Cómo utilizar codificadores rotatorios para convertir rápidamente la rotación mecánica en señales digitales

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

En la era digital, la medición de la rotación de un eje mecánico en un motor o de una perilla giratoria de un instrumento debe realizarse de manera rápida y eficiente. Los métodos analógicos, como los potenciómetros y los interruptores rotatorios, están siendo reemplazados por codificadores rotatorios que digitalizan directamente el movimiento rotatorio, pero los diseñadores deben poder apreciar las diferencias entre los distintos tipos de codificadores e interpretar con precisión sus salidas digitales.

Este artículo describirá el papel de los codificadores rotatorios y cómo funcionan. Luego mostrará cómo interpretar sus señales antes de presentar soluciones de codificador y su aplicación en el mundo real.

El papel de los codificadores rotatorios

Los codificadores rotatorios son un tipo de sensor que mide la rotación de un eje mecánico. El eje podría estar en un motor, donde leería la posición angular o la velocidad de rotación. También pueden leer la posición angular de un dial, perilla u otro control electrónico en el panel frontal de un instrumento o aparato, reemplazando potenciómetros e interruptores rotatorios.

Considere un control de temporizador en un aparato. En los viejos días analógicos, se utilizaba una resistencia variable o un potenciómetro para detectar la posición de ese control. Con los diseños actuales basados en microprocesadores, las entradas digitales generadas por un codificador rotatorio son más eficientes.

Los codificadores también pueden usarse en sistemas de control para proporcionar información del movimiento correcto de una parte mecánica en respuesta a un comando de control. Ya sea que el sistema de control esté en un automóvil o en un dispositivo robótico, los codificadores proporcionan la detección necesaria al microprocesador de control. Las soluciones más antiguas, como los potenciómetros de un solo giro, detectan menos que una rotación completa del eje, pero los codificadores rotatorios pueden detectar la rotación completa sin paradas.

Los codificadores rotatorios convierten estos desplazamientos mecánicos en señales eléctricas que pueden enviarse a un procesador para su interpretación. Según las salidas eléctricas del codificador, se pueden derivar la dirección de rotación, la posición angular y la velocidad de rotación. Las salidas digitales de los codificadores rotatorios hacen esto mucho más simple en comparación con los potenciómetros.

Cómo funcionan los codificadores rotatorios

Hay dos tipos principales de codificadores: incrementales y absolutos. El codificador incremental lee los cambios en el desplazamiento angular, mientras que el codificador absoluto lee el ángulo absoluto del eje codificado. Se implementan utilizando tres tecnologías comunes: óptica, mecánica, o magnética.

Los codificadores ópticos se construyen utilizando un disco con segmentos translúcidos y opacos diseñados para permitir que la luz pase por ciertas áreas. Los fotodiodos detectan la luz que pasa a través del disco y emiten formas de onda de pulso correspondientes a los patrones translúcidos y opacos en los segmentos del disco, usando un LED y fotodiodos en lados opuestos del disco (Figura 1).

Imagen de discos ópticos incrementales y absolutos

Figura 1: Ejemplos de discos ópticos incrementales y absolutos. El disco incremental genera dos señales de onda cuadrada con una diferencia de fase de 90˚ entre ellas. El disco absoluto genera datos codificados en binario. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El disco absoluto en la Figura 1 tiene cuatro salidas que proporcionan un código binario único para cada segmento en el disco, dieciséis en este caso (Tabla 1). Una alternativa al código binario es el código gris, que es un código binario donde las palabras binarias adyacentes difieren solamente en la transición de un solo bit.

Número de segmento Rango sectorial (grados) Código binario
0 360/0 - 22.5 0000
1 22.5 - 45 0001
2 45 - 67.5 0010
3 67.5 - 90 0011
4 90 - 112.5 0100
5 112.5 - 135 0101
6 135 - 157.5 0110
7 157.5 - 180 0111
8 180 - 202.5 1000
9 202.5 - 225 1001
10 225 - 247.5 1010
11 247.5 - 270 1011
12 270 - 292.5 1100
13 292.5 - 315 1101
14 315 - 337.5 1110
15 337.5 - 360/0 1111

Tabla 1: Los dieciséis estados binarios para un codificador absoluto con cuatro bits. (Fuente de la tabla: Digi-Key Electronics)

El patrón generado por el disco incremental consiste en dos ondas cuadradas con una diferencia de fase de 90˚, y se conoce como una salida en cuadratura. Esto también se puede lograr usando un patrón de una sola fila y dos sensores fotoeléctricos desplazados por una distancia equivalente al cambio de fase de 90˚.

Las salidas de los codificadores incrementales en cuadratura se conocen generalmente como "A" y "B". El codificador también puede incluir un tercer pulso, una vez por revolución, llamado pulso de índice para proporcionar una referencia física conocida. Al combinar el pulso de índice con las salidas en cuadratura, se puede calcular la orientación absoluta del eje.

Al tener dos salidas con un cambio de fase de 90˚, es posible detectar no solo la rotación angular, sino también la dirección de la rotación (Figura 2).

La imagen de las señales en cuadratura determina la dirección de desplazamiento del disco codificador

Figura 2: La relación de fase entre las señales de cuadratura determina la dirección de desplazamiento del disco del codificador. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Con el eje del codificador girando en sentido horario, la forma de onda A conducirá la forma de onda B. Si la dirección de rotación se cambia al sentido antihorario, la señal B conducirá la señal A.

Con las dos señales de cuadratura es posible resolver cuatro estados por ciclo. Los estados dentro de un solo ciclo son A = 1 y B = 0, A = 1 y B = 1, A = 0 y B = 1, y finalmente A = 0 y B = 0. Esto significa que la resolución angular de un codificador de salida en cuadratura es cuatro veces mayor que la de los impulsos nominales por revolución (PPR).

Ver y medir las salidas en cuadratura de un codificador óptico en un osciloscopio muestra la relación de fase entre las salidas (Figura 3). La señal A se muestra en la traza superior, mientras que la señal B se encuentra en la traza inferior. El parámetro de fase del osciloscopio P1 está configurado para medir la diferencia de fase entre las señales A y B. La diferencia de fase media es 90.4˚ entre las dos señales.

Imagen de salidas en cuadratura de 512 pulsos por revolución

Figura 3: Salidas en cuadratura de un codificador óptico de 512 pulsos por revolución que muestran las relaciones de fase entre las salidas de señal A y B (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

En este ejemplo solo se utilizó la salida A única, ya que el codificador se aplicó como un tacómetro, que mide la velocidad de rotación de un motor. La frecuencia de la señal A se mide como 28.87 kilohertz (kHz) utilizando el parámetro P2 del osciloscopio. Esto se convierte en la velocidad del eje al dividir por 512 pulsos por revolución (PPR) y multiplicar por 60 para leer la velocidad angular del eje en revoluciones por minuto (RPM), como se lee en el parámetro P3 como 3383 RPM.

En base a estos números, el PPR 512 de este codificador proporciona una resolución base de 0.7 grados. Al interpretar los estados A/B, se puede resolver 0.175˚.

Los codificadores ópticos ofrecen la ventaja de tener la resolución más alta de todos los tipos de codificadores. Sus costos se adaptan bien a aplicaciones económicas de bajo costo. Un aspecto negativo es que pueden ser voluminosos.

Los codificadores mecánicos utilizan un disco rotatorio que contiene anillos concéntricos idénticos a los patrones utilizados en los codificadores ópticos. Los anillos tienen un patrón de zonas conductoras y aisladas. Los contactos fijos del limpiaparabrisas se deslizan sobre el disco rotatorio haciendo contacto con cada anillo, actuando como interruptores. A medida que los contactos se deslizan a través de la superficie del disco, el contacto se realiza al pasar sobre una región conductora o se rompe al pasar sobre una zona aislada. De esta manera se desarrolla un patrón digital para cada anillo.

Un problema que puede ocurrir con los codificadores mecánicos es el ruido causado por el rebote del contacto. Este ruido puede eliminarse mediante el filtrado de paso bajo o mediante el uso de software para observar el estado de salida después de que el ruido de rebote haya disminuido.

Los codificadores mecánicos son generalmente el tipo de codificador más económico. Encuentran aplicación como dispositivos de interfaz de usuario en paneles frontales electrónicos que reemplazan potenciómetros.

Los codificadores rotatorios de base magnética utilizan un imán circular multipolar. Los polos magnéticos alternos norte y sur son detectados por el efecto Hall o por sensores magneto-resistivos, generando salidas eléctricas en cuadratura a medida que gira el imán. Los codificadores magnéticos, como los codificadores ópticos, no hacen contacto y se pueden operar a velocidades más altas y durante más tiempo que los codificadores de contacto mecánico.

Con codificadores rotatorios

La naturaleza electromecánica del codificador rotatorio requiere que se conecte con los dispositivos mecánicos o con el usuario. Cuando los codificadores se utilizan como interfaces de control en dispositivos electrónicos, usan un eje sólido y generalmente se montan en un panel de control utilizando un buje de montaje en panel con hardware asociado.

Los diseñadores pueden elegir opciones tales como topes para causar un "clic" mecánico cuando se gira el codificador, lo que brinda a los usuarios una respuesta táctil de que el eje del codificador se está moviendo. También pueden elegir un interruptor de contacto momentáneo que se activa presionando el eje del codificador.

Los codificadores diseñados para ser montados en máquinas rotatorias como motores o servomotores tienen ejes huecos o ciegos (Figura 4).

Diagrama de codificadores configurados de eje hueco o ciego

Figura 4: Los codificadores de eje hueco o ciego están diseñados para ser montados en motores u otras máquinas electromecánicas. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Un codificador de eje hueco se monta sobre el eje de un motor o dispositivo mecánico similar. Esto asegura que se monte concéntricamente con el dispositivo que se está monitoreando y elimina la posibilidad de desalineación angular o asimétrica. Los ejes ciegos son ejes huecos con profundidad limitada que se utilizan para montar el codificador en el extremo del eje de un motor.

Selección y aplicación de codificador

La selección de un codificador rotatorio depende de los requisitos de la aplicación y del entorno, así como de las restricciones de costos.

El 291V1022F832AB de CTS Electronic Components es un codificador óptico incremental con resolución angular de 8 PPR que funciona con un suministro de 5 voltios (Figura 5). La serie 291 admite resoluciones PPR que van desde 4 a 64 PPR, con selección opcional de tipos y longitudes de ejes, topes y un interruptor integral. El codificador tiene una vida de rotación nominal de hasta 3 millones de ciclos.

Imagen del CTS 291V1022F832AB con el buje roscado, la arandela de seguridad y la contratuerca típicos

Figura 5: El CTS 291V1022F832AB con el buje roscado, la arandela de seguridad y la tuerca de fijación típicos destinados a ser utilizados como un control montado en panel. (Fuente de la imagen: CTS)

Los codificadores ópticos de la serie CTS 291 son ideales para aplicaciones de control de instrumentos que incluyen equipos médicos y de laboratorio, equipos de comunicación, industriales, HVAC, transporte, seguridad, audio y entretenimiento en el hogar.

El EMS22Q51-D28-LT4 de Bourns Inc. es un codificador magnético incremental de 32 PPR a 256 PPR que opera desde una fuente de 5 o 3.3 voltios. El dispositivo es miembro de la serie EMS22Q de codificadores sin contacto que admite una resolución angular de 32 a 256 PPR. Al igual que los codificadores anteriores, tiene una variedad de configuraciones de eje y buje disponibles, pero tiene una vida de rotación nominal de 50 millones de ciclos. Estos codificadores son ideales para usar en entornos industriales hostiles en presencia de temperaturas extremas, humedad y contaminación de partículas.

Además, como muchos codificadores, la conexión y el uso del dispositivo son sencillos (Figura 6).

Diagrama de detalles de pines de Bourns EMS22Q51-D28-LT4

Figura 6: Los detalles de los pines del EMS22Q51-D28-LT4 (recuadro, a la izquierda) y el diagrama de bloques muestran la simplicidad de conectar un codificador magnético sin contacto incremental de 256 PPR a un microcontrolador. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La serie EMS22Q tiene seis pines. Uno para cada suministro y conexión a tierra, una selección activa de chip bajo que va al microcontrolador o microprocesador, un pin de índice y dos pines de datos (A y B). La salida en cuadratura resultante se muestra en la Figura 7.

Imagen de EMS22Q que produce una salida en cuadratura

Figura 7: El EMS22Q produce una salida en cuadratura con un rango de PPR de 32 a 256. (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)

Los diseñadores de dispositivos para aplicaciones de bajo costo y para aficionados pueden hacer un buen uso de un codificador mecánico como el codificador de 20 PPREN11-HSM1AF15 de TT Electronics. Este codificador es parte de la serie EN11 que ofrece una resolución angular de 15 o 20 PPR, una variedad de longitudes de eje y bujes, una selección de interruptores opcionales y una selección de configuraciones de topes. Este codificador funciona con un suministro de 5 voltios, es aproximadamente una décima parte del precio de los codificadores ópticos y tiene una vida de rotación de 30.000 ciclos.

Conclusión

Los codificadores rotatorios satisfacen la necesidad de detectar y digitalizar de manera rápida y eficiente la rotación angular de un control del panel frontal, un brazo robótico o un eje de motor rotatorio. Los codificadores incrementales o absolutos proporcionan una interfaz necesaria a los microprocesadores o microcontroladores para permitir la detección y control de componentes de sistemas electromecánicos.

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Información sobre el autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

Información sobre la editorial

Editores de Digi-Key de América del Norte