La inteligencia llegó al codificador de conmutación

El nuevo enfoque abre nuevas oportunidades

Los usuarios de codificadores generalmente se han mostrado reacios al cambio y con buena razón. El control del motor en la planta o en una instalación industrial no es el lugar para las innovaciones, no obstante es el lugar donde se hacen los reclamos de rendimiento y fiabilidad, pero carecen de un registro de seguimiento y un historial importante que los respalde. Aunque los codificadores ópticos y magnéticos están establecidos desde hace mucho tiempo y emplean lo que pueden parecer conceptos físicos "más tangibles", el codificador capacitivo también utiliza principios plenamente probados, como se ha demostrado a lo largo de muchos años de éxito en este campo. Este método alternativo de detección de movimiento que se basa en la digitalización abre un rango de beneficios y ofrece un nuevo nivel de inteligencia para diseñadores que utilizan codificadores rotativos de conmutación.

Los codificadores rotativos son fundamentales para casi todas las aplicaciones de control de movimiento, y son cada vez más necesarios debido al incremento en el uso de motores de CC sin escobillas (BLDC), lo que beneficia el control, la precisión y la eficacia. La tarea del codificador es simple, en teoría: para indicar la posición del eje del motor en el controlador del sistema (Figura 1). Con esta información, el controlador puede conmutar de modo preciso y eficiente los bobinados del motor así como determinar la velocidad, la dirección y la aceleración (parámetros que un bucle de control de movimiento necesita para mantener el rendimiento deseado del motor).

Figura 1: Los codificadores rotatorios proporcionan información sobre la dirección, posición, velocidad y aceleración del eje del motor.

Los codificadores se pueden basar en una variedad de tecnologías, las que ofrecen las salidas digitales estándar de las señales de cuadratura A y B, además de una salida de índice en algunos modelos (Figura 2a). Los codificadores de conmutación (que se describen de modo completo abajo) también ofrecen salidas de canal de fase de conmutación U, V y W (Figura 2b).

Figura 2a: Señales de cuadratura estándar A y B más una señal de índice, mostrada aquí para un codificador óptico.

Figura 2b: Las formas de onda U, V y W producidas por un codificador de conmutación.

Tecnologías de codificación

Los tres enfoques de codificación más conocidos utilizan técnicas ópticas, magnéticas o capacitivas. En resumen, el enfoque óptico utiliza un disco ranurado, con un LED en un lado y fototransistores en el lado opuesto. A medida que el disco gira, la ruta de iluminación se interrumpe, y los pulsos resultantes indican la dirección y la rotación del eje. A pesar de la eficacia y del bajo costo, la confiabilidad de un codificador óptico se ve afectada debido a dos factores: los contaminantes como la suciedad, el polvo y el aceite pueden interferir en la ruta de iluminación, y los LED tienen una vida útil limitada, por lo general pierden su brillo en pocos años y finalmente se queman.

La construcción del codificador magnético es similar a la del codificador óptico, excepto que utiliza un campo magnético en lugar de un rayo de luz. En lugar de una rueda óptica ranurada, tiene un disco magnetizado que gira en torno a una matriz de sensores magnetorresistivos. Cualquier rotación de la rueda produce una respuesta en estos sensores, que se dirige a un circuito front-end de acondicionamiento de señal para determinar la posición del eje. A pesar de que ofrece un alto nivel de durabilidad, el codificador magnético no es preciso y es susceptible a la interferencia magnética producida por los motores eléctricos.

Un tercer enfoque, la codificación capacitiva, ofrece todos los beneficios de los diseños de codificadores ópticos y magnéticos, pero sin sus debilidades. Esta técnica utiliza el mismo principio que el conocido calibrador Vernier digital preciso y de bajo costo. Tiene dos patrones de barras o líneas, con un conjunto en el elemento fijo y otro conjunto en el elemento en movimiento, y juntos forman un capacitor variable configurado como una unión de transmisor/receptor (Figura 3). A medida que el codificador gira, los productos estándares específicos para los clientes (ASIC) integrales cuentan estos cambios de las líneas y también se intercalan para descubrir la posición del eje y la dirección de la rotación para crear las salidas de cuadratura estándar, y también las salidas de conmutación que otros codificadores brindan para controlar los motores de CC sin escobillas (BLDC).

La ventaja de esta tecnología capacitiva es que no tiene nada para desgastarse y es inmune a los contaminantes como el polvo, la suciedad y el aceite que son comunes en los entornos industriales, lo que hace que sea inherentemente más confiable que los dispositivos ópticos. Los codificadores capacitivos también ofrecen ventajas de rendimiento que derivan de sus características de control digital. Esto incluye la capacidad de ajustar la resolución del codificador (la cantidad de pulsos por revolución) sin la necesidad de tener que cambiar a un codificador de resolución superior o inferior.

Figura 3: Un codificador capacitivo cuenta los pulsos recibidos resultantes de la modulación de la señal transmitida por el rotor que está unido al eje del motor.

Lo mejor de todos los mundos

La nueva serie AMT31 de Same Sky es un ejemplo de codificador capacitivo de última generación, que proporciona señales de cuadratura A y B, una señal de índice, así como señales de fase de conmutación U, V y W. Se encuentran disponibles veinte resoluciones por pasos seleccionables entre 48 y 4096 pulsos por revolución (PPR) y siete pares de polo del motor de 2 a 20. La serie AMT31 también cuenta con un concentrador de bloqueo para una fácil instalación, opera desde un riel de 5 V y requiere solo 16 mA de corriente de alimentación.

Sin embargo, los beneficios del codificador capacitivo van más allá del rendimiento superior, la flexibilidad y la confiabilidad a corto y largo plazo. A diferencia de los codificadores ópticos y magnéticos, su lado de salida digital lleva el diseño del sistema al siglo ^XXI, ofreciendo muchos beneficios únicos del sistema en todas las fases del uso del codificador, desde el desarrollo del producto hasta la instalación e incluso el mantenimiento.

¿Cuál es el motivo? La salida del codificador óptico o magnético es funcional pero “lenta”, y no les ofrece a los usuarios flexibilidad, información o ventajas operativas. En cambio, el codificador capacitivo se basa digitalmente y utiliza productos estándares específicos para los clientes (ASIC) integrados y microcontroladores para brindar características adicionales y un mejor rendimiento. Esta salida inteligente cambia el escenario del usuario y el rendimiento de muchas maneras, mientras que aún es compatible en un 100% con las salidas del codificador estándar.

Se ha producido un cambio sustancial y beneficioso

Veamos con más detalle las mejoras que permiten el ASIC y el microcontrolador que forman parte de un codificador capacitivo como la Serie AMT31 de Same Sky:

• La naturaleza digital del codificador capacitivo Same Sky permite una puesta a cero "One Touch" sencilla y rápida. El proceso es sencillo: bloquea el eje a la posición deseada dándole energía a las fases del motor correctas y lleva al codificador a “cero” en esta posición; el tiempo total es de solo uno a dos minutos y no se necesitan instrumentos especiales.

En cambio, la puesta a cero para alinear mecánicamente las señales de conmutación con los bobinados del motor, usando un codificador óptico o magnético, es un proceso de varios pasos, complejo y con frecuencia decepcionante. Requiere el bloqueo del rotor, la alineación física y el retroceso del motor mientras se utiliza un osciloscopio para observar el EMF regenerado y las formas de onda del codificador para una alineación correcta de cruce por cero. Con frecuencia, este es un proceso iterativo en el que generalmente se deben repetir los pasos para obtener una buena sintonización y verificación, por lo que el ciclo completo puede llevar entre 15 y 20 minutos.

• Las características digitales de la serie AMT también mejoran en gran medida el proceso del diseño del sistema, lo que brinda flexibilidad, diagnóstico y permite la evaluación del motor y del rendimiento del controlador del motor. En especial, debido a que un único codificador capacitivo puede ser compatible con una amplia variedad de resoluciones y valores de pares de polo, los diseñadores pueden utilizar esta capacidad de resolución programable para ajustar de modo dinámico la respuesta y el rendimiento del bucle de control PID durante el desarrollo del controlador y del algoritmo sin tener que comprar e instalar un codificador completamente nuevo.

La inteligencia incorporada en la serie AMT también permite el diagnóstico integrado para un análisis de fallos de campo más rápido, una primicia en la industria. Se puede consultar al codificador para indicar si funciona de modo correcto o si existe algún tipo de falla debido a un error en la alineación mecánica en el eje u otros problemas. Por lo tanto, el diseñador puede determinar de manera rápida si el codificador tiene algún problema o no, buscar la fuente del problema en otro lugar y, de este modo, excluir al codificador mismo como el posible problema. Además, los ingenieros pueden usar esta característica para medidas preventivas, por ejemplo, ejecutar una secuencia de prueba de un “buen codificador” antes de ejecutar la aplicación. Estas capacidades, que no se encuentran disponibles en los codificadores ópticos o mecánicos, permiten a los diseñadores mantener al mínimo el tiempo de inactividad mientras anticipan los problemas que pueden ocurrir con las unidades en el campo.

• Finalmente, la interfaz digital también simplifica la lista de materiales (BOM). Debido a que el codificador se puede adaptar en el software a la variación específica (PPR, pares de polo y dirección de conmutación) necesaria, no hay necesidad de realizar una lista y verificar las diferentes versiones necesarias en un producto multimotor o para varios productos, o en la ubicación instalada.

Codificador inteligente más GUI: potente emparejamiento

El software AMT Viewpoint™ basado en PC con Windows para codificadores capacitivos Same Sky acelera el desarrollo y, además, convierte en operaciones sencillas las tareas mundanas que requieren mucho tiempo, como la identificación del número de modelo y la versión. Solo necesita un cable USB para la interconexión con el codificador, e implementa un formato de datos de serie simple.

La GUI permite al usuario adaptar y personalizar el codificador a las necesidades de la aplicación (Figura 4).

Figura 4: El software AMT Viewpoint de Same Sky ofrece una interfaz de desarrollo fácil de usar.

Una pantalla de configuración en la GUI les permite a los usuarios ver la sincronización y las formas de onda del codificador clave, con ajustes automáticos a medida que las opciones del codificador se cambian. Programar un codificador a través de la GUI solo toma algunas pulsaciones de las teclas y aproximadamente 30 segundos para que el ciclo finalice. Lo más importante es que la alineación y puesta a cero de un codificador para el modo A, B, de índice o de conmutación solo toma unos segundos, una clara diferencia para completar esta tarea con un codificador no programable.

En el modo de demostración, los usuarios pueden recorrer la GUI y también realizar operaciones relacionadas con el codificador como si el codificador real estuviese conectado, una manera conveniente de familiarizarse con los codificadores y las herramientas antes de realizar alguna compra o uso práctico. Finalmente, la GUI también es compatible con la creación de los números de las piezas que se piden de las versiones de codificadores específicos, que incluye opciones en un formato de salida, un adaptador de manguito (orificio) y una base de montaje, entre otros.

Resumen

Los beneficios de los codificadores basados en la tecnología capacitiva ofrecen mucho más que solo confiabilidad y rendimiento mejorado. Un dispositivo como AMT31 de Same Sky, con su ASIC/microcontrolador integrado, proporciona una funcionalidad inteligente que admite funciones programables de configuración e instalación, lo que permite conocer el funcionamiento y simplifica la gestión del inventario. Cuando estas características se combinan con la GUI basada en PC, pueden proporcionar una capacidad fácil de usar, aunque sofisticada, que simplifica en gran medida todos los aspectos del uso del codificador, desde el diseño, la evaluación y la depuración del prototipo a través de la instalación y configuración hasta el diagnóstico y la minimización del inventario. Además, todo esto está disponible a un costo comparable con otros codificadores, y mantiene la compatibilidad con otros tipos y formatos de salida estándar, y también ofrece un consumo más bajo de energía. El AMT31, con sus adaptadores fáciles de instalar para diferentes tamaños de eje (Figura 5), representa el siguiente paso lógico para aprovechar la potencia de una interfaz inteligente para proporcionar una amplia gama de beneficios que no están disponibles con otras tecnologías de codificación.

Figura 5: El codificador AMT31 de Same Sky ofrece una combinación única de durabilidad y flexibilidad.