Encoder absoluto

• ¿Qué es un encoder absoluto?
• Programación de señales de los encoders absolutos
• Encoders de efecto Hall
• Sensores Hall basados en el gradiente
• Resolución
• Frecuencia de actualización y de muestreo
• Precisión - Linealidad absoluta
• Encoders absolutos monovuelta y multivuelta

Los encoders absolutos ofrecen numerosas posibilidades para mostrar los valores angulares medidos en forma de una función eléctrica "señal de salida". La electrónica de muchos codificadores es programable y permite personalizar las curvas de salida. El siguiente ejemplo muestra la programación estándar de fábrica de un encoder absoluto analógico: El encoder está programado en el sentido de giro CW con una señal de salida de 0...10 V (cuando el eje gira en el sentido de las agujas del reloj) y detecta un ángulo de 0...360°. Cuando está a 0°, emite 0 V. Si el eje gira 90° en el sentido de las agujas del reloj, proporciona un valor de 90°/360° * 10 V = 2,5 V. Mientras el eje del codificador no se mueva, este valor permanece constante. La ilustración del ejemplo 1 muestra la curva de señal de un codificador absoluto de este tipo.

Para tener una referencia de todo el rango de salida de la señal, el término "escala completa" se utiliza a menudo con la abreviatura "F.S.". En el ejemplo anterior, por ejemplo, F.S. = 10 V. Ahora, sin conocer la tensión máxima, la programación también se puede acordar mediante valores porcentuales. Por ejemplo, 0° corresponde al 0% de F.S. (0% del valor máximo, es decir, 0 V) y 360° al 100% de F.S. (100% del valor máximo, es decir, 10 V). De este modo, la función de salida de una señal puede describirse con precisión sin necesidad de utilizar una representación gráfica:

0° = 0% F.S. 90° = 100% F.S. 180° = 100% F.S. 270° = 0% F.S. 360° = 0% F.S.

El efecto Hall es un fenómeno en el que se genera una tensión eléctrica en un conductor portador de corriente (elemento Hall) cuando se encuentra en un campo magnético externo. El efecto se muestra en la imagen de al lado y puede explicarse como sigue: Cuando la corriente fluye a través de un conductor eléctrico, los portadores de carga se mueven a través del conductor. Si se aplica un campo magnético adicional al conductor, por ejemplo mediante un imán externo, los portadores de carga se desvían perpendicularmente a la dirección de la corriente. La razón es la fuerza de Lorentz: desvía los portadores de carga cuando se mueven y cuando actúa un campo magnético externo. Los electrones se acumulan ahora en los bordes del conductor. La separación de cargas crea una tensión adicional perpendicular a la dirección de la corriente, la llamada tensión Hall.

En principio, los campos magnéticos externos pueden interferir con la tecnología Hall, a menos que se tomen precauciones contra ellos. Hoy en día, se utilizan los llamados sensores Hall basados en el gradiente que son en gran medida insensibles a estas interferencias. El principio de esta variante particular es que dos o más sensores Hall se colocan muy cerca el uno del otro. El imán de medición, que está muy cerca de estos dos sensores, produce una diferencia en la señal de los dos sensores porque la curvatura del campo es relativamente fuerte. Sin embargo, un campo de interferencia externo, que suele tener una baja curvatura, es "visto" por ambos sensores de la misma manera. Si ahora sólo se evalúa la diferencia de los dos sensores (el gradiente), prácticamente sólo se percibe el imán de medición y, por tanto, el sistema de medición es muy robusto frente a los campos de interferencia externos.

Dado que muchos encoders Hall están equipados con circuitos integrados (CI) digitales que siempre envían sus señales con un cierto retraso, la frecuencia de actualización en milisegundos debe tenerse en cuenta en la aplicación. La tasa de actualización es el período de tiempo entre la adquisición del valor medido y la salida de la señal en el codificador angular. El intervalo de tiempo suele oscilar entre 96 µs y 600 µs en el caso de los codificadores angulares magnéticos con procesamiento digital de la señal, pero puede ser de hasta 3 ms en algunos encoders multivuelta.

Si se aumenta la frecuencia de actualización, se produce un mayor consumo de corriente del encoder. Algunos codificadores angulares también pueden pedirse con una frecuencia de actualización reducida para favorecer un menor consumo de energía, por ejemplo 600 µs en lugar de 200 µs. Por lo tanto, estos encoders son especialmente adecuados para su uso en una aplicación alimentada por baterías con bajo consumo de energía. Si se desea una frecuencia de actualización modificada del codificador angular, ésta debe pedirse de fábrica. La frecuencia de actualización no debe confundirse con la frecuencia de muestreo.

El cálculo del posible error angular de un encoder es complejo y depende de muchos factores, como las influencias ambientales (temperatura), los factores mecánicos (holgura de los rodamientos), las tolerancias de los componentes de la electrónica y muchos más. Para poder seguir determinando el error angular de un codificador absoluto de forma fiable y rápida, ha resultado práctico un cálculo basado en la linealidad absoluta. La linealidad absoluta describe la mayor desviación porcentual posible de la función de salida de la señal (del resultado de la medición) en comparación con una línea recta ideal. Sin embargo, estas especificaciones se aplican bajo las siguientes condiciones:

• Funcionamiento del eje en un sentido de rotación
• Funcionamiento a temperatura ambiente
• Referencia a un ángulo de rotación eléctricamente efectivo especificado en la hoja de datos
• La linealidad absoluta es una consideración del "peor caso".
• En la práctica, el error angular real será menor.

Las salidas analógicas siguen teniendo una gran importancia en el mercado de los codificadores. Por ello, la mayoría de las series se ofrecen también con estas salidas. Los codificadores absolutos de MEGATRON con señales de salida analógicas están diseñados básicamente en tecnología de 3 hilos, a menos que ofrezcan redundancia. Las dos conexiones para la tensión de alimentación (VSUP) y la señal de salida (OUT) tienen una masa común. Muchos codificadores absolutos sin contacto con salidas de señal redundantes están aislados galvánicamente y, por lo tanto, ofrecen tensiones de alimentación, tierras y salidas de señal separadas por rama de señal.

Detección externa de rotura de cable Para realizar una detección externa de rotura de cable a través de una unidad de evaluación, la señal de salida del codificador angular no debe ser cero durante el funcionamiento, independientemente del ángulo, ya que 0 voltios de tensión de salida o 0 mA de corriente de salida son el indicador de una rotura de cable. Para todos los encoders absolutos de MEGATRON con salida de corriente, se puede realizar una detección de rotura de cable externa con la programación de fábrica, ya que el ángulo medido se emite siempre en un rango de 4...20 mA. Con una salida de tensión, tenemos series en el programa que ofrecen esta función de fábrica. Sin embargo, esto no es posible para todos los modelos. Consúltenos si no está seguro.

Con la salida PWM, el ángulo medido no es proporcional a la amplitud de la señal, sino a la anchura del pulso. La ventaja con respecto a las salidas de corriente o de tensión es que esta forma de salida de señal es en gran medida insensible a las interferencias electromagnéticas, ya que éstas suelen ser interferencias con la amplitud de la señal y no con la frecuencia (ejemplo: radiodifusión AM/FM). Sin embargo, la señal debe detectarse en una unidad de evaluación externa diseñada para PWM. El ancho de pulso de los encoders MEGATRON varía entre el 10% (0% F.S.) y el 90% (100% F.S.). La frecuencia de la portadora es de 244 Hz.

Los microcontroladores suelen ofrecer entradas para señales digitales basadas en los formatos SPI y SSI. Para garantizar un alto grado de compatibilidad con un gran número de µcontroladores del mercado, los codificadores absolutos se ofrecen con estas interfaces digitales. Explicar detalladamente las mencionadas interfaces digitales con sus características específicas queda fuera del alcance de esta guía. Por lo tanto, la siguiente explicación sólo sirve de resumen.

La interfaz SPI se basa en un protocolo de BUS serie maestro/esclavo desarrollado por Motorola. La comunicación se realiza a través de las líneas de datos:

• MOSI (Master Out → Slave In)
• MISO (Master In ← Slave Out)
• SCK (Serial Clock) (=reloj de bus/reloj esclavo).

Además de estas tres líneas, se requiere una línea llamada "Slave Select (SS)" o también "Chip Select (CS)" para cada esclavo. Tenga en cuenta que el formato no es adecuado para la comunicación de campo, ya que la longitud del cable entre el maestro y el esclavo no debe ser superior a 0,6 m. Para más información sobre los codificadores magnéticos MEGATRON con interfaz SPI, póngase en contacto con nosotros.