Codificadores absolutos y codificadores incrementales

Terminología

Primero, aclaremos la terminología. Algunos ingenieros se preguntan sobre la diferencia entre los sensores de ángulo, transductores de ángulo, codificadores de ángulo, sensores rotatorios y codificadores rotatorios. La respuesta es ninguna. Todos esos dispositivos proporcionan una señal eléctrica en proporción al ángulo o cambio de ángulo.

A efectos del presente artículo simplemente utilizaremos el término «codificador».

Codificadores incrementales y codificadores absolutos

Los codificadores se pueden dividir en dos tipos básicos: codificadores incrementales y absolutos.

La característica distintiva de un codificador incremental es que indica un cambio en el ángulo. Es decir, cuando un codificador incremental se enciende, no indica su posición angular hasta que se le proporciona un punto de referencia desde que el lo mide.

Un codificador absoluto indica sin ambigüedad su posición dentro de una escala o rango. Es decir, cuando un codificador absoluto se enciende, indica su posición angular sin necesidad de un punto de referencia o de movimiento. «¿Qué ocurre al encenderlo?» es una buena prueba para diferenciar un codificador absoluto de un codificador incremental.

Resulta confuso que algunos fabricantes comercialicen codificadores «pseudoabsolutos» Al encender estos codificadores es necesario sacudirlos o moverlos para que determinen el ángulo absoluto. Una descripción más precisa sería codificadores incrementales que necesitan un paso de calibración limitado antes de emitir datos absolutos.

Si un codificador de ángulo tiene que realizar algún paso de calibración, es incremental; si no, es absoluto.

Tecnología de codificador de ángulo

Las industrias siguen utilizando más habitualmente los potenciómetros que cualquier otro dispositivo para medir el ángulo. No obstante, durante los últimos 25 años el uso de técnicas sin contacto ha crecido significativamente. La tendencia continua hacia las mediciones sin contacto se debe a los problemas de desgaste y fiabilidad de los potenciómetros, especialmente en entornos complicados (vibración importante) o durante grandes periodos de tiempo.

Los codificadores ópticos son una forma común de codificador rotatorio sin contacto. Funcionan haciendo brillar una luz a través de, o dentro de la rejilla óptica y calculando la posición por la intensidad de la luz que vuelve. La mayoría de los dispositivos ópticos son incrementales. Normalmente, la información de posición se proporciona mediante una serie de pulsos, sobre todo en la fase de cuadratura, de forma que se pueda determinar la dirección del desplazamiento. Se les suele denominar pulsos A/B. Un tren de impulsos separado, denominado normalmente referencia Z, proporciona un pulso por revolución para actuar como un dato o marca de referencia.

Figura 1: esquema de un codificador incremental con un pulso de referencia.

El codificador absoluto es similar, pero utiliza un tipo de escala diferente. Esto permite determinar el ángulo absoluto nada más encenderse, sin necesidad de ninguna marca de referencia. Normalmente los codificadores absolutos tienen una salida digital y su resolución se define por el número de bits de salida. Un dispositivo de 10 bits ofrece 1.024 recuentos, uno de 11 bits ofrece 2.048 recuentos y así sucesivamente.

Comunicaciones de codificador de ángulo

Tradicionalmente existían dos formas para los codificadores absolutos de comunicar el ángulo: datos en serie o datos en paralelo. El uso de datos en serie de alta velocidad ahora es el dominante, siendo raro encontrarse datos en paralelo hoy en día. Los datos en serie se proporcionan normalmente según el estándar hardware RS-422 y en varios formatos. Los formatos más populares para los codificadores absolutos son SSI (Synchronous Serial Interface), BiSS-C y SPI (Serial Peripheral Interface). Estos en particular son estándares abiertos. Algunos fabricantes de codificadores han lanzado y promocionado sus propios estándares de comunicaciones cerrados en un intento de captar a clientes incautos para que solo puedan utilizar sus productos. ¡Cuidado!

Las ventajas relativas de los codificadores absolutos y codificadores incrementales

Tradicionalmente los codificadores absolutos han tenido un precio superior al de los codificadores incrementales. Aunque esto sigue siendo vigente, la diferencia no es tan grande.

Un cambio hacia los codificadores absolutos (sin contacto) puede ofrecer un mejor rendimiento, mayor precisión y menores costes generales. Esto se debe a que puede haber problemas prácticos con el enfoque de sensor incremental. El más obvio es que cada vez que se pierde el suministro de energía, el sistema debe realizar un paso de calibración que ralentiza el rendimiento del sistema y puede tener implicaciones de seguridad si se pierde el suministro de energía de repente.

En segundo lugar, la posición se calcula mediante el recuento desde una marca de referencia. En algunos casos, especialmente con cambios de variación en el suministro de tensión y de posición de alta velocidad, se puede perder el recuento. Tiene un efecto potencialmente catastrófico en el funcionamiento que, si no se comprueba, puede provocar un funcionamiento prolongado sin sincronización. La mayoría de los codificadores incrementales están basados en técnicas ópticas y para proporcionar unas lecturas de alta resolución se deben utilizar una configuración muy precisa de la rejilla óptica. A veces las escalas de medición son con precisión de micrones. Aunque estas características precisas aumentan la sensibilidad, también implica que son más delicadas y susceptibles a partículas extrañas. Pelusas, condensación, grasa o suciedad pueden provocar que un codificador óptico deje de funcionar o, peor aún, genere lecturas incorrectas.

Codificadores ópticos y codificadores inductivos

La diferencia en el precio entre los codificadores incrementales y absolutos se ha reducido en los últimos años, en parte debido a un mayor uso de sensores absolutos pero, sobre todo, por la introducción de nuevas técnicas de detección absoluta.

Aunque los sensores ópticos siguen siendo una elección frecuente para algunos ingenieros, la nueva generación de codificadores inductivos (a veces denominados incoders) ofrece una medición de ángulo absoluta, precisa y que no se ve afectada por entornos complicados.

En lugar de una rejilla y un detector óptico, los codificadores inductivos utilizan bobinados laminados e impresos y sus principios de funcionamiento son parecidos a los de un transformador o resolucionador. Sus principios físicos les permiten una codificación absoluta, compacta, ligera y de alta resolución. Además de ser básicamente absolutos ofrecen otras ventajas: no se ven afectados por partículas extrañas y su rendimiento de medición tampoco reacciona negativamente a compensaciones o tolerancias de montaje. Esto significa que no necesitan sus propias carcasas de precisión o conjuntos de cojinetes, sino que se pueden atornillar al sistema huésped, por ejemplo: un motor o actuador. A cambio, permite una simplificación radical, una reducción del peso y el tamaño de la maquinaria local mediante la eliminación de cojinetes, ejes, acoplamientos, sellos, etc. Otra ventaja de esta nueva generación de codificadores inductivos es que son axialmente más finos y se pueden instalar en un hueco amplio para permitir el paso del eje, los cables o los anillos colectores.