Codificador rotatorio

Los codificadores absolutos digitales generan un código digital único para cada ángulo distinto del eje. Existen dos tipos básicos: ópticos y mecánicos.

Un disco metálico con anillos concéntricos de aberturas está fijado a un disco aislante, el cual está rígidamente sujeto al eje. Una hilera de contactos deslizantes está fijada a un objeto estacionario, de manera que cada contacto roza el disco metálico a una distancia diferente del eje. A medida que el disco gira con el eje, algunos contactos tocan el metal, mientras que otros quedan atrapados en los huecos donde se ha recortado el metal. La lámina metálica está conectada a una fuente de corriente eléctrica , y cada contacto está conectado a un sensor eléctrico independiente. El diseño del patrón metálico permite que cada posición posible del eje genere un código binario único en el que algunos contactos están conectados a la fuente de corriente (encendidos) y otros no (apagados).

Los contactos de tipo escobilla son susceptibles al desgaste y, en consecuencia, los codificadores mecánicos se suelen encontrar en aplicaciones de baja velocidad, como los controles manuales de volumen o sintonización en un receptor de radio .

El disco del codificador óptico está hecho de vidrio o plástico con áreas transparentes y opacas. Una fuente de luz y un conjunto de fotodetectores leen el patrón óptico resultante de la posición del disco en cada momento. ^{[ 8 ]} Se suele utilizar el código Gray . Este código puede ser leído por un dispositivo de control, como un microprocesador o un microcontrolador, para determinar el ángulo del eje.

El tipo analógico absoluto produce un código analógico dual único que se puede traducir en un ángulo absoluto del eje.

El codificador magnético utiliza una serie de polos magnéticos (dos o más) para representar la posición del codificador ante un sensor magnético (normalmente magnetorresistivo o de efecto Hall). El sensor magnético lee la posición de los polos magnéticos.

Este código puede ser leído por un dispositivo de control, como un microprocesador o un microcontrolador, para determinar el ángulo del eje, de forma similar a un codificador óptico.

El tipo analógico absoluto produce un código analógico dual único que se puede traducir en un ángulo absoluto del eje (mediante el uso de un algoritmo especial ).

Debido a la naturaleza del registro de efectos magnéticos, estos codificadores pueden ser óptimos para su uso en condiciones donde otros tipos de codificadores podrían fallar debido a la acumulación de polvo o residuos. Los codificadores magnéticos también son relativamente insensibles a vibraciones, desalineaciones leves o golpes.

Conmutación de motor sin escobillas

Los codificadores rotativos integrados se utilizan para indicar el ángulo del eje del motor en motores sin escobillas de imán permanente , comúnmente empleados en máquinas CNC , robots y otros equipos industriales. En estos casos, el codificador actúa como un dispositivo de retroalimentación fundamental para el correcto funcionamiento del equipo. Los motores sin escobillas requieren conmutación electrónica, que a menudo se implementa parcialmente mediante el uso de imanes del rotor como codificador absoluto de baja resolución (normalmente seis o doce pulsos por revolución). La información resultante sobre el ángulo del eje se transmite al servomotor para que pueda energizar el devanado del estator adecuado en cada momento.

Dentro del codificador se hace girar un disco de forma asimétrica. Este disco modifica la capacitancia entre dos electrodos, la cual puede medirse y recalcularse para obtener un valor angular. ^{[ 9 ]}

Este tipo de codificador utiliza una batería para conservar los conteos entre ciclos de encendido y apagado. Emplea un diseño eléctrico de bajo consumo energético para detectar los movimientos.

Estos codificadores utilizan un tren de engranajes para almacenar mecánicamente el número de revoluciones. La posición de cada engranaje se detecta con una de las tecnologías mencionadas anteriormente. ^{[ 10 ]}

Estos codificadores utilizan el principio de recolección de energía para generar energía a partir del eje en movimiento. Este principio, introducido en 2007, ^{[ 11 ]} utiliza un sensor Wiegand para producir electricidad suficiente para alimentar el codificador y escribir el número de vueltas en una memoria no volátil . ^{[ 12 ]}

A continuación se muestra un ejemplo de código binario en un codificador extremadamente simplificado con solo tres contactos.

En general, cuando hay n contactos, el número de posiciones distintas del eje es 2 ⁿ . En este ejemplo, n es 3, por lo que hay 2³ o 8 posiciones.

En el ejemplo anterior, los contactos generan un conteo binario estándar a medida que el disco gira. Sin embargo, esto tiene el inconveniente de que si el disco se detiene entre dos sectores adyacentes, o si los contactos no están perfectamente alineados, puede resultar imposible determinar el ángulo del eje. Para ilustrar este problema, consideremos qué sucede cuando el ángulo del eje cambia de 179,9° a 180,1° (del sector 3 al sector 4). En un instante determinado, según la tabla anterior, el patrón de contacto cambia de apagado-encendido-encendido a encendido-apagado-apagado. Sin embargo, esto no es lo que ocurre en la realidad. En un dispositivo práctico, los contactos nunca están perfectamente alineados, por lo que cada uno conmuta en un momento diferente. Si el contacto 1 conmuta primero, seguido del contacto 3 y luego del contacto 2, por ejemplo, la secuencia real de códigos es:

apagado-encendido-encendido (posición inicial)

encendido-encendido-encendido (primero, el contacto 1 se enciende)

encendido-encendido-apagado (a continuación, el contacto 3 se apaga)

encendido-apagado-apagado (finalmente, el contacto 2 se apaga)

Ahora observe los sectores correspondientes a estos códigos en la tabla. En orden, son 3, 7, 6 y 4. Por lo tanto, según la secuencia de códigos generada, el eje parece haber saltado del sector 3 al sector 7, luego retrocedido al sector 6, y luego nuevamente al sector 4, que es donde esperábamos encontrarlo. En muchas situaciones, este comportamiento es indeseable y podría provocar una falla en el sistema. Por ejemplo, si el codificador se utilizara en un brazo robótico, el controlador pensaría que el brazo está en la posición incorrecta e intentaría corregir el error girándolo 180°, lo que podría dañarlo.

Para evitar el problema anterior, se utiliza la codificación Gray . Este es un sistema de conteo binario en el que dos códigos adyacentes cualesquiera difieren en una sola posición de bit. Para el ejemplo de tres contactos mencionado anteriormente, la versión codificada en Gray sería la siguiente.

En este ejemplo, la transición del sector 3 al sector 4, al igual que todas las demás transiciones, implica que solo uno de los contactos cambie su estado de encendido a apagado o viceversa. Esto significa que la secuencia de códigos incorrectos que se muestra en la ilustración anterior no puede ocurrir.

Si el diseñador mueve un contacto a una posición angular diferente (pero a la misma distancia del eje central), entonces el patrón de anillos correspondiente debe girarse el mismo ángulo para obtener la misma salida. Si el bit más significativo (el anillo interior en la Figura 1) gira lo suficiente, coincide exactamente con el siguiente anillo. Dado que ambos anillos son idénticos, se puede omitir el anillo interior y mover el sensor correspondiente al anillo restante, que es idéntico (pero desplazado en ese ángulo con respecto al otro sensor de ese anillo). Esos dos sensores en un solo anillo forman un codificador de cuadratura con un solo anillo.

Es posible disponer varios sensores alrededor de una sola pista (anillo) de manera que las posiciones consecutivas difieran en un solo sensor; el resultado es el codificador de código Gray de una sola pista .