¿Qué es un codificador rotatorio? Tipos, funcionamiento y aplicaciones

La precisión es ahora una necesidad esencial en el mundo de la ingeniería actual, donde nada es un lujo. En la automatización industrial, la electrónica de consumo y todos los demás dispositivos, es posible obtener el control del movimiento, pero debe ser accuarrete. La parte más importante de esta capacidad es un componente electromecánico vital: el codificador rotatorio. Este tutorial presenta el codificador rotatorio en profundidad, explicando su propósito, mecanismos internos, categorías clave, así como el uso fundamental en un ámbito de aplicaciones/sistemas en escenarios de la vida real.

Qué es un codificador rotatorio y por qué es importante

Un codificador rotatorio es un dispositivo electromecánico, o un sensor electromecánico, que mide el ángulo de rotación o el movimiento de un eje giratorio y pone esta información a disposición en una señal eléctrica. Esta señal es de naturaleza analógica o puede ser una señal digital que suministra información procesable sobre la posición angular del equipo acoplado, la dirección de rotación de un eje, la velocidad y la aceleración. Su capacidad operativa es inestimable en muchos mecanismos diversos en los que se requiere una realimentación rotacional precisa en un mecanismo de control de bucle cerrado o un método de medición preciso.

Un codificador rotatorio es básicamente diferente a un potenciómetro, aunque ambos se comparan habitualmente. Un potenciómetro es un simple sensor analógico absoluto, que produce una salida de tensión que aumenta con la posición de un wiper móvil, y que tiene un límite de ángulo de giro inferior a 360A}}$S a unos 270 grados, correspondiendo el cero de la salida a entre 0 y 360 grados (dependiendo del fabricante). Por el contrario, la mayoría de los codificadores rotatorios no tienen contacto o son capaces de un grado de giro teóricamente ilimitado, y las técnicas de detección sin contacto que utilizan evitan el desgaste mecánico inherente al wiper de un potenciómetro. Esto los hace perfectos para su uso en aplicaciones de rotación continua y aumenta considerablemente su vida útil.

Los codificadores rotatorios suministran los datos básicos de millones de procedimientos automatizados. Estos dispositivos, utilizados en control industrial, robótica, mecanizado CNC y otros ámbitos, son vitales para dar a un sistema la sensación de cómo está funcionando, de modo que pueda ajustarse a él y tener una idea de su propio estado. El estudio de su funcionamiento es importante para cualquier ingeniero o técnico que vaya a trabajar en estas áreas.

Cómo funcionan los codificadores rotatorios

En esencia, lo que hace un codificador rotatorio es convertir un giro mecánico en una serie de impulsos eléctricos. Para ello, un codificador rotatorio se sirve de la interacción de un elemento codificado y un elemento sensor.

El elemento más importante es un disco patrón o rueda codificadora que se presiona al eje en cuestión. Este disco tiene un patrón repetible con características particulares que un sensor fijo puede detectar. La aplicación de este principio se diferencia tres tecnologías principales:

• Codificador rotativo óptico: Es el más común de los distintos tipos de codificadores y, en la mayoría de los casos, tiene las resoluciones más altas. La rueda codificadora es un disco transparente con una disposición de líneas o cortes opacos. En su lugar, se utiliza un diodo emisor de luz (LED) que proyecta su haz a través del disco y, posteriormente, un fotodetector registra los impactos en el haz de luz cuando las líneas opacas se mueven a través de la línea de detección; esto produce un impulso.
• Codificadores magnéticos: En este diseño, se utiliza un rotor magnetizado en forma de rueda codificada que tiene una serie de polos norte y sur. Los cambios en los campos magnéticos son detectados por un sensor magnético estacionario de efecto Hall o magnetorresistivo a medida que la rueda gira. Los codificadores magnéticos pueden ser muy resistentes y tener altos niveles de fiabilidad, y no toleran bien factores ambientales como el polvo, la humedad y el aceite, lo que los hace adecuados para aplicaciones industriales sucias.
• Codificadores mecánicos: Es el más barato y fácil de utilizar. Un patrón de trazas conductoras en un disco hace contacto físico con un conjunto estacionario de escobillas. Un cambio en los patrones a medida que el eje gira interpensa y rompe los circuitos para desarrollar una señal. Su principal desventaja es el desgaste mecánico, la corta vida útil y el rebote de los contactos, que hace necesario el desbarbado de la señal.

La mayor innovación de la mayoría de los codificadores incrementales es que emplean señales en cuadratura y de ahí el nombre de codificador en cuadratura. Generan dos trenes de impulsos distintos (uno se denomina fase A y el otro fase B), que están desfasados 90 grados. Comparando qué fase de la señal va por delante de la otra, es posible saber con certeza el sentido de giro. Cuando A adelanta a B, la rotación en el plano es en el sentido de las agujas del reloj; cuando B adelanta a A, es en el sentido contrario. Además, se puede medir la frecuencia de estos impulsos para obtener la velocidad del eje.

Cuanto más preciso es un encóder, mayor es su resolución, que se expresa en impulsos por revolución (PPR) o cuentas por revolución (CPR). Un encóder de 1000 PPR emitirá 1000 impulsos por rotación de 360 grados en sus canales A y B. Los encóderes multicanal también incluyen un tercer canal, la señal Z o señal de índice, que emite un único impulso en cada revolución. Esto será de gran utilidad en el caso de secuencias de referencia y calibración de posición.

Principales tipos de codificadores y sus principales diferencias

Aunque los encóderes tienen otras formas d wildyne en función del modo en que detectan, su categorización más importante es por el modo de salida. La decisión de utilizar un encóder de base incremental o un encóder de base absoluta es una decisión de diseño importante en el sistema y depende del requisito de posición y del coste de la aplicación en cuestión.

Codificador rotatorio incremental: Un codificador rotatorio incremental es un codificador que tiene un flujo de salida de impulsos que indican el movimiento relativo. No proyecta el estado posicional real del eje, sino que se mueve y en qué dirección. El controlador del sistema tendrá que registrar estos impulsos con respecto a un punto de partida conocido. Este punto de partida debe ser localizado, normalmente mediante una rutina de localización en la señal Z. El primer punto fuerte de los encóderes incrementales es que son sencillos y baratos. Sin embargo, su principal desventaja es que, en caso de pérdida de alimentación, se borra toda la información sobre las posiciones. Una vez restablecida la alimentación, el sistema debe volver a conectarse para recuperar la posición.

Codificador rotativo absoluto: El codificador rotatorio absoluto, en cambio, tiene una señal diferente - una palabra digital, o código, para cada posición del eje. En un codificador absoluto, la rueda codificadora es más compleja en el sentido de que cada posición está codificada a un conjunto particular del código binario. Esto implica que cuando el sistema ha perdido potencia, pero más tarde la ha recuperado, el codificador proporcionará la posición real justo cuando se le suministre potencia. Esto elimina el requisito de una secuencia de búsqueda y no pierde los datos de posicionamiento durante un ciclo de alimentación, necesario en la mayoría de las aplicaciones críticas de seguridad y alta posición. Los encóderes absolutos se dividen a su vez en:

• Un solo giro: Proporciona la posición absoluta dentro de una revolución de 360 grados.
• Multivuelta: Incluye un mecanismo de engranaje adicional para contar también el número de revoluciones completas, lo que proporciona un código único en una amplia gama de movimientos.

Como es lógico, la complejidad y capacidad añadidas de los encóderes absolutos los hacen más caros que sus homólogos incrementales.

Salidas de señales y descodificación de codificadores rotatorios

La salida de onda cuadrada derivada de un codificador debe descodificarse correctamente en el controlador receptor (normalmente un PLC, un microcontrolador o un variador). La correcta clasificación de los distintos tipos de señales de salida es muy importante para garantizar la compatibilidad del hardware y la integridad de la señal.

La señal dominante producida es la señal de cuadratura (fases A/B), como se ha explicado en los párrafos anteriores. Sin embargo, el circuito excitador de salida determina las propiedades eléctricas de la forma en que se excitan dichas señales. Ejemplos típicos son:

• Push-Pull (HTL - High-Threshold Logic): Una salida general y popular. Oscila positivamente la señal alta (a la tensión de alimentación) y baja (a tierra) para producir una señal fuerte inmune al ruido. Es de uso común en los sistemas industriales de 24 V.
• TTL (Lógica de transistores): Este controlador proporciona una salida cuadrada de 5 V y está orientado a longitudes de cable mayores gracias a su salida A y A-not, B y B-not, Z y Z-not, que es un controlador de línea diferencial. Las señales diferenciales proporcionan un excelente rechazo del ruido en modo común.
• Colector abierto (NPN/PNP): Uno de los tipos de salida es el colector abierto (NPN/PNP), que se utiliza como un interruptor. Es capaz de conducir la línea de señal a tierra (NPN) o a la tensión de alimentación (PNP), pero no conducir activamente en la otra dirección. Esto requiere una resistencia pull-up o pull-down externa en el extremo del controlador, que suele estar conectada a una patilla común como VCC o la masa y se utiliza para establecer un estado lógico definido. Este esquema de interconexión es beneficioso entre sistemas de voltajes lógicos variables.

El proceso de descifrado de las señales A / B es lógico. El controlador sigue comprobando cuál de los dos canales está disponible. El canal opuesto o el mismo hace que se realice una comprobación para averiguar la dirección. En caso de que el estado del canal A se cambie sólo ahora, el controlador examina el estado actual del canal B. Cuando B difiere con el estado anterior de A, el sentido sería el de las agujas del reloj, y la misma situación se da a la inversa (cuando el estado anterior de A es similar al de B, el sentido sería el contrario al de las agujas del reloj). La lógica suele aplicarse a contadores de hardware o mediante software con el uso de interrupciones externas para garantizar un control fiable en tiempo real. La cantidad de hilos (por ejemplo, 3 hilos, 5 hilos) que lleva un encóder está relacionada con su tipo de salida (un encóder con una salida de tipo DC debe tener más hilos), su capacidad para utilizar la energía y si el encóder tiene o no una señal Z o salidas diferenciales.

Especificaciones importantes al seleccionar un codificador rotatorio

Para determinar el tipo de encóder que se va a utilizar, es necesario realizar un análisis exhaustivo para definir las necesidades de la aplicación. Hasta llegar a la decisión incremental (frente a la absoluta), hay algunas especificaciones importantes que hay que tener en cuenta:

• Resolución (PPR/CPR): Se trata del recuento de impulsos o el recuento de revoluciones. Una mayor resolución permite una mayor precisión de las mediciones, pero requiere el uso de un controlador que pueda enviar y recibir a la mayor velocidad de datos. Tiene que acoplarse a la precisión de posicionamiento necesaria del sistema.
• Precisión: No debe confundirse con la precisión. La precisión es el mayor error entre la posición indicada por el encóder y la posición física real. Se suele medir en minutos o segundos de arco.
• Salida Tipo: El tipo de salida Push-Pull, TTL, o Open Collector seleccionada debe ser compatible con el circuito de entrada del controlador como se ha descrito anteriormente.
• Especificaciones mecánicas: Esto (incluido con el diámetro del eje y el patrón de montaje (por ejemplo, montaje de brida, montaje de servo) y el tamaño físico de un cuerpo de codificador). Debe encajar físicamente en el diseño de la máquina.
• Medio ambiente Clasificación (IP): La clasificación IP (Ingress Protection) es una definición del encóder que determina su resistencia al polvo y a los líquidos. Puede estar clasificado con un nivel de IP65, por lo que es estanco al polvo y a prueba de chorros de agua, de modo que es aplicable en la mayoría de los entornos industriales. Clasificaciones de vibración y choque: también son esenciales para la maquinaria sometida a grandes esfuerzos mecánicos.

Un aficionado con una impresora 3D de sobremesa podría renunciar al elevado coste y utilizar un encóder incremental mecánico más sencillo o uno óptico de baja resolución. Por el contrario, un ingeniero de diseño que desarrolle un brazo robótico para construirlo en una línea de fabricación tiene que centrarse en el posicionamiento absoluto, la alta precisión y una clasificación IP suficientemente alta, por lo que se inclinará por un encóder absoluto magnético u óptico de altas especificaciones.

Aplicaciones reales en sistemas industriales y de consumo

Los codificadores rotatorios tienen aplicaciones muy diversas y numerosas en función de las distintas aplicaciones y casi todos los campos comerciales de la tecnología.

• Automatización industrial: Los encóderes son la clave de la retroalimentación del motor. Pueden montarse en la parte trasera del eje de impacto de un servomotor, un motor paso a paso o un motor de CC para transmitir información de velocidad y posición al accionamiento y ofrecer un mayor control de cintas transportadoras, máquinas de envasado y líneas colectivas automatizadas.
• Sistemas robóticos: Los brazos robóticos multieje utilizan encóderes absolutos a lo largo de cada articulación para medir con precisión tanto el ángulo como la posición de cada segmento. Esta información es importante para conocer la ubicación del efector final del robot y que el controlador realice los movimientos correctos.
• CNC e impresión 3D: Impresión 3D En las herramientas de control numérico por ordenador (CNC) y las impresoras 3D, los codificadores se montan en los servomotores que accionan los husillos de bolas y los pórticos. Garantizan que el cabezal de la herramienta o la boquilla de impresión funcionen con una precisión de micras.
• Automóvil: En los automóviles actuales, los codificadores se pueden encontrar en aplicaciones como la detección del ángulo del volante en los sistemas electrónicos de control de estabilidad hasta en los mandos de respuesta táctil de un sistema de infoentretenimiento.
• Electrónica de consumo: Un codificador incremental de bajo coste puede encontrarse en la rueda de desplazamiento de un ratón de ordenador a menor escala. Los codificadores también pueden utilizarse para dar un giro suave y continuo a los botones de volumen de equipos de audio de alta categoría con precisión digital.

Cómo conectar codificadores rotatorios a microcontroladores

Una de las tareas de ingeniería más típicas es cómo interconectar este tipo de sensor de posición con algo que pueda interpretarlo, un controlador como Arduino, Raspberry Pi o un controlador lógico programable (PLC). Se consigue mediante los contactos eléctricos adecuados y una rutina de programa para leer las señales.

En primer lugar, asegúrese de los niveles de tensión. Un codificador industrial HTL de 24 V necesita una interfaz de 5 V En las salidas de colector abierto, se deben proporcionar resistencias externas para tirar hacia arriba para proporcionar un nivel alto sólido en las zonas en las que la salida no está conduciendo.

Las interrupciones de hardware proporcionan el enfoque más sólido basado en software para leer un codificador. Los pines del microcontrolador a los que están conectadas las salidas de los canales A y B son capaces de interrumpir. Cada flanco ascendente y descendente de las señales activa una rutina de servicio de interrupción (ISR). La rutina del sistema de inventario (ISR) Dentro de la ISR, la lógica de descodificación decide la dirección y aumenta o disminuye una variable del contador de posición. Esta técnica es considerablemente mejor que el llamado polling (comprobar repetidamente el estado de un pin durante un bucle), que sí podría perder un pulso, incluso cuando el programa principal está ocupado en otra parte.

Las trampas típicas son un cableado incorrecto (mezcla de canales A / B o alimentación en caliente/neutro) y no tener en cuenta el rebote de la señal cuando se utilizan codificadores mecánicos. Condensador menor en el hardware o escucha durante unos milisegundos y cambia un estado en el software respondiendo a un algoritmo de “rebote” El rebote también puede ser contrarrestado por una impedancia relativamente alta a una línea de señal común entre varios dispositivos. Es muy importante seguir el método definido de cableado, codificación y prueba.

Por qué OMCH es su fabricante de codificadores de confianza

El primer paso es estudiar la teoría y el uso de los codificadores rotatorios. El segundo, pero no menos importante, es buscar un dispositivo que ofrezca la fiabilidad y el rendimiento que su sistema necesita.

OMCH es un fabricante profesional con más de 10 años de experiencia en productos eléctricos y de control industrial. Tenemos un historial de entrega de componentes de alto rendimiento que son eficaces y fiables en áreas de uso extremo.

Nuestra línea de codificadores rotatorios está diseñada para satisfacer los rigurosos requisitos de los modernos sistemas de automatización y control. Ofrecemos:

• Alta resolución y modelos de alta precisión: Garantizamos que su sistema alcance la precisión para la que fue diseñado.
• Diversas salidas de señal: Nuestros productos cubren todos los tipos de salida principales, incluidos Push-Pull (HTL), TTL Line Driver y Open Collector, para una integración perfecta con su PLC o hardware de control existente.
• Durabilidad de grado industrial: Con altos grados de protección IP y una construcción robusta, nuestros encóderes están fabricados para soportar las vibraciones, los contaminantes y las fluctuaciones de temperatura de la planta de producción.

Ya se trate de una máquina CNC avanzada, de robótica o de complicados procesos de automatización industrial, la información que ofrecemos es fiable independientemente del propósito de la aplicación. Respaldamos nuestro hardware con un servicio profesional para ayudarle a tomar la decisión correcta en codificadores en su asignación.

Obtenga más información sobre nuestra selección de codificadores profesionales de alta calidad y sobre cómo podemos mejorar el rendimiento de su sistema en https://www.omch.com. Nos ponemos a su disposición para ofrecerle servicios gratuitos de consultoría de selección y pruebas (muestras).