Codificador incremental

La resolución de un codificador incremental es una medida de la precisión de la información de posición que produce. La resolución del codificador se especifica típicamente en términos del número de pulsos A (o B ) por unidad de desplazamiento o, equivalentemente, el número de ciclos de onda cuadrada A (o B ) por unidad de desplazamiento. En el caso de los codificadores rotativos, la resolución se especifica como el número de pulsos por revolución (PPR) o ciclos por revolución (CPR), ^{[ 3 ]} mientras que la resolución del codificador lineal se especifica típicamente como el número de pulsos emitidos para una distancia de recorrido lineal particular (por ejemplo, 1000 pulsos por mm ).

Esto difiere de la resolución de medición, que se refiere al cambio de posición más pequeño que el codificador puede detectar. Cada flanco de señal en la salida A o B corresponde a un cambio de posición discreto. Dado que un ciclo completo de onda cuadrada en A (o B ) incluye cuatro flancos ( A ascendente , B ascendente, A descendente y B descendente) , la resolución de medición es una cuarta parte de la distancia representada por un ciclo completo. Por ejemplo, un codificador lineal con una resolución de 1000 pulsos por milímetro tiene una resolución por ciclo de 1 μm (1 mm / 1000 ciclos), lo que resulta en una resolución de medición de 250 nm (1 μm / 4).

Cuando se mueve a velocidad constante, un codificador incremental ideal generaría ondas cuadradas perfectas en A y B (es decir, los pulsos tendrían un ancho exacto de 180° y un ciclo de trabajo del 50%), con una diferencia de fase de 90° entre las señales A y B. Sin embargo, en los codificadores reales, debido a las imperfecciones del sensor y las variaciones de velocidad, el ancho de los pulsos nunca es exactamente de 180° y la diferencia de fase nunca es exactamente de 90°. Además, el ancho de los pulsos A y B varía de un ciclo a otro (y entre sí), y la diferencia de fase varía en cada flanco de la señal A y B. En consecuencia, tanto el ancho del pulso como la diferencia de fase variarán en un rango de valores.

Para cualquier codificador en particular, los rangos de ancho de pulso y diferencia de fase se definen mediante las especificaciones de "simetría" y "fase" (o "desfase"), respectivamente. Por ejemplo, en el caso de un codificador con una simetría especificada de 180° ±25°, se garantiza que el ancho de cada pulso de salida sea de al menos 155° y no más de 205°. De manera similar, con una fase especificada de 90° ±20°, la diferencia de fase en cada flanco A o B será de al menos 70° y no más de 110°.

Los controladores de colector abierto (que utilizan un transistor NPN) o los controladores de drenaje abierto que utilizan un MOSFET de tipo n ) permiten el funcionamiento en un amplio rango de voltajes de señal y, a menudo, pueden absorber una corriente de salida significativa, lo que los hace útiles para controlar directamente bucles de corriente , optoacopladores y transmisores de fibra óptica .

Dado que no puede suministrar corriente, la salida de un controlador de colector abierto debe conectarse a una tensión continua positiva mediante una resistencia de polarización . Algunos codificadores incorporan una resistencia interna para este fin; otros no, por lo que requieren una resistencia de polarización externa. En este último caso, la resistencia suele ubicarse cerca de la interfaz del codificador para mejorar la inmunidad al ruido.

La tensión de la señal lógica de alto nivel del codificador está determinada por la tensión aplicada a la resistencia de polarización ( V _OH en el esquema), mientras que la corriente de salida de bajo nivel está determinada tanto por la tensión de la señal como por la resistencia de carga (incluida la resistencia de polarización). Cuando el controlador cambia del nivel lógico bajo al alto , la resistencia de carga y la capacitancia del circuito actúan conjuntamente para formar un filtro de paso bajo , que alarga (aumenta) el tiempo de subida de la señal y, por lo tanto, limita su frecuencia de conmutación máxima.

Los codificadores incrementales mecánicos (o de contacto ) ^{[ 5 ]} utilizan contactos eléctricos deslizantes para generar directamente las señales de salida A y B. ^{[ 2 ]} Normalmente, los contactos se conectan eléctricamente a tierra de señal cuando están cerrados, de modo que las salidas se "activan" a nivel bajo, lo que los convierte efectivamente en equivalentes mecánicos de controladores de colector abierto y, por lo tanto, están sujetos a los mismos requisitos de acondicionamiento de señal (es decir, resistencia pull-up externa).

La frecuencia de salida máxima está limitada por los mismos factores que afectan a las salidas de colector abierto, y además por el rebote de los contactos (que debe filtrarse) y por la velocidad de funcionamiento de los contactos mecánicos, lo que hace que estos dispositivos no sean prácticos para operaciones de alta frecuencia. Asimismo, los contactos sufren desgaste mecánico durante el funcionamiento normal, lo que limita la vida útil de estos dispositivos. Por otro lado, los codificadores mecánicos pueden ser relativamente económicos y carecen de electrónica activa interna. Estas características los convierten en una buena opción para controles manuales (por ejemplo, controles de volumen en equipos de audio y controles de voltaje en fuentes de alimentación de laboratorio ) y diversas aplicaciones de baja frecuencia y bajo consumo.

Las salidas push-pull (por ejemplo, TTL ) se utilizan normalmente para la interfaz directa con circuitos lógicos. Son ideales para aplicaciones en las que el codificador y la interfaz se encuentran cerca (por ejemplo, interconectados mediante conductores de circuitos impresos o cables cortos apantallados) y se alimentan de una fuente de alimentación común, evitando así la exposición a campos eléctricos, bucles de tierra y efectos de línea de transmisión que podrían corromper las señales y, por lo tanto, interrumpir el seguimiento de posición o, peor aún, dañar la interfaz del codificador.

La señalización diferencial RS-422 se prefiere generalmente cuando el codificador generará altas frecuencias o estará ubicado lejos de la interfaz del codificador, ^{[ 5 ] [ 6 ]} o cuando las señales del codificador puedan estar sujetas a campos eléctricos o voltajes de modo común, ^{[ 5 ]} o cuando la interfaz deba poder detectar problemas de conectividad entre el codificador y la interfaz. Ejemplos de esto incluyen máquinas de medición por coordenadas (CMM) y maquinaria CNC , robótica industrial , automatización de fábricas y plataformas de movimiento utilizadas en simuladores de aeronaves y naves espaciales.

Cuando se utilizan salidas RS-422, el codificador proporciona un par de conductores diferenciales para cada salida lógica; por ejemplo, "A" y "/A" son designaciones comúnmente utilizadas para el par diferencial activo alto y activo bajo que conforma la salida lógica A del codificador . En consecuencia, la interfaz del codificador debe proporcionar receptores de línea RS-422 para convertir los pares RS-422 entrantes a lógica de terminación simple. ^{[ 5 ]}

Los codificadores incrementales se utilizan habitualmente para monitorizar la posición física de dispositivos mecánicos. El codificador incremental se fija mecánicamente al dispositivo que se va a monitorizar, de modo que sus señales de salida cambian a medida que el dispositivo se mueve. Algunos ejemplos de dispositivos que los utilizan son las bolas de los ratones y trackballs mecánicos, los mandos de control de los equipos electrónicos y los ejes giratorios de las antenas de radar.

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  Los trackballs y los ratones electromecánicos de ordenador emplean dos codificadores rotativos incrementales para facilitar el seguimiento de la posición en dos ejes.
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  Los controles de los equipos electrónicos a menudo se implementan con una perilla conectada a un codificador mecánico (mostrado con la perilla desmontada).
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  En las antenas de radar marinas comerciales , normalmente se acopla un codificador incremental rotatorio al eje giratorio de la antena para monitorizar el ángulo de la antena.
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  La ubicación de un tractor de inspección de tuberías por vídeo se monitoriza normalmente mediante un codificador incremental rotatorio acoplado al carrete del cable del tractor.

Un codificador incremental no registra la posición actual del codificador ni sus salidas la indican; solo informa los cambios incrementales de posición. ^{[ 3 ]} Por consiguiente, para determinar la posición del codificador en un momento dado, es necesario proporcionar electrónica externa que registre dicha posición. Este circuito externo, conocido como interfaz de codificador incremental, registra la posición contando los cambios incrementales de posición.

Al recibir cada informe de cambio de posición incremental (indicado por una transición de la señal A o B ), una interfaz de codificador considera la relación de fase entre A y B y, según el signo de la diferencia de fase, realiza un conteo ascendente o descendente. El valor acumulado de "conteos" indica la distancia recorrida desde que comenzó el seguimiento. Este mecanismo garantiza un seguimiento de posición preciso en aplicaciones bidireccionales y, en aplicaciones unidireccionales, evita conteos erróneos que de otro modo resultarían de vibraciones o fluctuaciones mecánicas cerca de una transición de código AB.

Los codificadores incrementales se utilizan comúnmente para medir la velocidad de sistemas mecánicos. Esto puede hacerse con fines de monitorización, para proporcionar retroalimentación para el control de movimiento , o para ambos. ^{[ 5 ]} Entre sus aplicaciones más extendidas se incluyen el control de velocidad de rotación de antenas de radar y transportadores de material , así como el control de movimiento en robótica , máquinas de medición por coordenadas (CMM) y máquinas CNC .

Las interfaces de codificador incremental se centran principalmente en el seguimiento del desplazamiento mecánico y, por lo general, no miden la velocidad directamente. Por consiguiente, la velocidad debe medirse indirectamente calculando la derivada de la posición con respecto al tiempo. La señal de posición está intrínsecamente cuantificada , lo que plantea dificultades para calcular la derivada debido al error de cuantificación, especialmente a bajas velocidades.

La velocidad del codificador se puede determinar contando o midiendo el tiempo de los pulsos (o flancos) de salida del codificador. ^{[ 7 ]} El valor resultante indica una frecuencia o un período, respectivamente, a partir de los cuales se puede calcular la velocidad. La velocidad es proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional al período.

Las interfaces de codificador incremental utilizan diversos tipos de circuitos electrónicos para recibir las señales generadas por el codificador. Estos receptores de línea actúan como búferes para proteger los circuitos de interfaz posteriores y, en muchos casos, también proporcionan funciones de acondicionamiento de señal.

Una interfaz de codificador incremental se compone principalmente de lógica secuencial controlada por una señal de reloj . Sin embargo, las señales de entrada del codificador son asíncronas con respecto al reloj de la interfaz, ya que su temporización está determinada únicamente por el movimiento del codificador. Por consiguiente, las señales de salida de los receptores de las líneas A y B (y también Z y alarma , si se utilizan) deben sincronizarse con el reloj de la interfaz, tanto para evitar errores debidos a la metaestabilidad como para forzar a las señales a entrar en el dominio del reloj del decodificador de cuadratura. ^{[ 9 ]}

Normalmente, esta sincronización se realiza mediante sincronizadores independientes de una sola señal, como el sincronizador de dos biestables que se muestra aquí. A frecuencias de reloj muy altas, o cuando se necesita una tasa de error muy baja, los sincronizadores pueden incluir biestables adicionales para lograr una tasa de error de bits aceptablemente baja . ^{[ 10 ]}

En muchos casos, una interfaz de codificador debe filtrar las señales de codificador sincronizadas antes de procesarlas. Esto puede ser necesario para rechazar el ruido de bajo nivel y los picos de ruido breves y de gran amplitud que se encuentran comúnmente en las aplicaciones de motores ^{[ 11 ]} y, en el caso de los codificadores de tipo mecánico, para eliminar el rebote de A y B y evitar errores de conteo debido al rebote del contacto mecánico .

Las interfaces basadas en hardware suelen proporcionar filtros programables para las señales del codificador, lo que ofrece una amplia gama de ajustes y permite eliminar el rebote de los contactos o suprimir los transitorios resultantes del ruido o de señales de variación lenta, según sea necesario. En las interfaces basadas en software, A y B normalmente se conectan a GPIO que se muestrean (mediante sondeo o interrupciones de flanco) y se les aplica un filtrado de rebote por software.

Las interfaces de codificador incremental suelen utilizar un decodificador de cuadratura para convertir las señales A y B en las señales de habilitación de dirección y conteo (habilitación de reloj) necesarias para controlar un contador síncrono bidireccional (de conteo ascendente y descendente) .

Normalmente, un decodificador de cuadratura se implementa como una máquina de estados finitos (FSM) que muestrea simultáneamente las señales A y B , produciendo así muestras "AB" amalgamadas. A medida que se adquiere cada nueva muestra AB, la FSM almacena la muestra AB anterior para su posterior análisis. La FSM evalúa las diferencias entre los estados AB nuevos y anteriores y genera señales de habilitación de dirección y conteo según corresponda a la secuencia de estados AB detectada. ^{[ 11 ]}

Desde la perspectiva de una aplicación, el propósito fundamental de una interfaz de codificador incremental es informar la información de posición bajo demanda. Dependiendo de la aplicación, esto puede ser tan simple como permitir que la computadora lea el contador de posición en cualquier momento bajo el control del programa. En sistemas más complejos, el contador de posición puede ser muestreado y procesado por máquinas de estados intermedias, que a su vez ponen las muestras a disposición de la computadora.