Ponderación de las ventajas y soluciones intermedias de las tecnologías de codificación

Los codificadores rotativos son componentes clave en el bucle de retroalimentación de control de movimiento de una variedad de aplicaciones, incluyendo equipos de automatización industrial y control de procesos, robótica, dispositivos médicos, energía, aeroespacial y más. Como dispositivos que traducen el movimiento mecánico en señales eléctricas, los codificadores proporcionan a los ingenieros datos esenciales, como la posición, la velocidad, la distancia y la dirección, que pueden utilizarse para optimizar el rendimiento de su sistema general.

La óptica, la magnética y la capacitiva representan las tres principales tecnologías de codificación de que dispone un ingeniero, pero la decisión de cuál de ellas será la más adecuada para la aplicación final viene acompañada de varias consideraciones. Para ayudar en este proceso de selección, este artículo proporcionará una visión general de la tecnología de codificadores ópticos, magnéticos y capacitivos, a la vez que se esbozan las ventajas y soluciones intermedias de cada una de ellas.

Resumen de la tecnología de codificación

Codificadores ópticos

Los codificadores ópticos han sido la elección popular en el mercado de control de movimiento durante muchos años. Se componen de una fuente de luz LED (típicamente infrarroja) y fotodetectores colocados en los lados opuestos de un disco codificador. Este disco está construido de plástico o vidrio y contiene una serie de líneas o ranuras transparentes y opacas alternas. Durante la rotación del disco, el camino de la luz LED es interrumpido por las líneas alternas o ranuras del disco, lo que a su vez produce la típica onda cuadrada A y pulsos de cuadratura B utilizados para determinar la rotación del eje y la velocidad.

Figura 1: Típicos pulsos de cuadratura A y B de un codificador óptico, incluyendo un pulso de índice (Fuente de la imagen: Same Sky)

Aunque se utilizan ampliamente, los codificadores ópticos tienen varios inconvenientes. En ambientes polvorientos y sucios, como las aplicaciones industriales, los contaminantes pueden acumularse en el disco e impedir que la luz del LED pase al sensor óptico. Esto afecta enormemente a la fiabilidad y precisión de los codificadores ópticos, ya que el disco contaminado puede hacer que los pulsos cuadrados sean esporádicos o se pierdan por completo. Los LED también tienen una vida útil limitada y con el tiempo se quemarán, lo que provocará el fallo del codificador. Además, el disco de vidrio o plástico es propenso a sufrir daños por vibraciones o temperaturas extremas, lo que limita su alcance útil en aplicaciones resistentes, mientras que su ensamblaje en motores puede llevar mucho tiempo y abrirlo a un mayor riesgo de contaminación. Por último, a resoluciones más altas los codificadores ópticos pueden consumir una corriente de más de 100 mA, lo que afecta aún más a su utilidad en los dispositivos móviles o que funcionan con baterías.

Codificadores magnéticos

De estructura similar a los codificadores ópticos, los codificadores magnéticos utilizan un campo magnético en lugar de un haz de luz. En lugar de la rueda óptica ranurada, los codificadores magnéticos tienen un disco magnetizado con polos alternos que gira sobre un conjunto de sensores de efecto hall o magnetorresistivos. Cualquier rotación de la rueda produce una respuesta en estos sensores, que se dirige a un circuito front-end de acondicionamiento de señal para determinar la posición del eje. Los codificadores magnéticos tienen la ventaja de ser mucho más duraderos y resistentes a los golpes y las vibraciones que los codificadores ópticos. Donde los codificadores ópticos también luchan con contaminantes como el polvo, la suciedad y el aceite, los codificadores magnéticos no se ven afectados, lo que los hace muy adecuados para entornos difíciles.

Sin embargo, los codificadores magnéticos se ven muy afectados por las interferencias magnéticas causadas por los motores eléctricos, sobre todo los motores paso a paso, y sufren un desplazamiento de posición debido a los cambios de temperatura. También se quedan cortos en cuanto a las alternativas ópticas y capacitivas debido a su relativamente menor resolución y precisión.

Codificadores capacitivos

Los tres componentes principales de un codificador capacitivo son un rotor, un transmisor estacionario y un receptor estacionario. La detección capacitiva utiliza patrones de barras o líneas, con un conjunto en el elemento fijo y otro en el elemento móvil, para formar un capacitor variable configurado como un par transmisor/receptor. El movimiento del rotor y su patrón sinusoidal unido al eje del motor producen una señal única, pero predecible que es interpretada por el ASIC integrado del codificador para calcular la posición del eje y la dirección de rotación.

Figura 2: Comparación de discos codificadores (Fuente de la imagen: Same Sky)

Beneficios del codificador capacitivo

Los codificadores capacitivos se adaptan a partir de los mismos principios utilizados para desarrollar el calibre digital Vernier, lo que da como resultado una solución que supera muchas de las deficiencias de los codificadores ópticos y magnéticos. La serie de codificadores AMT de Same Sky implementa esta tecnología basada en la capacidad que ha demostrado ofrecer una alta fiabilidad y precisión. Sin necesidad de LED o línea de visión, los codificadores capacitivos funcionan como se espera, incluso cuando se presentan con contaminantes ambientales como polvo, suciedad y aceite que impactan negativamente en los codificadores ópticos. También son menos susceptibles a la vibración que el disco de vidrio de un codificador óptico, así como a las temperaturas extremas de calor o frío. Como se mencionó anteriormente, sin LED para quemar, los codificadores capacitivos tienen una vida útil más larga que sus homólogos ópticos. Esto da como resultado un tamaño de paquete más pequeño y un menor consumo de corriente de 6 a 18 mA en todo su rango de resolución, lo que los hace más adecuados para aplicaciones alimentadas por baterías. Las interferencias magnéticas y el ruido eléctrico que presentan problemas para los codificadores magnéticos también son menos problemáticos para la tecnología capacitiva, lo que les da una mayor resistencia en comparación con los codificadores magnéticos, así como una mayor precisión y alta resolución.

La flexibilidad y la programabilidad son beneficios clave adicionales que ofrece la naturaleza digital de los codificadores capacitivos. Debido a que la resolución de un codificador óptico o magnético está determinada por el disco del codificador, se debe utilizar un nuevo codificador cada vez que se necesite otra resolución. Esto puede añadir tiempo y costo durante el proceso de diseño y fabricación. Con una gama de resoluciones programables, los codificadores capacitivos eliminan la necesidad de que el diseñador sustituya el codificador cada vez que se necesite una nueva resolución, lo que reduce el mantenimiento del inventario y simplifica la puesta a punto de un bucle de control PID y la optimización del sistema. Cuando se trata de la conmutación BLDC, los codificadores capacitivos permiten la alineación digital y el ajuste de un pulso de índice, lo cual puede ser una tarea iterativa y que consume mucho tiempo para los codificadores ópticos. Las capacidades de diagnóstico incorporadas dan a los diseñadores un mayor acceso a los datos del sistema que se utilizan para la optimización o la solución de problemas sobre el terreno.

Figura 3: Comparación de los principales indicadores de rendimiento de la tecnología capacitiva, óptica y magnética (Fuente de la imagen: Same Sky)

Ponderación de las opciones

La temperatura, la vibración y los contaminantes ambientales son factores importantes que un codificador debe tratar en muchas aplicaciones de control de movimiento. Los codificadores capacitivos han demostrado que pueden superar estos desafíos, proporcionando a los diseñadores una solución fiable, precisa y flexible en comparación con la tecnología óptica o magnética. Su naturaleza digital también lleva a los codificadores capacitivos a la era moderna de las aplicaciones de Internet de las Cosas (IoT) y de la IoT Industrial (IIoT) con mayor capacidad de programación y de diagnóstico.