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Codificadores de posición angular
Descripción y funcionamiento

por Eduardo J. Carletti

Información completa sobre -> Sensores para Robots

Introducción

Los transductores de la posición angular de un eje son componentes fundamentales en la tecnología de control. Es difícil encontrar sistemas mecánicos industriales automatizados que no tengan varios ejes de movimiento angular o lineal. Utilizando un acoplamiento directo o algún tipo de acoplamiento mecánico que realice la adaptación, un codificador de la posición angular se puede utilizar en el monitoreo de cualquier tipo de desplazamiento.


Métodos de codificación

Listamos los tipos de transductores de posición angular de eje que son comunes en control industrial:

  1. Potenciómetros
  2. Codificadores incrementales
  3. Codificadores absolutos
  4. Resolvers


       Diagrama de un potenciómetro.
En verde, el anillo de resistor

Potenciómetros

Dentro de un potenciómetro normal encontraremos un anillo circular de material resistivo (resistor). Sobre el eje del potenciómetro hay un contacto que gira, deslizándose sobre este material resistivo. La resistencia eléctrica entre un extremo del anillo y el contacto es proporcional a la posición angular del eje.

Si se aplica un voltaje entre los extremos del resistor del potenciómetro, el voltaje en el contacto varía en relación directa con la posición angular del eje. Este voltaje se puede ingresar a un convertidor analógico-digital (A/D) para obtener el valor digital de la posición angular.


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.

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.

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. Están 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.

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 potenciómetros son útiles para aplicaciones con precisiones entre 0,5 a 5 %. Son los dispositivos más baratos que existen para este uso. Debido a que están sujetos a desgaste mecánico, su aplicación se limita a productos hogareños y en industrias donde no es importante la seguridad y duración.

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.


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