Los codificadores son comunes en los productos de control de movimiento, y los codificadores rotatorios son componentes clave de los bucles de retroalimentación de control de movimiento, incluidos los equipos de automatización industrial y control de procesos, robótica, equipos médicos, energía, aeroespacial, etc.
Como dispositivos que convierten el movimiento mecánico en señales eléctricas, los codificadores proporcionan a los ingenieros datos básicos como la posición, la velocidad, la distancia y la dirección que se pueden utilizar para optimizar el rendimiento del sistema en general.
Óptica, magnética y capacitiva son las tres principales tecnologías de codificador disponibles para los ingenieros. Sin embargo, hay una serie de factores a considerar para determinar qué tecnología es la mejor para una eventual aplicación.
Este artículo brindará una descripción general de las tecnologías de codificadores ópticos, magnéticos y capacitivos, y analizará brevemente las ventajas y desventajas de cada tecnología.
1. Codificador óptico
Los codificadores ópticos han sido una opción popular en el mercado de aplicaciones de control de movimiento durante muchos años. Consiste en una fuente de luz LED (generalmente fuente de luz infrarroja) y un fotodetector, que se encuentran a ambos lados de la placa de código del codificador.
La placa de código está hecha de plástico o vidrio, con una serie de líneas o ranuras transparentes y opacas dispuestas a intervalos. Cuando el disco de código gira, el camino óptico del LED es bloqueado por las líneas o ranuras dispuestas a intervalos en el disco de código, generando así dos pulsos ortogonales típicos de onda cuadrada A y B, que pueden usarse para determinar la rotación y la velocidad del eje. .
Análisis técnico de codificadores ópticos, magnéticos y capacitivos
Figura 1: Pulsos ortogonales A y B típicos para codificadores ópticos, incluidos los pulsos de índice (Crédito de la foto: CUI Devices)
Aunque los codificadores ópticos se usan ampliamente, todavía tienen varios inconvenientes. En ambientes polvorientos y sucios como aplicaciones industriales, los contaminantes pueden acumularse en la placa de código, bloqueando así la transmisión de luz LED al sensor óptico.
La confiabilidad y la precisión del codificador óptico se ven muy afectadas porque el disco de código contaminado puede provocar la discontinuidad o la pérdida completa de la onda cuadrada.
Los LED tienen una vida útil limitada y eventualmente se quemarán, lo que provocará una falla del codificador. Además, los discos de código de vidrio o plástico son propensos a sufrir daños debido a la vibración o las temperaturas extremas, lo que limita la aplicabilidad de los codificadores ópticos en entornos hostiles; Montarlo en un motor no solo requiere mucho tiempo, sino que también conlleva un mayor riesgo de contaminación.
Finalmente, si la resolución del codificador óptico es alta, consumirá más de 100 mA de corriente, afectando aún más su aplicación en dispositivos móviles o alimentados por batería.
2. Codificador magnético
Los codificadores magnéticos tienen una estructura similar a los codificadores ópticos, pero utilizan un campo magnético en lugar de un haz de luz. Los codificadores magnéticos reemplazan los discos de códigos ópticos ranurados con discos de códigos magnéticos con polos magnéticos espaciados que giran en una fila de sensores de efecto Hall o sensores de reluctancia.
Cualquier rotación de la placa de código hará que estos sensores respondan, y la señal resultante se transmitirá al circuito frontal de acondicionamiento de señales para determinar la posición del eje.
En comparación con los codificadores ópticos, los codificadores magnéticos tienen la ventaja de ser más duraderos, resistentes a vibraciones e impactos. Además, el rendimiento de los codificadores ópticos se ve muy comprometido en el caso de contaminantes como el polvo, la suciedad y las manchas de aceite, mientras que los codificadores magnéticos no se ven afectados, lo que los hace ideales para aplicaciones en entornos hostiles.
Sin embargo, la interferencia electromagnética generada por los motores (especialmente los motores paso a paso) tendrá un gran impacto en el codificador magnético y los cambios de temperatura también provocarán una desviación de su posición.
Además, la resolución y la precisión de los codificadores magnéticos son relativamente bajas y, en este sentido, son mucho menores que las de los codificadores ópticos y capacitivos.
3. Codificador capacitivo
El codificador capacitivo consta de tres partes principales: rotor, transmisor fijo y receptor fijo. La detección capacitiva utiliza una franja o un patrón lineal con un polo en un elemento fijo y el OTRO polo en un elemento MOVIL para formar un capacitor variable configurado como un par de receptores/transmisores.
El rotor está grabado con un patrón de onda sinusoidal que produce una señal específica pero predecible a medida que gira el eje del motor. A continuación, el ASIC integrado del codificador convierte esta señal para calcular la posición y la dirección de rotación del eje.
Análisis técnico de codificadores ópticos, magnéticos y capacitivos
Figura 2: Comparación de discos codificadores (Crédito de la foto: Dispositivos CUI)
4. Codificador capacitivo
El codificador capacitivo funciona según el mismo principio que el pie de rey digital, por lo que proporciona una solución que supera muchas de las desventajas de los codificadores ópticos y magnéticos.
La tecnología basada en capacitancia utilizada en la línea de codificadores AMT de CUI Devices ha demostrado ser altamente confiable y precisa.
Dado que no se requiere LED ni línea de visión, los codificadores capacitivos pueden lograr los resultados deseados incluso cuando se encuentran con contaminantes ambientales que pueden afectar negativamente a los codificadores ópticos, como polvo, suciedad y manchas de aceite.
Además, es menos susceptible a la vibración ya las temperaturas extremadamente altas/bajas que los discos de código de vidrio que se usan en los codificadores ópticos.
Como se mencionó anteriormente, los codificadores capacitivos tienden a tener una vida útil más larga que los codificadores ópticos porque los LED no se queman.
Como resultado, el codificador capacitivo tiene un tamaño de paquete más pequeño y consume menos corriente en todo el rango de resolución de solo 6 a 18 mA, lo que lo hace más adecuado para aplicaciones alimentadas por batería.
Dado que la robustez, precisión y resolución de la tecnología capacitiva son superiores a las del codificador magnético, las interferencias electromagnéticas y el ruido eléctrico a los que se enfrenta este último no tienen un gran impacto sobre el mismo.
Además, la naturaleza digital de los codificadores capacitivos ofrece ventajas clave en términos de flexibilidad y programabilidad. Debido a que la resolución de un codificador óptico o magnético está determinada por la placa del codificador, se utiliza un nuevo codificador cada vez que se requieren otras resoluciones, lo que genera un aumento en el tiempo y el costo del proceso de diseño y fabricación.
Sin embargo, los codificadores capacitivos tienen una gama de resoluciones programables, lo que ahorra a los diseñadores la molestia de reemplazar el codificador cada vez que se necesita una nueva resolución, lo que no solo reduce el inventario, sino que también simplifica el ajuste fino del bucle de control PID y la optimización del sistema.
Los codificadores capacitivos permiten la alineación digital y la indexación de la configuración de pulsos cuando el motor BLDC comienza, una tarea que puede ser repetitiva y requiere mucho tiempo para los codificadores ópticos.
Las capacidades de diagnóstico incorporadas brindan a los diseñadores un mayor acceso a los datos del sistema para optimizar el sistema o solucionar problemas en el campo.
Análisis técnico de codificadores ópticos, magnéticos y capacitivos
Figura 3: Comparación de indicadores clave de rendimiento para tecnologías capacitivas, ópticas y magnéticas (Crédito de la foto: CUI Devices)
5. Sopesa tus opciones
En muchas aplicaciones de control de movimiento, la temperatura, la vibración y los contaminantes ambientales son factores de desafío importantes con los que deben lidiar los codificadores. Resulta que los codificadores capacitivos pueden superar estos desafíos.
En comparación con las tecnologías ópticas o magnéticas, proporciona a los diseñadores soluciones fiables, precisas y flexibles.
Además, los codificadores capacitivos agregan capacidad de programación y diagnóstico, una característica digital que los hace más adecuados para las aplicaciones modernas de Internet de las cosas (IoT) e Internet industrial de las cosas (IIoT).