Resolver vs Codificador: Claves para la industria

En lo que respecta a la automatización industrial, el sistema de control es uno de los factores más importantes a tener en cuenta. Sin embargo, no se puede controlar algo si antes no se puede medir. Los encóderes y los resolvers realizan la misma función básica. Actúan como el dispositivo de realimentación de los servomotores, convirtiendo el movimiento mecánico del eje de rotación en señales eléctricas que pueden ser consumidas y comprendidas por el controlador del accionamiento. En aplicaciones que van desde brazos robóticos a vehículos eléctricos, la selección de uno de estos dos dispositivos determinará no sólo la capacidad de los dispositivos para funcionar con precisión, sino también la capacidad de los dispositivos para funcionar de forma fiable.

Principios de funcionamiento

Para elegir el componente idóneo para cada función, hay que examinar la física de accionamiento. Las principales diferencias entre codificador y resolvedor radican en la forma de percibir el movimiento: uno lo hace a través del electromagnetismo y el otro a través de la luz.

Resolvers: Transformadores rotativos analógicos

Un resolver es un producto de una época en la que los componentes mecánicos debían ser duraderos y resistentes. Se trata, de hecho, de un transformador rotativo. Un resolver consta de dos partes: un estator, que está fijo, y un rotor, que gira con el eje del motor. Sin embargo, lo que hace que estas piezas sean únicas es el hecho de que no contienen ninguna placa de circuito, soldadura o silicona. Los únicos componentes que contienen son devanados (o bobinas) de cobre, láminas de hierro o una carcasa metálica.

En algunos diseños, los resolvers sin marco se utilizan para ahorrar espacio al montarse directamente en el motor. Los resolvers funcionan por inducción electromagnética. Los devanados del rotor reciben una señal de CA de referencia y, a medida que el rotor gira, se induce una señal en los devanados secundarios. Los devanados secundarios están situados a 90 grados en el estator y sirven para medir la posición angular del rotor.

A continuación, un devanado secundario emite una tensión proporcional al seno del ángulo, mientras que el otro seno es proporcional al coseno. A partir de las salidas de seno y coseno, el controlador extrae la posición actual del rotor. Esta estimación se realiza a lo largo de un continuo sin procesamiento digital, produciendo una señal analógica.

Codificadores: Sensores fotoeléctricos digitales

Si el resolver es un caballo de batalla analógico, los codificadores ópticos son instrumentos de precisión digitales. Su funcionamiento se basa en la interrupción de la luz. En el interior de un codificador rotatorio, encontrará un disco de código -típicamente de vidrio o plástico de alta calidad- montado en el eje giratorio. Este disco está grabado con miles de líneas microscópicas, creando un patrón de ranuras transparentes y opacas. En un lado del disco hay una fuente de luz LED y en el otro, una matriz de fotodetectores.

Al girar, el disco corta el haz de luz en rápidos destellos. El sensor detecta estos destellos y los convierte en impulsos eléctricos. La electrónica interna (un chip ASIC) procesa inmediatamente estos impulsos en una salida digital limpia, normalmente una serie de ondas cuadradas (0 y 1).

El codificador óptico proporciona un lenguaje digital directo que los controladores modernos hablan de forma nativa, ofreciendo una realimentación de alta resolución que descompone una sola rotación en millones de recuentos precisos. El encóder óptico proporciona una señal digital directa que los controladores modernos hablan de forma nativa, ofreciendo una realimentación de alta resolución que divide una sola rotación en millones de recuentos precisos. Esto supone una clara ventaja con respecto a los encóderes incrementales simples, que pueden requerir un retorno a la posición inicial en caso de pérdida de alimentación.

Los encóderes y los resolvers se pueden comparar así: los resolvers funcionan como los relojes de pulsera mecánicos tradicionales. Están fabricados con capas de complejos y pesados muelles y engranajes (de cobre y hierro). Están hechos para durar y se basan exclusivamente en principios físicos mecánicos. En cambio, un codificador óptico es como un smartwatch. Estas maravillas modernas están repletas de microprocesadores, sensores y todo tipo de electrónica moderna. Son increíblemente ricos en funciones y destacan por su precisión. Eso es, hasta que los aplastas contra una roca. No sólo fallarán los sensores, sino que el disco de códigos probablemente se resquebrajará por la inercia de un fuerte impacto.

Resolver vs Codificador: Especificaciones clave de rendimiento

Para pasar de la teoría a la ingeniería, necesitamos hechos, hechos estadísticos para ser más concretos, como demuestra la siguiente comparación de especificaciones de tipos comunes de encóderes y resolvers.

Los datos han trazado claramente una línea. Si se trata de una aplicación en la que el motor debe girar a 50.000 RPM, las características de impedancia de un resolver provocarán un deterioro de la señal, obligándole a optar, como última opción, por un encóder. Por otro lado, si la temperatura de la carcasa del motor es de 140°C, los chips de silicio del encóder se quemarán. Por tanto, el sensor resolver será la única opción.

¿Qué distingue a Resolver y Encoder?

La diferencia entre un resolver y un codificador no es que uno sea mejor que el otro. Es simplemente una cuestión de sobrevivir en un entorno hostil (es decir, temperaturas decididamente extremas) y rendir menos o ser preciso y hacer el trabajo.

El caso de la robustez (Resolver)

El diseño de los resolvers no sólo supone una gran ventaja para la electrónica, sino que también lo convierte en el campeón indiscutible de la resistencia extrema. Dado que nada puede fallar debido al calor o a la radiación (es decir, entornos difíciles), el resolver se mantiene en la cima de las condiciones ambientales.

• Temperatura: Un resolver estándar funciona de forma continua a temperaturas en torno a los 155°C que se le aplican. Los modelos especializados se han diseñado incluso para alcanzar los 200°C o más en entornos de alta temperatura, lo que constituye el límite superior. Es simplemente una consecuencia del material aislante y del hilo utilizado en las formaciones de cobre.
• Vibraciones y choques: Un resolver puede soportar choques mecánicos (como más de 200 g) y fuertes vibraciones. No se rompen los discos de cristal ni las soldaduras.
• Contaminantes: Los campos magnéticos no se ven afectados por el aceite, la grasa, la humedad o el polvo. Un resolver puede seguir funcionando aunque esté inundado de aceite. Esto permite su integración directa en el interior de las carcasas de los motores para controlar la posición del eje.

El caso de la precisión (codificador)

Cuanto más precisos sean los datos, menos duradero será un codificador óptico.

• Precisión: La tecnología óptica tendrá una resolución mucho mayor. La resolución del encóder es mayor que la de un resolver. El resolver pierde precisión debido a la precisión del bobinado mecánico y al ruido de la señal. El encóder óptico no tiene ese problema y puede alcanzar una resolución de 20 bits para una gran precisión.
• Claridad de la señal: La señal se digitaliza inmediatamente, lo que significa una menor exposición a las interferencias electromagnéticas. Por tanto, en comparación con un resolver, los codificadores ópticos están más protegidos durante la transmisión.
• Respuesta dinámica: Para algunas aplicaciones, un encóder óptico sería preferible a un resolver, ya que contiene una mayor densidad de realimentación y consigue un mayor número de líneas para un control preciso de la velocidad.

Más allá del precio de etiqueta: Un análisis real de los costes

Cuando un responsable de compras revisa la lista de materiales, uno de los errores más comunes es comparar únicamente el coste de un sensor de la lista. Una visión más amplia e integrada permitirá tomar una decisión más acertada en términos de coste total de propiedad (TCO). En el contexto de una comparación de costes entre resolver y encóder, es esencial mirar más allá del precio de etiqueta.

En la mayoría de los casos, un codificador óptico de alta calidad tiene un precio más elevado, por lo que su fabricación es más cara que la de un resolver estándar. Un resolver simple parece costar menos en el estante, por lo tanto dominante en el precio.

El mayor riesgo reside en la integración. Un resolver emite una señal analógica “tonta” que el sistema de control no puede leer directamente. El accionamiento debe incorporar un convertidor de resolver a digital (R/D), que suele ser una característica adicional del servoaccionamiento o una costosa tarjeta complementaria. Además, los resolvers necesitan un costoso cableado multipar, trenzado y apantallado para largas tiradas de cable con el fin de preservar la señal analógica corrupta del ruido.

En cambio, un codificador óptico emite una señal digital utilizable. Se conecta fácilmente a las entradas estándar de casi cualquier controlador y no necesita el costoso hardware y software especializado para descodificar la señal ni supresión de ruido adicional. Por este motivo, los encóderes ópticos suelen tener un menor coste global del sistema en aplicaciones generales de automatización industrial, ya que simplifican la arquitectura y el diseño general, suponiendo que el hardware sea más caro.

Aplicaciones industriales: Resolver vs Encoder

Los atributos técnicos de los que hemos hablado han dado lugar a una segregación natural del mercado en la industria basada en diferentes necesidades.

Propulsión de vehículos eléctricos: El caso de los Resolvers

Cuando se considera qué componentes electrónicos pueden soportar las condiciones más extremas, el motor de tracción de un vehículo eléctrico (VE) encabeza la lista. El motor sufre golpes en los baches, vibraciones en la carretera y altas temperaturas debido a las elevadas corrientes y a la refrigeración de los sensores, que empeora al estar enterrados a gran profundidad dentro de la estructura del motor.

En estas condiciones extremas, se espera que el sensor cumpla su función de forma fiable, ya que de lo contrario puede suponer un peligro para la carretera al inutilizar el VE. Esto explica por qué la mayoría de los fabricantes de VE optan por los resolvers: pueden durar en condiciones en las que los codificadores ópticos fallarían en cuestión de minutos. Se ha dicho que los resolvers están construidos como un ‘tanque’, su señal de retroalimentación de la posición del motor es constante mientras el eje de su motor gira.

CNC y robótica: El caso de los codificadores ópticos

En el mecanizado por control numérico computerizado (CNC) y la robótica de seis ejes que lo realiza, la supervivencia ya no es la prioridad. Más bien, ha sido sustituida por el control de movimiento de precisión en las líneas de montaje.

• Acabado superficial: El perfil de avance de una máquina CNC debe ser preciso al cortar un molde para smartphone. Cualquier desviación de la velocidad de avance programada provocará ondulaciones en la superficie del metal. Los encóderes ópticos garantizan que el servoaccionamiento pueda realizar las correcciones de velocidad necesarias para mantener una velocidad constante.
• Posicionamiento: Un brazo robótico debe mantener una precisión submicrónica al colocar un chip en una placa de circuito. Alcanzar este nivel de precisión de sujeción es difícil debido al ruido de fondo analógico del resolver. Para este nivel de automatización, los encóderes ópticos ofrecen el control estable y el bucle de realimentación preciso necesarios.

Tendencias del mercado: El auge de las alternativas magnéticas

En las últimas décadas, la abrumadora elección binaria de encóderes ópticos y resolvers ha demostrado ser subóptima según los últimos estudios de mercado. Con los avances en tecnología de efecto Hall y AMR (magnetorresistencia anisotrópica), el sector ha empezado a favorecer los encóderes magnéticos (y a veces los capacitivos) como compromiso equilibrado entre tipos de encóderes.

Empresas punteras en el sector de los vehículos eléctricos, como Tesla y BYD, y sistemas de control de movimiento, como Universal Robots y Yaskawa, están sustituyendo los pesados resolvers por sensores magnéticos miniaturizados. La retroalimentación magnética de 10-20 bits está logrando importantes reducciones de espacio y recortando los costes en un margen de 15% sin menoscabo del rendimiento. Esto demuestra que la tecnología magnética es la solución óptima racional para numerosos casos de uso.

En el sector aeroespacial, sin embargo, este cambio de guardia está reñido con la manada. Debido a la dureza de los casos de uso, los resolvers permanecen. Las misiones que implican desafíos térmicos, como operar entre -55 °C y + 180 °C, o que requieren una precisión de posicionamiento de 0,1 °C o superior, siguen utilizando resolvers. Las alternativas magnéticas, aunque todavía no se han probado para su uso generalizado en sistemas críticos de vuelo, se están probando actualmente.

Guía de selección

En estos casos, las compensaciones dirigidas por un conjunto de parámetros entran en juego para llegar a la conclusión de hacer una elección informada. Esto de encóder vs resolver no es un rumor de obsolescencia, sino que describe la especialización necesaria. Utilice la matriz de decisión en 3 pasos para determinar cuál es el mejor dispositivo de realimentación para su motor y evitar confusiones en el proceso:

Ahora que sabes exactamente lo que necesitas, la única pregunta que te queda es dónde conseguirlo sin pagar de más.

Aquí es donde interviene OMCH. Desde 1986, hemos demostrado que la fiabilidad industrial no requiere un precio elevado. No somos un proveedor más; somos un motor de fabricación que atiende a más de 72.000 clientes en 100 países y envía 20 millones de unidades al año. Con más de 3.000 referencias en stock, incluida una amplia gama de encóderes de alta precisión certificados según las normas CE y RoHS, es probable que tengamos la especificación exacta que está buscando. ¿Por qué arriesgar su presupuesto en marcas infladas cuando puede obtener el mismo rendimiento constante directamente de la fuente?

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Preguntas frecuentes

• ¿Por qué utilizar un resolver en lugar de un codificador?

Los resolvers se eligen principalmente por su durabilidad. Al no contener componentes electrónicos integrados (chips, condensadores o soldaduras), pueden soportar temperaturas extremas (>155 °C), fuertes vibraciones y radiaciones que provocarían el fallo instantáneo de los delicados componentes electrónicos de un encóder.

• ¿Es un resolver un codificador absoluto?

Sí, un resolver estándar actúa como un encóder absoluto de una vuelta (a menudo comparado con los encóderes absolutos), proporcionando datos de posición absoluta de forma analógica. Emite una tensión analógica distinta para cada valor de posición único durante una rotación de 360°C (proporcionando posición absoluta). Una vez energizado, conoce su posición, pero no puede seguir la pista de otras rotaciones completas durante el encendido sin lógica adicional en la electrónica de realimentación.

• ¿Puedo sustituir un resolver por un codificador?

En la mayoría de los casos, la respuesta es no. Cada interfaz electrónica del resolver y el codificador es muy diferente; un codificador utiliza salidas digitales y alimentación de CC, mientras que un resolver requiere salidas analógicas y excitación de CA. En el caso de intercambiar dispositivos, lo más probable es que tenga que cambiar el servoaccionamiento o instalar un costoso convertidor de señal entre ambos.