Opciones de codificador giratorio: ¿absoluto o gradual?

Por Jeff Smoot, vicepresidente de control de movimiento e ingeniería de aplicaciones en CUI Inc.

El codificador giratorio es una solución probada y popular para medir la velocidad, la dirección de movimiento o la posición de un eje giratorio. Existen múltiples tipos; los dos principales son el codificador absoluto y el codificador gradual. ¿Cómo funcionan? ¿Cuáles son las diferencias? ¿Y cómo puede elegir el tipo correcto para su aplicación?

Principios operativos del codificador

Como su nombre indica, un codificador absoluto emite directamente la posición exacta del eje que está midiendo. Cada punto de rotación cuenta con un valor de posición único, o palabra de datos, que se codifica en un disco que gira con el eje. El número de códigos únicos del disco determina la precisión con la que se puede expresar la posición. El codificador lee el código utilizando un sensor óptico, capacitivo o magnético tan pronto como se enciende y genera un resultado válido. Tampoco es necesario establecer una referencia o girar el eje para permitir que el sensor determine la posición, y puede realizar un seguimiento de la posición aun si se pierde el suministro de energía temporalmente.

El diagrama del disco del codificador absoluto presenta un código único para cada posición

Figura 1: el disco del codificador absoluto presenta un código único para cada posición, lo que permite que el resultado sea válido inmediatamente y determina la resolución del codificador. (Fuente de la imagen: CUI Inc.)

La resolución del codificador se expresa en términos de bits, que corresponden al número de palabras de datos únicas durante una revolución. Los codificadores absolutos están disponibles como tipos de revolución simple o múltiple, con versiones de giro único que proporcionan datos de posición durante un giro completo de 360°, que se repite para cada giro del eje. El tipo de revolución múltiple tiene un contador de giros que permite al codificador emitir no solo la posición del eje sino también el número de giros.

Considere los codificadores graduales: estos funcionan generando pulsaciones a medida que gira el eje. El resultado suele ser dos ondas cuadradas fuera de fase en 90° y se necesitan circuitos adicionales para realizar un seguimiento de estas pulsaciones o contarlas.

Imagen del codificador gradual que genera formas de onda por pulsación

Figura 2: un codificador gradual genera formas de onda por pulsación fuera de fase 90° (Fuente de la imagen: CUI Inc.)

La resolución de un codificador gradual se expresa mediante el número de pulsaciones por revolución (PPR), que es equivalente al número de pulsaciones altas de cualquiera de las salidas de onda cuadrada. Puede leer la publicación del blog de CUI sobre PPR para obtener más información sobre este tema.

Al examinar la Figura 2, puede ver que solo hay cuatro estados de resultado distintos y repetitivos. Por esta razón, un codificador gradual debe derivarse a una ubicación fija conocida para proporcionar información de posicionamiento significativa. Esta ubicación "de inicio" es la pulsación índice del codificador. La posición absoluta del eje se calcula realizando un seguimiento del cambio gradual relativo en la rotación desde la pulsación de índice. Este proceso de referencia es necesario cada vez que se enciende el codificador, o después de una pérdida de energía temporal, por lo que el eje debe girarse antes de que se conozca la posición. Este proceso es más lento que obtener la posición de un codificador absoluto que no requiere rotación inicial.

Absoluto versus gradual: criterios de selección

Los codificadores absolutos son más complejos que los tipos graduales y, por lo tanto, suelen ser más caros. Aunque la diferencia de precio se está reduciendo, un codificador gradual es generalmente ideal para el monitoreo simple de la velocidad, la dirección o la posición relativa. Por otro lado, existen algunas situaciones en las que un codificador absoluto es una mejor opción.

Una de las principales fortalezas del codificador absoluto es que la posición del eje se mantiene, de modo que los datos de posición están disponibles inmediatamente sin esperar a que se complete una secuencia de calibración o inicio. Esto permite que el sistema se inicie más rápidamente o se recupere de un fallo de alimentación, incluso si la posición del eje cambia mientras el codificador está apagado.

Otra razón para elegir un codificador absoluto es la necesidad inmediata de la información de posición al inicio, antes de que se active o mueva cualquier mecanismo. Este podría ser un escenario en el que girar el eje en la dirección incorrecta desde la posición de inicio podría dañar el equipo o presentar un peligro para el usuario.

Además, debido a que un codificador absoluto proporciona la posición real en tiempo real, un sistema digital puede sondear el codificador a través de un bus de comunicación central para capturar la posición con una latencia mínima. El seguimiento continuo de una posición es más difícil con un codificador gradual porque los circuitos externos generalmente son necesarios para rastrear todos las pulsaciones mediante la decodificación en cuadratura, lo que agrega sobrecarga al sistema host, especialmente en los casos en los que se deben monitorear múltiples codificadores.

Imagen de los codificadores absolutos que generan una “palabra” digital única para cada posición de la rueda de código

Figura 3: los codificadores absolutos generan una “palabra” digital única, equivalente a la resolución indicada, para cada posición de la rueda de código. (Fuente de la imagen: CUI Inc.)

Un beneficio adicional es que el uso de un codificador absoluto ayuda a reducir la susceptibilidad del sistema al ruido eléctrico. A diferencia de los codificadores graduales de conteo de pulsaciones, los codificadores absolutos permiten que el sistema lea un código con comprobación de errores desde una salida binaria, o digitalmente a través de un bus en serie, para calcular la posición.

Además, combinar más de un codificador absoluto en el mismo sistema también es más fácil que con los codificadores graduales. Los ejemplos típicos incluyen la automatización de fábrica o los robots multieje. El monitoreo de los resultados de múltiples codificadores graduales puede complicarse y requerir una gran capacidad de procesamiento, mientras que las lecturas de los codificadores absolutos individuales se interpretan con mayor facilidad, particularmente cuando se pueden conectar a un bus de comunicación central.

Oportunidades para codificadores absolutos.

Ya debería tener una noción clara de las diferencias clave entre los codificadores absolutos y graduales. Consideremos algunas áreas de aplicación en las que se utilizan normalmente los codificadores absolutos.

Entre estos, la robótica es un área en rápida expansión que está penetrando numerosos sectores: desde la atención médica; como la cirugía remota, que se basa en grandes cantidades de información de posicionamiento precisa para monitorear y controlar los brazos quirúrgicos y robóticos; hasta casos de uso industrial, como el ensamblaje automatizado, la soldadura, la pulverización de pintura, y más. De cara al futuro, las posibilidades de contar con robots de asistencia a domicilio son particularmente interesantes y se beneficiarán de la velocidad y la facilidad de uso que ofrecen los codificadores absolutos.

A medida que las empresas continúan con la transformación digital y la brecha de precios entre los codificadores graduales y absolutos disminuye, existe una variedad casi infinita de aplicaciones para los codificadores absolutos También hay muchas oportunidades en los mercados consumidores. Los codificadores absolutos representan una opción de alto rendimiento y cada vez más económica para los diseñadores de equipos, ya sea que se utilicen para controlar mecanismos como puertas automáticas, cardanes de cámaras, controles inteligentes de HVAC, automatización de fábricas o subsistemas automotrices motorizados.

Elección del ingeniero para la retroalimentación de la posición

Las diferencias en el rendimiento, el precio y la experiencia del usuario entre codificadores absolutos y graduales hacen que sea vital elegir el tipo correcto de codificador para cualquier nuevo diseño de producto A medida que la brecha de precios se reduce y las tecnologías continúan cambiando, las ventajas que ofrecen los codificadores absolutos en comparación con los tipos graduales podrían convertirlos en la primera opción del diseñador para las tareas de retroalimentación de posición en un número creciente de sectores.

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Información sobre el autor

Jeff Smoot, vicepresidente de control de movimiento e ingeniería de aplicaciones en CUI Inc.

Artículo proporcionado por Jeff Smoot de CUI Inc.