Teoría encoders rotativos (vol#2)

por el 14 de marzo del 2017 en Detección Blog

INTRODUCCION

Los Encoders de Valor Absoluto (a partir de ahora los llamaremos encoders absolutos) suministran un código binario que se corresponde con la posición en la que se encuentra el eje.
Es decir, lee la posición del disco, no la transición de una posición a la siguiente (como ocurre con los encoders incrementales). Por lo tanto, estos encoders no pierden la posición en la que se encuentran aunque se muevan cuando no hay tensión de alimentación.

Este hecho supone una gran ventaja pues no es necesario posicionar la máquina en el origen después de una falta de tensión de alimentación.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Un emisor de luz infrarroja emite un haz  que atraviesa una máscara y el disco donde está serigrafiado el código binario en pistas circulares concéntricas al eje.
Cuando el disco (que está fijado al eje del encoder) gira, una matriz de foto-transistores recibe luces y sombras producidas cuando las pistas serigrafiadas en el disco interrumpen el haz de luz emitido por el diodo emisor.

encoder_absoluto_01

En el croquis anterior podemos ver el principio de funcionamiento del encoder absoluto. Como se puede apreciar, la luz del diodo emisor de infrarrojos, atraviesa el disco y la máscara e incide sobre los foto-transistores (hay tantos, como bits tiene el código binario que usa el encoder).

A continuación veamos el dibujo de un disco de valor absoluto:

encoder_absoluto_02

Como se puede observar, el disco está dividido en pistas circulares concéntricas. Cada pista (empezando por la más periférica y hacia el centro del disco) corresponde a un bit del código binario que se esté usando.
Los sectores en negro producen sombra en el Foto-Transistor correspondiente y el circuito electrónico suministra un “1” lógico en el bit en cuestión.
Los sectores en blanco dejan pasar la luz al Foto-Transistor y la electrónica suministra un “0” lógico para el bit al que corresponde.

En el ejemplo del dibujo, el número que está leyendo el encoder es:   0  0  1  0  0  1

 

ENCODERS ABSOLUTOS MONOVUELTAS Y MULTIVUELTAS

Hasta ahora hemos estado viendo que el encoder absoluto tiene un disco que gira solidario con el eje. Pero ¿qué ocurre cuando el Eje llega al final de la vuelta de 360º?.
Para contestar a esta pregunta hay que tener en cuenta que, con respecto a este punto, hay dos tipos de encoders:

  • Encoders mono-vuelta
  • Encoders multi-vueltas

Expliquemos que significa esto:

Encoders mono-vuelta:
El encoder suministra, en cada vuelta, el número de lecturas (pasos) que tenga el disco que lleva en su interior. Cuando llaga al final de la vuelta, vuelve a empezar la lectura por el principio. Por ejemplo, supongamos que el encoder lleva un disco de 360 pasos, entonces la secuencia que suministra es la siguiente:

encoder_absoluto_03

Es decir, el receptor de la señal del encoder sabe cual es la posición del disco en cada vuelta, pero no sabe en que vuelta está el eje ó cuantas vueltas ha dado.
Este tipo de encoders se usa cuando el eje del encoder no va a dar más de una vuelta ó cuando se quiere controlar el ángulo de giro de una pieza (por ejemplo una antena orientable 360º).

Encoders multi-vueltas:
Este tipo de encoders permite saber, no solo en que posición está el eje sino también cuantas vueltas ha dado.
Para lograr esto, el encoder lleva en su interior, además del disco que indica el número de pasos por vuelta, otros discos (con distinta relación mecánica) que son los que contabilizan el número de vueltas del eje.

Estos discos auxiliares pueden ser uno, dos ó tres y también van codificados con el mismo código binario que el disco general.

Veamos un croquis ilustrativo:

encoder_absoluto_04

Cuando un encoder multi-vuelta sea de 16 vueltas llevará solo un disco auxiliar. Este disco dará una vuelta completa cada 16 vueltas del disco principal (16 vueltas del eje):

Número total de vueltas: 16 x 1 = 16

Cuando un encoder multi-vuelta de 256 vueltas llevará dos discos auxiliares. Cada 16 vueltas del disco principal (16 vueltas del eje), el primer disco auxiliar dará una vuelta y cada 16 vueltas del primer disco auxiliar dará una vuelta el segundo disco auxiliar:

Número total de vueltas: 16 x 16 = 256

Cuando un encoder multi-vuelta sea de 4.096 vueltas llevará tres discos auxiliares. Cada 16 vueltas de un disco, el siguiente da una vuelta. Por lo tanto:

Número total de vueltas 16 x 16 x 16 = 4.096

 

Por lo tanto, sabiendo el número de pasos por vuelta del disco principal, podemos saber el número máximo de pasos en todo el recorrido:

Ejemplo 1:
Tenemos un disco de 1.024 pasos/vuelta montado en un encoder multi-vuelta de 4.096 vueltas.
¿Cuál es el número de lecturas (pasos) total que dará el encoder ?

1.024 x 4.096 = 4.194.304 pasos

Ejemplo 2:
Tenemos un disco de 8.192 pasos/vuelta montado en un encoder multi-vuelta de 4.096 vueltas.
¿Cuál es el número de lecturas (pasos) total que dará el encoder ?

8.192 x 4.096 = 33.554.432 pasos

Así pues, sabiendo las necesidades de resolución que necesitamos en una aplicación determinada se puede elegir el encoder con los pasos por vuelta y el número de vueltas adecuados para obtener la solución óptima.

Ejemplo: Supongamos que vamos a controlar la posición de un eje con un recorrido útil máximo de 1.000 mm, y queremos una resolución y precisión de 0,001 mm (milésima de mm.).

Por otro lado la relación mecánica entre la rotación del eje del encoder y el desplazamiento lineal de la pieza es de 10 vueltas del eje del encoder por cada 2 milímetros de desplazamiento lineal de la pieza móvil (10 vueltas = 2.000 milésimas)

encoder_absoluto_05

Así pues, se deduce que necesitamos un encoder multi-vueltas de 4.096 pasos/vuelta y de más de 5.000 vueltas ( 8.192 vueltas) ya que:

El encoder da 5.000 vueltas para que la pieza móvil recorra los 1.000 mm (1m) y como tiene una resolución de 4.096 lecturas por vuelta, dará al final del recorrido:

5.000 vueltas x 4.096 pasos = 20.480.000 lecturas

Por lo tanto, para leer la posición correcta (1.000.000 milésimas de mm.) se debe realizar la siguiente operación:

Si 20.480.000 lecturas son ……………………… 1.000.000 milésimas de mm

1 lectura será …………………………………………  X                   “                “

Así pues  X = 0,0488281

 

Por lo tanto la posición real (PR) de la pieza móvil se calcula: PR = Lectura  *  0,0488281 milésimas mm

Esta es la operación que debe hacer el equipo que lea la señal del encoder (autómata programable, CNC, Etc.).

Comprobemos, con un ejemplo de una cota, que la resolución que sale es de milésima de mm:

En un momento determinado, el controlador ha leído la cifra 12.700.827. Entonces si realizamos la fórmula para calcular la posición real de la Pieza Móvil, tenemos:

 

PR = 12.700.827  *  0,0488281  =  620.157,25 milésimas de mm.

 

Si despreciamos los decimales (0,25) tendremos, tan solo, un error en la posición de 25 cien milésimas de mm. Por lo tanto entramos dentro de la resolución y precisión que queríamos.

 

¡Muchas gracias por su atención!

 

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