, la secuencia real de códigos es:
Ahora mira los sectores correspondientes a estos códigos en la tabla. En orden, son 3, 7, 6 y luego 4. Entonces, a partir de la secuencia de códigos producidos, el eje parece haber saltado del sector 3 al sector 7, luego retrocedió al sector 6, luego retrocedió nuevamente al sector 4, que es donde esperábamos encontrarlo. En muchas situaciones, este comportamiento no es deseable y podría provocar que el sistema falle. Por ejemplo, si el codificador se usara en un brazo robótico, el controlador pensaría que el brazo está en la posición incorrecta e intentaría corregir el error girándolo 180°, lo que podría causar daños al brazo.
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Para evitar el problema anterior, se utiliza la codificación Gray . Este es un sistema de conteo binario en el que dos códigos adyacentes cualesquiera difieren solo en una posición de bit. Para el ejemplo de tres contactos dado anteriormente, la versión codificada en Gray sería la siguiente.
En este ejemplo, la transición del sector 3 al sector 4, como todas las demás transiciones, implica que solo uno de los contactos cambie su estado de encendido a apagado o viceversa. Esto significa que la secuencia de códigos incorrectos que se muestra en la ilustración anterior no puede ocurrir.
Si el diseñador mueve un contacto a una posición angular diferente (pero a la misma distancia del eje central), entonces el "patrón de anillo" correspondiente debe girarse en el mismo ángulo para obtener el mismo resultado. Si la broca más importante (el anillo interior en la Figura 1) se gira lo suficiente, coincide exactamente con el siguiente anillo. Dado que ambos anillos son idénticos, se puede omitir el anillo interior y mover el sensor de ese anillo al anillo idéntico restante (pero desplazado en ese ángulo con respecto al otro sensor de ese anillo). Esos dos sensores en un solo anillo forman un codificador de cuadratura con un solo anillo.
Es posible disponer varios sensores alrededor de una única pista (anillo) de modo que las posiciones consecutivas difieran en un solo sensor; el resultado es el codificador de código Gray de una sola pista .
Dependiendo del dispositivo y el fabricante, un codificador absoluto puede utilizar cualquiera de varios tipos de señales y protocolos de comunicación para transmitir datos, incluidas señales binarias paralelas, señales analógicas (corriente o voltaje) y sistemas de bus serie como SSI , BiSS , Heidenhain EnDat, Sick. -Stegmann Hiperface, DeviceNet , Modbus , Profibus , CANopen y EtherCAT , que normalmente emplean capas físicas Ethernet o RS-422/RS-485.
El codificador incremental rotatorio es el más utilizado de todos los codificadores rotatorios debido a su capacidad para proporcionar información de posición en tiempo real. La resolución de medición de un codificador incremental no está limitada de ninguna manera por sus dos sensores de movimiento incrementales internos; Se pueden encontrar en el mercado codificadores incrementales con hasta 10.000 conteos por revolución o más.
Los codificadores incrementales rotativos informan cambios de posición sin que se les solicite y transmiten esta información a velocidades de datos que son órdenes de magnitud más rápidas que las de la mayoría de los tipos de codificadores absolutos de eje. Debido a esto, los codificadores incrementales se usan comúnmente en aplicaciones que requieren una medición precisa de la posición y la velocidad.
Un codificador incremental giratorio puede utilizar sensores mecánicos, ópticos o magnéticos para detectar cambios de posición de rotación. El tipo mecánico se emplea comúnmente como control de "potenciómetro digital" operado manualmente en equipos electrónicos. Por ejemplo, los equipos de sonido modernos para el hogar y el automóvil suelen utilizar codificadores giratorios mecánicos como controles de volumen. Los codificadores con sensores mecánicos requieren un interruptor antirrebote y, en consecuencia, están limitados en las velocidades de rotación que pueden manejar. El tipo óptico se utiliza cuando se encuentran velocidades más altas o se requiere un mayor grado de precisión.
Un codificador incremental giratorio tiene dos señales de salida, A y B, que emiten una forma de onda digital periódica en cuadratura cuando el eje del codificador gira. Esto es similar a los codificadores sinusoidales, que generan formas de onda sinusoidales en cuadratura (es decir, seno y coseno), [13] combinando así las características de un codificador y un resolutor . La frecuencia de la forma de onda indica la velocidad de rotación del eje y el número de pulsos indica la distancia recorrida, mientras que la relación de fase AB indica la dirección de rotación.
Algunos codificadores incrementales rotativos tienen una salida de "índice" adicional (generalmente etiquetada como Z), que emite un pulso cuando el eje pasa por un ángulo particular. Una vez en cada rotación, se afirma la señal Z, normalmente siempre en el mismo ángulo, hasta el siguiente cambio de estado AB. Esto se usa comúnmente en sistemas de radar y otras aplicaciones que requieren una señal de registro cuando el eje del codificador está ubicado en un ángulo de referencia particular.
A diferencia de los codificadores absolutos, un codificador incremental no realiza un seguimiento ni sus salidas indican la posición absoluta del sistema mecánico al que está conectado. En consecuencia, para determinar la posición absoluta en cualquier momento particular, es necesario "rastrear" la posición absoluta con una interfaz de codificador incremental que normalmente incluye un contador electrónico bidireccional.
En los ratones mecánicos de ordenador se utilizan codificadores incrementales económicos . Normalmente, se utilizan dos codificadores: uno para detectar el movimiento de izquierda a derecha y otro para detectar el movimiento de adelante hacia atrás.
Un codificador de pulso giratorio (angular) tiene un interruptor SPDT para cada dirección, y cada uno de ellos solo funciona en la dirección de desplazamiento. Cada sangría de giro en una dirección hace que el interruptor SPDT asociado con esa dirección solo cambie.
Los codificadores rotatorios con una única salida (es decir, tacómetros ) no se pueden utilizar para detectar la dirección del movimiento, pero son adecuados para medir la velocidad y la posición cuando la dirección de desplazamiento es constante. En determinadas aplicaciones, se pueden utilizar para medir la distancia de movimiento (por ejemplo, pies de movimiento).
