La automatización industrial se basa en la precisión, y la decisión de si su sistema gasta su dinero en un encóder absoluto o incremental determina la eficacia de ese gasto. Tanto si está diseñando aplicaciones de control de movimiento complejas como una simple supervisión de la velocidad, es fundamental conocer los tipos específicos de encóderes. Encontrar la mejor opción entre un encóder absoluto y una tecnología incremental a menudo se reduce a equilibrar el coste con razones de seguridad y necesidades de rendimiento.
Esta guía cubre una amplia gama de aplicaciones para ayudarle a decidir qué tipo de encóder debe utilizar en su sistema de control de movimiento.
Codificadores incrementales: Principios y necesidad de localización
Es necesario saber cómo funciona el encóder incremental para conocer la elección que se va a hacer. Es el caballo de batalla de la industria, que se caracteriza por la simplicidad en el hardware.
El proceso se basa en el disco de un codificador incremental, normalmente un disco transparente con un conjunto de líneas u orificios opacos. Una fuente de luz atraviesa estas ranuras a medida que el disco gira, y un fotodetector produce un flujo continuo de impulsos eléctricos. Esta señal de salida suele organizarse en tres canales: Señal A, Señal B y Señal Z (la señal índice).
Estas señales aparecen como ondas cuadradas. La frecuencia de estos impulsos determina la velocidad del sistema, y el número de impulsos está relacionado con la distancia. Comparando la diferencia de fase entre la señal A y la señal B, el sistema determina la dirección del movimiento (por ejemplo, cuando A supera a B, el eje está girando en el sentido de las agujas del reloj). El controlador cuenta estos impulsos para determinar la posición del eje.
Pero la resolución de un codificador incremental conlleva una carga operativa específica: la noción de “homing”.”
Un sistema incremental mide esencialmente la posición relativa. Sólo es consciente de que se ha movido. La memoria volátil que contiene el recuento de impulsos se borra cuando se desconecta la alimentación del sistema. Cuando el controlador se reinicia, lee una posición de cero, sin importar cuál sea la posición real del brazo mecánico o del eje.
Para funcionar, la máquina debe realizar una secuencia de búsqueda para encontrar un punto de referencia. Debe desplazar físicamente el eje hasta que un sensor dispare y establezca una posición de referencia. Esta es la característica que define a los encóderes incrementales.
Codificadores absolutos: Códigos únicos y protocolos de comunicación
El codificador rotatorio absoluto es una solución al problema de la pérdida de posición porque altera el lenguaje de la medición. No emite un flujo de impulsos iguales. En su lugar, asigna un código único a cada posición dentro de su rotación.
El disco óptico de un encóder absoluto es mucho más complicado que el de uno incremental. Tiene varias pistas concéntricas de partes opacas y transparentes. Cuando la luz atraviesa estas pistas, crea una palabra digital paralela un patrón particular de unos y ceros.
Esto implica que existe un código único en cada ángulo concreto del eje. El controlador no necesita contar los movimientos anteriores para conocer la posición de un objeto; simplemente lee la posición actual.
Este sistema absoluto se extiende en dos categorías distintas:
- Encoder absoluto monovuelta: Estos codificadores proporcionan un código único para cada posición dentro de los 360 grados de rotación. Si el eje completa un círculo, el valor se restablece. Esto es suficiente para brazos robóticos o válvulas que funcionan dentro de un arco limitado.
- Codificador absoluto multivuelta: Estos instrumentos registran la información de posición en 360 grados, así como el número de rotaciones completas. El encóder almacena el número de revoluciones mediante un engranaje interno o una memoria a pilas. Esto es necesario en aplicaciones lineales accionadas por husillos, en las que la distancia total de desplazamiento es superior a una rotación completa del eje del motor.
Con los encóderes absolutos, se pasa de la incertidumbre relativa a la posición absoluta. El dispositivo proporciona posiciones específicas y datos de posición de forma inmediata.
Diferencias críticas de rendimiento: Incremental vs. Absoluto
Cuando vamos más allá de la hoja de datos, las diferencias teóricas en la comparación entre encóder incremental y absoluto se manifiestan como factores críticos de rendimiento. Debemos evaluarlos en función de tres realidades concretas de ingeniería: comportamiento en el arranque, estabilidad de la señal (o inmunidad al ruido) y velocidad de procesamiento.
Comportamiento de arranque y memoria de posición
La primera diferencia operativa es la más inmediata: el comportamiento de arranque.
Utilizando un codificador incremental, el sistema arranca a ciegas. Como se ha explicado, la máquina entra en un estado no productivo porque carece de memoria de posición. No es capaz de reanudar su trabajo, tiene que orientarse. Esta necesidad de orientación no es sólo un inconveniente en las operaciones a gran escala, como en el caso de las grúas de pórtico, los sistemas de almacenamiento automatizado o las pesadas prensas de impresión; es un grave riesgo operativo. Si se produce un fallo eléctrico cuando un brazo robótico está metido en el chasis de un coche en una cadena de montaje, no es posible volver a su posición inicial sin riesgo de colisión. El brazo debe ser consciente de dónde debe retirarse con seguridad.
El codificador absoluto proporciona memoria de posición y preparación instantánea. Dado que la posición viene determinada por el patrón físico del disco, los datos se proporcionan milisegundos después del restablecimiento de la alimentación. No es necesario ningún movimiento. El controlador pregunta al codificador y éste proporciona la coordenada precisa. Esta función de memoria de posición cambia esencialmente la medida de seguridad de la máquina. Permite “reinicios en caliente”. No se trata de un lujo en infraestructuras críticas, como equipos de escaneado médico o sistemas de control de ascensores, sino de un requisito de seguridad. No se puede pedir a un robot quirúrgico que recalibre su punto cero cuando un paciente está en la mesa.
Estabilidad de la señal en entornos ruidosos
El entorno eléctrico de las industrias es hostil. Contienen variadores de frecuencia (VFD), equipos pesados de soldadura y conmutadores de alta tensión. Estos aparatos provocan muchas interferencias electromagnéticas (EMI). Es aquí donde la idea de robustez será el factor determinante en su elección de encóder absoluto frente a incremental.
Los codificadores incrementales son susceptibles a las interferencias electromagnéticas. Cuando un soldador cercano provoca un pico de ruido y causa una tensión falsa en el cable de señal, el controlador puede interpretar el pico de ruido como un impulso. Por otro lado, un pulso legítimo puede ser suprimido por una fuerte interferencia.
El riesgo en este caso es el Error Acumulativo. Cuando el controlador no recibe un pulso de cada miles, la posición registrada no coincide con la posición real. El controlador no es consciente de que se ha saltado un pulso. Sigue contando el número equivocado. Estos pequeños errores se acumulan durante horas de trabajo. Un robot soldador puede soldar un día 2 mm fuera de su objetivo, lo que da lugar a un lote entero de productos desechados. El error continúa hasta que la máquina se apaga y vuelve a funcionar.
Los encóderes absolutos tienen autocorrección. No se basan en un recuento continuo. Envían una palabra digital de la posición actual.
Tomemos como ejemplo un caso en el que la transmisión de datos se ve corrompida por ruido eléctrico durante más de 10 milisegundos. El controlador puede obtener datos no válidos durante esa breve ventana. Pero cuando el ruido ha cesado, el siguiente paquete de datos del encóder absoluto es el nuevo código de posición correcto en función del ángulo del eje en ese momento. El error no se agrava. El sistema se autorrepara al instante. En aplicaciones de alta fiabilidad en las que la integridad de la señal es primordial, una validación de datos tan robusta mejora el encóder absoluto.
Límites de velocidad y latencia del procesamiento de datos
Aunque los encóderes absolutos son superiores en fiabilidad, la física del procesamiento de datos impone varias limitaciones en términos de velocidad en comparación con los sistemas incrementales.
La frecuencia de impulsos limita los encóderes incrementales. Cuanto mayor es la velocidad del eje, más frecuentes son los impulsos. En algún momento se llega a un límite físico en el que la electrónica no puede encenderse y apagarse con suficiente rapidez, o la capacitancia del cable convierte las ondas cuadradas en un lío ilegible. Pero, en su gama, las señales incrementales son prácticamente instantáneas.
Los codificadores absolutos están limitados por la latencia y la velocidad de transmisión. Como el codificador tiene que leer el patrón, codificarlo en un protocolo digital (como SSI o EtherCAT) y enviar ese paquete de datos al controlador, tiene un pequeño retardo de cálculo. Incluso en aplicaciones de velocidad ultraalta, esta latencia, aunque sea en microsegundos, debe tenerse en cuenta en el bucle de control.
Además, la duración del ciclo de comunicación determina la frecuencia de actualización de los datos de posición. Cuando se necesita realimentación de velocidad en tiempo real de un servomotor extremadamente dinámico, hay que asegurarse de que la velocidad de comunicación del encóder absoluto es superior a la del bucle de control del accionamiento. Los encóderes absolutos modernos han salvado esta distancia, aunque en la supervisión de velocidad simple y bruta, el impulso directo de un encóder incremental sigue siendo una solución válida y de baja latencia.
Normas de interfaz: Conectividad e integración de controladores
Elegir el hardware del codificador no es toda la batalla, hay que asegurarse de que es compatible con el controlador. La complejidad de la integración de ambas tecnologías es muy diferente.
La conexión del codificador incremental es difícil. Suele tener tres cables de salida (A, B, Z) y sus inversos, alimentación y masa. Necesita un módulo contador de alta velocidad (HSC) en el lado del controlador. El procesador interno del PLC es necesario para procesar la lógica, y tiene que ser programado para leer los pulsos de cuadratura. El cableado es estándar, pero el recuento depende de la CPU del controlador.
Los codificadores absolutos son nodos de red inteligentes. Necesitan determinados protocolos de comunicación. Aquí es donde no se puede comprometer con su arquitectura actual.
- Interfaces serie (SSI/BiSS): La interfaz serie síncrona (SSI) es el estándar de conexión punto a punto. También es eficiente, utiliza menos cables y transmite los datos de posición de forma sincronizada con un impulso de reloj enviado por el controlador. Evoluciona bidireccionalmente a BiSS, que admite velocidades de datos más elevadas.
- Bus de campo y Ethernet (Modbus, EtherCAT, PROFINET): Los encóderes absolutos modernos suelen estar conectados directamente a la red industrial. Un ejemplo típico es un encóder EtherCAT que simplemente se conecta al puerto Ethernet de un accionamiento o PLC. Esto permite al controlador no solo obtener datos de posición, sino también datos de diagnóstico como alertas de temperatura o alertas de vibración.
Análisis de costes: Precio inicial frente a valor a largo plazo
Es un hecho objetivo: el precio de compra de un codificador absoluto es superior al de un codificador incremental. El complejo disco óptico y los chips de procesamiento integrados cuestan más de fabricar. Sin embargo, las decisiones de ingeniería inteligentes nunca se toman basándose únicamente en el precio de venta. Se basan en el coste total de propiedad (TCO).
Es un hecho objetivo: el precio de un encóder absoluto es superior al de un encóder incremental. El complicado disco óptico y los chips de procesamiento que lleva incorporados son más caros de producir. Sin embargo, el precio de etiqueta nunca se utiliza para tomar decisiones de ingeniería inteligentes. Éstas se basan en el coste total de propiedad (TCO).
Cuando decide ahorrar dinero en el componente seleccionando un encóder incremental, en realidad sólo está trasladando el gasto a otras partes del sistema. Tendrá que comprar finales de carrera. Tendrá que pagar para que monten y cableen esos interruptores. Hay que pagar el tiempo de programación del PLC para escribir la rutina de homing.
Lo más importante es tener en cuenta el coste del tiempo de inactividad. Suponiendo que una máquina necesite 15 minutos para volver a funcionar en cada cambio de turno o apagón, y que la máquina esté produciendo $1000 de producto por hora, el codificador incremental más barato le está costando 250 al día en productividad perdida.
Las implicaciones financieras reales son las siguientes:
| Factor de coste | Solución de codificador incremental | Solución de encóder absoluto |
| Precio de los componentes | Bajo | Moderado a alto |
| Herrajes auxiliares | Requiere finales de carrera, soportes, cableado | No es necesario |
| Mano de obra de instalación | Alta (cableado interruptores + codificador) | Bajo (sólo codificador) |
| Programación | Complejo (requiere lógica de búsqueda) | Simple (Leer variable directamente) |
| Mantenimiento | Alta (los interruptores mecánicos se desgastan) | Bajo (funcionamiento en estado sólido) |
| Riesgo de inactividad | Alto (tiempo de búsqueda + fallo de conmutación) | Bajo (arranque inmediato) |
El encóder absoluto también puede amortizarse en pocos meses en sistemas complejos de varios ejes, en los que se elimina el hardware y la mano de obra para inicializar la posición.
Aplicaciones industriales: Elegir en función del escenario
La tecnología está definida, pero el uso determina la decisión. No todos los ejes requieren una dirección absoluta. La ingeniería inteligente se ocupa de la cantidad adecuada de tecnología para el problema sin sobredimensionar ni subespecificar.
A continuación se ofrece una guía de referencia sobre el tipo de encóder que más se ajusta a una situación industrial típica al considerar soluciones de encóder absoluto o incremental:
| Codificador recomendado | Industria / Aplicación | La lógica de la ingeniería |
| Codificador absoluto | Brazos robóticos (multieje) | Seguridad crítica. Un robot en un espacio confinado no puede “volver a casa” de forma segura a ciegas. Necesita datos de posición absolutos e inmediatos para calcular trayectorias seguras y evitar colisiones al arrancar. |
| Centros de mecanizado CNC | Los cambiadores de herramientas y las mesas giratorias requieren una precisión absoluta. Una pérdida de posición en este caso provoca el bloqueo de las herramientas y la destrucción de las piezas. La búsqueda de referencia lleva demasiado tiempo y es demasiado arriesgada. | |
| Ascensores y productos sanitarios | Seguridad crítica. Las mesas de resonancia magnética y los elevadores deben funcionar con absoluta seguridad. El movimiento involuntario para “volver a casa” es inaceptable en entornos clínicos o de pasajeros. | |
| Aerogeneradores | Los sistemas de control de cabeceo deben conocer el ángulo de las palas de inmediato, incluso tras una pérdida de potencia, para que las palas se muevan con seguridad frente a vientos fuertes. | |
| Codificador incremental | Transportadores y logística | El objetivo principal es la sincronización de la velocidad. La posición lineal exacta de la cinta rara vez es relevante, lo que convierte al encóder incremental en el estándar eficaz y rentable. |
| HVAC (ventiladores y bombas) | El variador de frecuencia (VFD) sólo necesita realimentación para mantener las RPM. El ángulo absoluto del aspa del ventilador es irrelevante para el proceso. | |
| Máquinas de corte a medida | La máquina cuenta los impulsos hasta un punto de consigna, corta y reinicia. Este bucle de recuento relativo está perfectamente servido por la tecnología incremental. |
Veredicto final: Optimizar su sistema de automatización
La selección entre encóderes absolutos e incrementales no es una batalla de “mejor contra peor”. Es un cálculo de “ajuste frente a fricción”.”
Si su aplicación implica un control continuo de la velocidad, un recuento sencillo o una maquinaria con un presupuesto limitado en la que la búsqueda de referencia es un inconveniente menor, el Codificador incremental sigue siendo una norma fiable y rentable.
Sin embargo, si su sistema exige una puesta en marcha inmediata, funciona en entornos eléctricos muy ruidosos, coordina varios ejes o supone un riesgo para la seguridad si se pierde la posición, el Codificador absoluto no es sólo una mejora, es una necesidad. La mayor inversión inicial se recupera gracias a un diseño mecánico simplificado, un menor esfuerzo de programación y la eliminación de los tiempos de inactividad.
Su lista de selección:
- Seguridad: ¿Supone un riesgo un movimiento inesperado durante la búsqueda? (En caso afirmativo -> Absoluto)
- Tiempo de inactividad: ¿El tiempo empleado en localizar la máquina le cuesta ingresos de producción? (En caso afirmativo -> Absoluto)
- Medio ambiente: ¿Está la instalación cerca de variadores de frecuencia, soldadores o líneas de alta tensión? (En caso afirmativo -> Inmunidad absoluta al ruido)
- Función: ¿La necesidad principal es el control de velocidad (incremental) o el control de posición (absoluto)?
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