Cómo hacer medidas de codificadores en cuadratura

Este documento es parte de la Guía práctica para las medidas más comunes centralizada en este portal de recursos.

Visión general de un codificador y sus aplicaciones

Un codificador es un dispositivo electromecánico que puede medir el movimiento o la posición. La mayoría de los codificadores utilizan sensores ópticos para proporcionar señales eléctricas en forma de trenes de impulsos, los cuales pueden a su vez, traducirse en movimiento, dirección o posición.

Los codificadores rotativos se utilizan para medir el movimiento de rotación de un eje. La figura 1 muestra los componentes fundamentales de un codificador giratorio, que consiste en un diodo emisor de luz (LED), un disco y un detector de luz en el lado opuesto del disco. El disco, que está montado en el eje de la rotación, tiene patrones de sectores opacos y transparentes codificados en él. Al girar el disco, los segmentos opacos bloquean a la luz y los transparentes la dejan pasar. Esto genera los pulsos de una forma de onda cuadrada, la cual puede luego ser interpretada como posición o movimiento.

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Los codificadores suelen tener de 100 a 6.000 segmentos por revolución. Esto significa que estos codificadores pueden proporcionar 3,6 grados de resolución para un codificador con 100 segmentos y 0,06 grados de resolución para un codificador con 6.000 segmentos.

Los codificadores lineales trabajan bajo el mismo principio que los codificadores rotativos, excepto que en lugar de un disco giratorio, hay una franja opaca estacionaria con rendijas transparentes a lo largo de su superficie y el conjunto LED-detector está unido al cuerpo en movimiento.

 

Figura 1.Componentes de un codificador óptico

Un codificador que suministrase una simple serie de pulsos no sería útil porque no podría indicar la dirección de la rotación. Al usar dos pistas codificadas con sectores de posición desfasados 90 grados (figura 2) se puede indicar tanto la posición como la dirección de la rotación mediante los dos canales de salida del codificador de cuadratura. Por ejemplo, si ocurre primero un pulso en A y luego en B, el disco está girando en sentido horario. Si tiene lugar primero un pulso en B y luego en A, entonces el disco está rotando en el sentido inverso a las agujas del reloj. Por lo tanto, si se monitoriza tanto el número de pulsos como la fase relativa de las señales A y B, se puede hacer un seguimiento de la posición y de la dirección de la rotación.

 

Figura 2. Señales A y B de un codificador en cuadratura

 

Además, algunos codificadores de cuadratura incluyen un tercer canal de salida - llama cero o señal de referencia - que suministra un único pulso por revolución. Puede utilizarse este único pulso para la determinación precisa de una posición de referencia. En la mayoría de los codificadores, esta señal se llama Z-Terminal o índice.

Hasta el momento, este documento sólo se ha ocupado de los que se llaman codificadores incrementales en cuadratura de un solo terminal. Se llaman de un solo terminal debido a que las señales A y B están referidas a tierra, por lo que existe un solo hilo (o terminal) para cada señal. Otro tipo de codificador de uso común es el codificador diferencial, donde hay dos líneas por cada señal A y B. Las dos líneas de la señal A son A'y A, y las dos líneas de la señal B son B' y B. Este tipo de configuración se llama también ‘push-pull’, porque las cuatro líneas están siempre suministrando una tensión conocida (ya sea 0V ó Vcc). Cuando A está a Vcc, A' está 0 V y cuando A está a 0V, A' está a Vcc. En el caso de un codificador de un solo terminal, A es Vcc o flotante. Los codificadores diferenciales se utilizan a menudo en ambientes eléctricamente ruidosos porque la toma de medidas diferenciales protege la integridad de la señal.

Con los codificadores incrementales, se pueden medir sólo los cambios en la posición (a partir de la cual se puede determinar la velocidad y la aceleración), pero no es posible determinar la posición absoluta de un objeto. Un tercer tipo de codificador, llamado codificador absoluto, es capaz de determinar la posición absoluta de un objeto. Este tipo de codificador tiene segmentos alternos opacos y transparentes como el codificador incremental, pero el codificador absoluto utiliza múltiples grupos de segmentos que forman círculos concéntricos en la rueda del codificador, como si fuera una diana. Los círculos concéntricos comienzan en el centro de la rueda del codificador y al mismo tiempo que se extienden hacia el exterior de la rueda del codificador, cada uno de ellos posee el doble el número de segmentos que el anillo anterior más interno. El primer anillo, que es el anillo interior, tiene un segmento transparente y uno opaco. El segundo anillo contando desde la mitad tiene dos segmentos transparentes y dos opacos y el tercer anillo tiene cuatro de cada tipo de segmento. Si el codificador tuviese 10 anillos, su anillo más externo tendría 512 segmentos y si tuviese 16 anillos tendría 32.767 segmentos.

Debido a que cada anillo del codificador absoluto tiene el doble de segmentos que el anterior, los valores forman los números de un sistema de numeración binario. En este tipo de codificador, hay una fuente de luz y un receptor por cada anillo en la rueda del codificador. Esto significa que un codificador con 10 anillos tiene 10 conjuntos de fuentes de luz y receptores y un codificador con 16 anillos tiene 16 conjuntos de fuentes de luz y receptores.

La ventaja del codificador absoluto es que se puede adaptar de forma que la rueda del codificador gire una vuelta en correspondencia con la longitud total del desplazamiento de la máquina. Si la longitud del desplazamiento de la máquina es de 10 pulgadas y tiene un codificador de 16 bits de resolución, la resolución de la máquina es 10/65536, o sea 0,00015 pulg. Si el desplazamiento de la máquina es más largo, como por ejemplo de 6 pies, un resolucionador grueso puede realizar un seguimiento de cada pie de desplazamiento y un segundo resolucionador, llamado resolucionador fino, puede realizar un seguimiento de la posición con una precisión de 1pie. Esto significa que se puede adaptar el codificador grueso de modo que gire una vuelta (revolución) para una distancia total de 6 pies y el codificador fino de modo que el total de su resolución se distribuya sobre 1 pie (12 pulgadas).

Cómo medir un codificador

 

Para realizar las medidas de un codificador, se necesita un componente electrónico básico llamado contador. Basado en sus diversas entradas, un contador básico emite un valor que representa el número de flancos (transiciones de nivel bajo a nivel alto en la forma de onda) contados. La mayoría de contadores tienen tres entradas relevantes - la puerta (gate), la fuente (source) y arriba/abajo (up/down). El contador cuenta los eventos registrados en la entrada de la fuente (source) y, dependiendo del estado de la línea ‘up/down’, incrementa o decrementa el contador. Por ejemplo, si la línea ‘up/down’ está a nivel "alto" el contador incrementa su cuenta, y si está a nivel "bajo", el contador la decrementa. La figura 3 muestra una versión simplificada de un contador.

 

Figura 3. Modelo simplificado de un contador

 

Un codificador tiene normalmente cinco cables que son necesarios para su conexión al instrumento y, según el codificador, estos cables varían de colores. Se pueden usar estos cables para suministrar energía al codificador y leer las señales A, B y Z. La figura 4 muestra una tabla típica de los pines de un codificador incremental.

 

Figura 4. Pines de un codificador incremental

El siguiente paso es determinar dónde se deberían conectar cada uno de estos cables. Teniendo en cuenta el contador que se ha descrito anteriormente, la señal A se conecta al terminal fuente (source), que es la señal donde se van a contar los pulsos. La señal B está conectada al terminal ‘up/down’ y las señales de +5Vcc y de tierra se pueden conectar a cualquier fuente de alimentación - en la mayoría de los casos es suficiente con una línea digital de una tarjeta de un dispositivo de adquisición de datos.

 

Una vez que se han contado los flancos, el siguiente concepto que es necesario tener en consideración es la forma en que esos valores se convierten en una posición. El proceso por el cual los flancos que se han contado se convierten en posición depende del tipo de codificación utilizado. Hay tres tipos básicos de codificación: X1, X2 y X4.

 

Codificación X1

La figura 5 muestra un ciclo de cuadratura y los incrementos y decrementos resultantes para una codificación X1. Cuando el pulso en el canal A ocurre antes que en el B, el incremento se produce por el flanco de subida del canal A. Cuando el pulso en el canal B ocurre antes que el canal A, el decremento se produce por el flanco de bajada del canal A.

 

Figura 5. Codificación X1

 

Codificación X2

El mismo comportamiento tiene lugar con la codificación X2, excepto que los incrementos o decrementos del contador ocurren con cada flanco del canal A, según el pulso tenga lugar en un canal antes que en el otro. Cada ciclo se traduce en dos incrementos o decrementos, tal y como se muestra en la figura 6.

 

Figura 6. Codificación X2

 

Codificación X4

El contador se incrementa o decrementa de manera similar con cada flanco de los canales A y B para la codificación X4. El contador se incrementa o decrementa dependiendo de si los pulsos ocurren en un canal antes que en el otro. Cada ciclo se traduce en cuatro incrementos o decrementos, tal y como se muestra en la Figura 7.

 

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Figura 7. Codificación X4

 

Una vez establecido el tipo de codificación y se han contado los impulsos, la conversión a una posición es una cuestión de utilizar una de las siguientes fórmulas:

 

Para la posición en movimientos rotativos

 

La cantidad de rotación es

Donde N = número de pulsos generados por el codificador por giro del eje

                        x = tipo de codificación

 

Para la posición en movimientos lineales

 

La cantidad de desplazamiento es

Donde PPI = pulsos por pulgada (un parámetro específico para cada codificador)

 

 

Conexión de un codificador a un instrumento

En esta sección, vamos a considerar que por ejemplo se está usando el chasis NI cDAQ-9172 y el módulo de E/S digitales NI 9401 de la Serie C. El procedimiento es similar cuando se usa un dispositivo o un instrumento de medida diferente.

 

Figura 8. Sistema CompactDAQ de NI

 

Equipo necesario:

-          CDAQ-9172: chasis USB de alta velocidad con ocho slots para CompactDAQ de NI.

-          NI 9401: Módulo de E/S digitales bidireccional de alta velocidad, 5V/TTL y ocho canales

-          Codificador de cuadratura rotativo de 24 pulsos/revolución

 

El módulo NI 9401 tiene un conector D-Sub que proporciona conexiones para los ocho canales digitales. Cada canal tiene una pin de E/S digital al que se puede conectar una entrada digital o un dispositivo de salida. El acceso a los dos contadores del cDAQ-9172 está disponible sólo a través de los slots 5 y 6 del chasis, por lo tanto, se debe insertar el 9401 en la ranura 5. La figura 8 muestra la asignación de pines en el conector para esta configuración y la figura 9 muestra los terminales del contador por defecto.

Figura 9.Asignación de pines en el conector del NI 9401 (Slot 5)

 

Tabla 1. Terminales del contador por defecto

 

De acuerdo con estas especificaciones, el cable A está conectado al pin 14, el cable B está conectado al pin 17, "la alimentación de 5Vcc" se conecta a cualquier línea digital no utilizada que esté a nivel "alto" y "la tierra" se conecta a cualquier terminal COM.

 

Obtención de la visualización de la medida

Ahora que el codificador está conectado al dispositivo de medida, se puede utilizar el software de programación gráfica LabVIEW para transferir los datos al ordenador para su visualización y análisis.

 

La tabla 1 muestra un ejemplo de visualización de la cuenta de flancos y los correspondientes incrementos de posición dentro del entorno de programación de LabVIEW.

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Figura 10. Panel frontal de LabVIEW mostrando las medidas

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