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:
- Potenciómetros
- Codificadores incrementales
- Codificadores absolutos
- Resolvers
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Diagrama de un potenciómetro.
En verde, el anillo de resistor
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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
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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
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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.
