Codificadores

introducción a los codficadores ópticos para estudiantes de ingeniería

1. Automatización Industrial 72.06
1
Codificadores Codificadores
ÓÓ
pticos pticos
FIUBA

2. Automatización Industrial 72.06
2
Codificadores Ópticos
z
Son elementos que convierten movimiento
en una secuencia de
pulsos digitales.
z
Se denominan ópticos pues la detección del movimiento se realiza en
base a fenómenos fotoeléctricos, utilizando LEDS y Fotodetectores.
CLASIFICACIÓN
Lineal
:Transforma movimiento rectilíneo en una serie de pulsos digitales.
Rotativo
:Transforma movimiento angular en una serie de pulsos digitales.
Incrementales
:cuentan bits simples y acumulan el conteo, permitiendo
medir movimientos relativos. Absolutos
: Decodifican un conjunto de bits y permiten determinar
movimientos absolutos.
“ENCODERS”

3. Automatización Industrial 72.06
3
Principio de Funcionamiento
Encoderincremental
El disco reticulado o grilla, que alterna bandas opacas y transparentes gira asociado al eje cuyo movimiento se desea medir. Este “track” es iluminado en forma perpendicular por un haz emitido por un LED, y su “sombra” es detectada por un fotoreceptor de luz, que tiene una máscara, llamada colimador con el mismo paso que el “track” giratorio. La salida de los fotoreceptores es una señal eléctrica; es decir transforman las variaciones de luz en variaciones eléctricas. Esta señal eléctrica es procesada electrónicamente para proveer pulsos bien encuadrados.

4. Automatización Industrial 72.06
4
Encoderincremental
Para incrementar la calidad de la señal se utilizan dos señales idénticas, pero
desfasadas 90°. Es decir en “cuadratura”. Se toma la diferencia entre ambas, para
eliminar las interferencias de “modo común”.
Ambas señales son los llamados “canal A” y “canal B”.
Con la información de un solo canal se tiene la información de la velocidad de
rotación, por ejemplo los pulsos por revolución (PPR).
En el caso de los codificadores lineales la salida será pulsos por milímetro o pulsos
por pulgada de traslación.
Cuando se requiere sensar la dirección del gi ro o traslación, se utiliza la información
de ambos canales. La circuitería electrónic a determina la dirección del movimiento en
base a la relación de fase o secuencia entre ellos.

5. Automatización Industrial 72.06
5
Encoderincremental
Puede haber disponible otro canal, llamado “marker”, “index”, “canal Z”, o “canal cero”. Sirve para definir la posición absoluta del cero. Es básicamente un pulso cuadrado con fase y amplitud centrada en el canal A, que se produce una vez por revolución o giro del eje. En el caso lineal se produce en una posición determinada del recorrido. La cuenta obtenida por un codificador incremental está sujeta a pérdida durante una interrupción de energía o corrupción por transitorios eléctricos. Cuando se enciende, el equipo debe ser llevado a una referencia o posición de inicio para inicializar el contador. Para ello se utiliza el tercer canal (posicionamiento en “home”).

6. Automatización Industrial 72.06
6
Encoderincremental
Cuando se necesita más resolución, es posible para el contador contar los flancos ascendentes y descendentes del tren de pulsos de un canal, lo cual duplica (×2) el número de pulsos contados para una rotación o milímetro de movimiento. Contando ambos flancos, para ambos canales, dará resolución x 4.

7. Automatización Industrial 72.06
7
Decodificación
Encoderincremental

8. Automatización Industrial 72.06
8
Encoderincremental
La precisión se verá afectada por diversos factores,
tanto mecánicos, como eléctricos: precisión del
reticulado o grilla, exc entricidad, alineamiento,
rodamientos, estabilid ad de los componentes
electrónicos, errores de conversión, etc.
Por esta razón en general se habla de resolución y
no de precisión.
El error de división es el máximo desplazamiento
expresado en grados eléctricos de dos frentes de onda
consecutivos.
El desfasaje entre canales, nominalmente de 90° tiene
también un error.

9. Automatización Industrial 72.06
9
Precisión y Resolución.
La resolución es el número de segmentos de medición o unidades en
un giro del eje.
Típicamente para un encoder rotativo incremental hay resoluciones de 10,000 pulsos por revolución (PPR) en forma directa o de 40,000 PPR al detectar flancos de los canales A y B. Para los encoders lineales, hablamos de resolución medida en micrones

10. Automatización Industrial 72.06
10
Precisión y Resolución.
En cambio en este caso, la distancia X está
dividida en 24 partes iguales. Cada incremento
representa exactamente 1/24 de giro. Este
transductor opera con precisión y con resolución.
La resolución no es lo único que importa. Precisión y Resolución son diferentes. Es posible tener una sin la otra.
Sea como en la figura una distancia X dividida en 24 incrementos o “bits”. Si X representa 360°de rotación del eje, entonces una revolución o giro ha sido resuelta en 24 partes. Es decir son 24 bits de resolución. Pero como
las 24 partes no son uniformes, este
transductor no podría ser usado para medir
posición, velocidad o aceleración con
precisión.
La precisión sin embargo, puede ser independiente de la resolución.
Un transductor puede tener una resolución de 3 PPR, y su precisión podría ser de +/- 9 Arcseg

11. Automatización Industrial 72.06
11
EncoderAbsoluto
En un codificador incremental, como se ha visto podemos encontrar uno o varios tracks o canales. En un codificador absoluto, habrá tantos tracks como bits de salida. Este codificador genera una “palabra”, que representa la posición absoluta, así como también su velocidad y sentido de giro. Al recuperarse de una pérdida de energía, la salida dará la posición verdadera
inmediatamente, no será necesario llevarlo a una posición de referencia. Los
transitorios eléctricos solo producir án una pérdida momentánea de los datos, de
corta duración para la dinámica de los sistemas bajo análisis.

12. Automatización Industrial 72.06
12
EncoderAbsoluto
La resolución de un codificador absoluto estará dada por el número de bits en su palabra de salida. El código utilizado puede ser binario directo o de tipo GRAY. Este último produce el cambio de un solo bit
en cada paso, reduciendo
errores.

13. Automatización Industrial 72.06
13
EncoderAbsoluto
Mientras el incremental permite determinar la posición sabiendo cuantas pulsos se
producen a partir de una marca de referencia, en el absoluto la posición queda
determinada en forma unívoca por la palabra de salida, es decir la salida es única
para cada posición.
La diferencia es análoga a la que existe entre un cronómetro y un reloj.
El cronómetro mide intervalos de tiempo y permite conocer la hora si se conocen los
intervalos de tiempo transcurridos desde un tiempo de referencia.
Un reloj en cambio entrega como salida la hora en cada instante.

14. Automatización Industrial 72.06
14
El disco del encoder absoluto está diseñado para producir una palabra digital que distingue N posiciones distintas del eje. Por ejemplo, si hay 8 tracks, el encoder es capaz de distinguir 2
8
=256
posiciones distintas, equivalente a una resolución angular de 1,406° (= 360/256)
EncoderAbsoluto

15. Automatización Industrial 72.06
15
EncoderAbsoluto
Aunque el código binario simple es de fácil manejo para el procesamiento,
es problemático en el caso del encoder. Como el código se toma del disco
en rotación, la sincronización y captación del código en el instante de la
transición entre posiciones es complicada.
¡Hay transiciones en que cambian los 4 bits de la palabra! La lectura efectuada en esa transición puede ser errónea totalmente, ya que las
variaciones de cada bit no son simultáneas ni instantaneas

16. Automatización Industrial 72.06
16
EncoderAbsoluto
La solución es utilizar el código binario GRAY
, que se caracteriza por tener
solamente un bit distinto entre palabras
sucesivas del código. Es decir en cada
transición solo un bit cambiará de
estado.

17. Automatización Industrial 72.06
17
EncoderAbsoluto

18. Automatización Industrial 72.06
18
EncoderAbsoluto
El código binario GRAY puede
transformarse fácilmente a binario
con un circuito combinatorio.
O con unas pocas líneas de programación en un PLC.

19. Automatización Industrial 72.06
19

20. Automatización Industrial 72.06
20
EncoderAbsoluto
Cuando se tiene un número de posiciones que no es potencia de dos se pierde la cualidad del código GRAY de cambiar solo un bit entre dos posiciones consecutivas, en la transición entre la última posición y la primera. En el ejemplo con 14 posiciones/revolución, al pasar
de la última a la primera, cambian tres bits
Para superar esto, se utiliza el código GRAY quebrado
o también
llamado GRAY exceso N
. Este hace corresponder a la posición cero el
código GRAY correspondiente a la posición N, siendo N el número que
sustrayéndolo al código GRAY convertido en binario da la posición
exacta.

21. Automatización Industrial 72.06
21
EncoderAbsoluto
El código Gray Excess permite, en resoluciones
pares que no son de 2
n
, recuperar la característica
de que cambie tan solo un bit entre la última y la
primera posición.
Por ejemplo, para un encoder de 360 posiciones:
(512-360)/2=Excess 76, el código irá de la posición
76 a 435, de modo que de la posición 76 a la 435
solo cambia un bit.
En el caso de 14 posiciones es: (2
4
-14)/2 = 1
Luego se adopta la codificación del Gray iniciando
en 1 hasta 14
¡Se recupera el cambio de un bit entre posiciones sucesivas!