Sistemas de medición Codificadores Fabián A
Codificadores de posición
Codificadores incrementales Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un fotosensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.
Discos de codificador incremental Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouses (ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro (midiendo el tiempo entre pulsos). Estos codificadores son baratos pero no ofrecen una posición absoluta (como el potenciómetro), ya que el disco es igual en toda su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado (en qué ángulo absoluto) el eje. Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás.
Codificadores absolutos Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.
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Disco de codificador absoluto Por razones de precisión óptica, la codificación se suele hacer en una codificación llamada código Gray, que luego se traduce en el código binario estándar que utiliza una computadora para sus cuentas.
Resolvers Sinceramente, no he encontrado el nombre en español de este codificador, así que los llamaré con su nombre en inglés: "resolver". Los resolvers parecen pequeños motores pero son, esencialmente, transformadores rotativos diseñados de tal modo que su coeficiente de acoplamiento entre el rotor y el estator varía según sea la posición angular del eje. En su dideño más simple, el resolver consta de dos bobinados en el estator, que detectan una señal senoidal de inducción, emitida por un tercer bobinado desde el rotor; una de las bobinas detectoras corresponde al seno y la otra al coseno (están ubicadas en posiciones separadas, obviamente, por un ángulo de 90°). La bobina excitadora del rotor es alimentada por una señal de corriente alterna senoidal que le llega a través de anillos de metal (contactos) ubicados sobre el eje, y escobillas. Este diseño tiene el inconveniente de que el mecanismo de escobillas sufre un desgaste continuo, lo que hace posible, pasado cierto tiempo de uso, que desde ahí se ingrese ruido en la señal. Tanto el rotor como el estator están construidos con un núcleo de hierro laminado.
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Existe una solución de resolver sin escobillas, que está implementada por un transformador rotativo, con el primario sobre el estator y el secundario en el rotor. Aquí tambien el rotor y el estator son núcleos de hierro laminado. Igual que en el caso anterior, el resolver tiene dos bobinados en el estator, que detectan la señal senoidal que se induce desde el rotor. Está n unicados en posiciones separadas por un ángulo de 90°. En el rotor existen otros dos bobinados: uno es el excitador, que induce una señal alterna senoidal, generalmente con una frecuencia del orden de los 400-500 hz, y el otro es el secundario de un transformador por el que llega al rotor la señal de alimentación de la bobina excitadora. Esta configuración logra que el rotor no tenga escobillas, con lo que se evita un elemento que sufre desgaste, que es sensible a los impactos y vibraciones, y que sin duda introduciría ruidos que pueden causar errores. En una parte aislada del estator está el primario del transformador de alimentación de señal.
En ambos modelos, cuando la bobina excitadora del rotor recibe una alimentación de señal senoidal, cada una de las bobinas detectoras del estator es inducida con una señal cuyo voltaje de salida varía de acuerdo al seno de la posición del eje para una de ellas y el coseno de la posición del eje para la otra.
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Las señales de las bobinas detectoras del estator se llevan a un tipo especial de convertidor analógico digital, conocido como conversor resolver a digital (R/D converter).
Sincros (syncro) Según he entendido, este tipo de resolver, llamado sincro-resolver o simplemente sincro, no tiene bobinas en el rotor. El rotor es sólido y tiene un dibujo mecanizado sobre él. El sincro tiene dos bobinas detectoras, igual que en el caso anterior separadas por un ángulo de 90°, y una bobina excitadora, todas ubicadas en el estator. Al girar, el acople magnético varía a causa del dibujo que se ha realizado sobre el rotor. La electrónica necesaria para convertir a digital es similar a la de los conversores R/D.
Comparando técnicas Los codificadores incrementales son razonablemente baratos. Se los usa extensamente en la industria, aunque su rendimiento es casi marginal en entornos críticos. Los discos se pueden quebrar si reciben impactos y se pueden producir errores por condensación. La volatilidad de su salida puede hacerlos no aceptables en algunas aplicaciones. Los codificadores absolutos cubren un rango que va desde los medianamente costosos a los de alto costo, dependiendo de la resolución necesaria. Como sus similares incrementales, en algunas aplicaciones extremas pueden tener algunas limitaciones de performance. Los sincros son relativamente caros pero ofrecen alta precisión. Debido a que virtualmente no tienen partes móviles sujetas a desgaste, son muy seguros. Se necesita una electrónica costosa para convertir la señal a digital y para proveer la excitación.
Construcción de codificadores.
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En un codificador de posición incremental hay un disco, con poca inercia, que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar, por ejemplo, el eje de un motor. El disco posee dos tipos de zonas: transparente (agujeros) y opaca, dispuestas de forma alternativa y equidistante, tal como muestra la siguiente figura: El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje. Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente (es decir encendido) y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje. Codificación Binaria: Un ejemplo de un código binario en un codificador extremadamente simplificado con solamente tres contactos, se demuestra abajo:
Generalmente, si hay n contactos, el número de posiciones distintas del eje es 2n. En este ejemplo, n es 3, así que hay 23, es decir, 8 posiciones. En el ejemplo anterior, los contactos producen una cuenta binaria a medida que el disco gira. Sin embargo, esto tiene la desventaja de que si el disco para entre dos sectores adyacentes, o los contactos no se alinean perfectamente, es imposible determinar el ángulo del eje. Para ilustrar este problema, se considera que el ángulo del eje cambia de 179.9º a 180.1º (sector 4 a sector 5). En cierto instante, según la tabla anterior, el patrón del contacto cambiará de "OFF-ON-ON" a "ON-OFF-OFF". Sin embargo, no sucede realmente. En un dispositivo práctico, los contactos nunca se alinean perfectamente, de modo que cada uno cambiará en diverso momento. Si el contacto 1 cambia primero, seguido por el contacto 3 y luego el contacto 2, por ejemplo, la secuencia real de códigos será: OFF-ON-ON ON-ON-ON
(Primero,
(Posición se
activa
de el
contacto
salida) 1)
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ON-ON-OFF ON-OFF-OFF
(Después se (Por último,
desactiva se desactiva
el el
contacto contacto
3) 2)
Codificación con código de Gray: Éste es un sistema de código binario en el cual dos códigos adyacentes sólo se diferencian en una posición. Para entrar en contacto con el ejemplo dado arriba, la versión Grey Cifrada será la siguiente:
Sistemas de acondicionamiento codificadores. Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible. Un circuito oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.
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Aplicaciones La variante de la cuadratura es la más frecuente de uso industrial, aún cuando es sofisticado y los transductores absolutos más resistentes han estado en el mercado por un tiempo. La mayoría de los usos están satisfechos con una función autoguiada hacia el blanco inicial en energía hasta que alcanzan la colocación absoluta deseada. El cableado simple está asociado a los codificadores de la cuadratura. Y como tal, ha llegado a ser notablemente más barato que el resto de las operaciones de precisión. El único competidor serio que ha notado es el discernidor de imágenes. Esto será debido al discernidor de imágenes que es capaz de soportar así mismo los ambientes del picadillo como el funcionamiento de líquidos. Otra tendencia que puede suceder son los transductores modernos que se diseñan al salir la cuadratura mientras señala que no son realmente codificadores de la cuadratura en todos. Durante los años 1980 y 1990, el mouse, con el interior rotatorio de dos codificadores de la cuadratura era popular como socio al fenómeno de interfaz gráfica de usuario de levantamiento. Este aparato iba a ser utilizado como estación de trabajo pero fue considerado una aceptación mucho más grande para la computadora. El codificador rotatorio vio que una declinación rápida en este papel como el ratón óptico llegó más lejos en la escena en el año 2000. Como nota lateral, estos "opticales" también producen la cuadratura que señala, aún cuando el mercado masivo de la PC ha utilizado siempre el puerto serial del comando para recolectar los deltas.
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Un ejemplo de codificadores tanto rotativos como lineales es la marca TR Electronic, marca alemana pionera en el mundo de los sistemas de posicionamiento, especializada en todo tipo de codificadores sobre todo para uso industrial. Fuentes http://es.wikipedia.org/wiki/Codificador_rotatorioes.wikipedia.org/wiki/Codificador_rotatorio http://robots-argentina.com.ar/SensoresAngulares_resolver.htm http://medicionesindustriales-velandia.blogspot.com/2008/07/1-codificadores-de-posicin.html http://medicionesindustriales-velandia.blogspot.com/2008/07/11-construccin-de-codificadores.html http://medicionesindustriales-velandia.blogspot.com/2008/07/12-sistemas-deacondicionamiento.html
