Encoders magnéticos

Encoders magnéticos

Los encoders magnéticos detectan la variación de campo magnético para determinar velocidad, dirección y desplazamiento. Es la tecnología más robusta, ideal para aplicaciones con altas exigencias (alta temperatura, vibraciones, suciedad, humedad…)

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Tabla de contenido

QUÉ ES UN ENCODER MAGNÉTICO

Los encoders se pueden clasificar según el tipo de sensor o la tecnología de detección que utilicen. Existen distintas tecnologías de detección: encoders magnéticos, ópticos, capacitivos, inductivos… A continuación profundizaremos en los encoders magnéticos que gracias a los últimos avances técnicos cada vez son más competitivos y por eso están consiguiendo «robar» cuota de mercado a los encoders ópticos que por ahora son los más extendidos y utilizados en la industria.

Ventajas de los encoders magnéticos

Las ventajas de los encoders magnéticos frente a los modelos ópticos son muchas, estas son las principales:

  • Son más robustos y fiables en entornos o condiciones de suciedad, humedad o contaminación. La razón principal tiene que ver con los elementos constructivos de uno y otro modelo. Por ejemplo, el disco codificado de un encoder óptico cuenta con minúsculas ranuras traslucidas que deben permitir el paso de la luz pero que pueden ser obturadas fácilmente ante la presencia de impurezas como polvo, aceite, humedad u otros agentes contaminantes… Por contra, el funcionamiento de un encoder magnético no se ven alterado ante la presencia de estas impurezas.
  • Son más resistentes a las altas temperaturas, vibraciones o golpes. Los materiales con los que se construye los elementos que componentes un encoder magnético así como la propia tecnología de detección, permiten que éstos sean más robustos frente a condiciones operativas más exigentes.  
  • Minimizar el tamaño y aumentar la ligereza. En términos generales, los encoders magnéticos son más pequeños y ligeros que los encoders ópticos. Por eso son ideales en aplicaciones donde se disponga de poco espacio físico para emplazar el encoder o en aquellas donde se requiera ligereza o bajas inercias.
  • Poco mantenimiento. Los sensores magnéticos no generan fricción entre sus elementos móviles. Esto implica un bajo desgaste y consecuentemente un bajo mantenimiento. 

Desventajas de un encoder magnético

A continuación, vamos a repasar las desventajas de los encoders magnéticos:

  • Resolución limitada. A pesar de que los avances técnicos están permitiendo a los encoder magnéticos alcanzar mayores resoluciones, este es un aspecto en que los modelos ópticos cuentan con gran ventaja. Por eso los encoders ópticos son la mejor opción en aplicaciones que requieran alta precisión
  • Aplicaciones con presencia de campos magnéticos. Como no podría ser de otra manera, cualquier aplicación que genere flujos magnéticos podría interferir en el correcto funcionamiento de los encoders magnéticos y por lo tanto habría que elegir otra tecnología . Aunque habría que hacer un análisis para cada caso en particular, aplicaciones como detectores o separadores de metales, escaners médicos… podrían ser ejemplos de aplicaciones incompatibles.
  • Precio: En términos generales, un encoder magnético es algo más caro que uno óptico con las mismas características. Sin embargo, esta afirmación hay que matizarla y ponerla en contexto ya que hay muchas excepciones y casuísticas que podría contradecir esta afirmación. Por ejemplo, un encoder óptico podría requerir un alto grado de protección IP que sin duda encarecería el producto. Esta grado de protección IP tal vez no sería necesario si se utilizará un encoder magnético, ya que estos como hemos vistos son más robustos en presencia de humedad e impurezas.  

FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA DE LOS ENCODERS MAGNÉTICOS

Los encoders magnéticos consisten en uno o varios sensores magnéticos que detectan el movimiento de un conjunto de polos magnéticos. Estos polos magnéticos son imanes permanentes dispuestos uno a continuación del otro. 

Los encoders magnéticos deben su funcionamiento a la capacidad que tienen los sensores magnéticos para detectar alteraciones de campo magnético. Estas alteraciones se producen cuando se mueven los polos magnéticos respecto al sensor. Los encoders son capaces de transformar esas variaciones en señales digitales que contienen información relacionada con el movimiento del encoder: velocidad, posición, dirección… 

Encoder magnético estructura y funcionamiento
Estructura básica de un encoder magnético

Elementos magnéticos (imanes permanentes)

Cualquier imán permanente consta de un par de polos magnéticos, un polo norte y un polo sur. Un encoder magnético está constituido de uno o varios imanes o lo que es lo mismo, de uno o varios pares de polos magnéticos. Estos imanes generan un campo magnético que al interactuar con los sensores se puede determinar la posición, velocidad, desplazamiento del encoder. 

Existen imanes permanentes de distintos materiales y cada uno tienes sus propias características: 

  • Imanes de neodimio (Ne-Fe-B): Son capaces de generar campos magnéticos de mayor intensidad. Esto es interesante ya que permite utilizar imanes mas pequeños y más ligeros.
  • Imanes de samario-cobalto (Sm-Co): Tienen muy buena respuesta en aplicaciones con importantes cambios de temperatura.
Iman permanente encoders magnéticos
Representación de un imán permanente con su respectivo polo norte y polo sur

Elementos sensitivos (sensores magnéticos)

Como ya hemos dicho los sensores magnéticos son los encargados de detectar cambios en el campo magnético generado por los polos magnéticos y convertirlos en señales eléctricas que posteriormente será procesadas para calcular velocidades, posiciones, desplazamientos… Existen varios tipos de sensores utilizados en encoders magnéticos, los más conocidos son:

  • Sensor de efecto Hall:  Los sensores de efecto Hall disponen de una capa de material simiconductor que al someterla al paso de corriente  se genera una tensión de salida. La interacción de un campo magnético provoca una variación de esa tensión de salida. Midiendo la amplitud y frecuencia de la tensión de salida podemos conocer, cómo se esta moviendo el sensor con respecto al elemento magnético. Estos sensores detectan las variaciones en las líneas de campo magnético que circulan en sentido perpendicular al sensor. 
  • Sensores MR (magnetorresistivos): El principio de funcionamiento de un sensor magnetorresisitvo consiste en el uso de un material cuya resistencia eléctrica cambia cuando cuando dicho material interacciona con un campo magnético externo. Existen distintos tipos de sensores magnetorresistivos como por ejemplo AMR, SMR, GMR, TMR…

La principal diferencia entre un sensor de efecto Hall y un MR es la orientación que uno y otro deben tener con respecto a las líneas de campo magnético que se desee controlar. Los de efecto Hall deben posicionarse en dirección perpendicular a las líneas de campo magnético. Por contra los sensores MR pueden ir orientados de de forma longitudinal al imán, en la siguiente imagen se muestra esta diferencia:

Sensores efecto hall vs MR en encoders magnéticos
Posicionamiento de un sensor efecto Hall vs sensor MR en encoders magnéticos (imagen cortesía de Alps Alpine)

Diferencia constructiva entre encoders magnéticos lineales y rotativos

Constructivamente, los encoders magnéticos lineales son análogos a los rotativos.  En los modelos lineales los elementos magnéticos se montan en una disposición lineal y permanecen estáticos mientras que la parte móvil son los sensores. En los modelos rotativos los polos magnéticos están montados sobre el eje de giro en disposición angular, por lo que giran con el eje mientras que los sensores permanecen fijos.

COMO ELEGIR EL ENCODER MAGNÉTICO IDEAL

Ya conocemos las ventajas y desventajas de un encoder magnético respecto a otros tipos de encoders. También hemos repasado el principio de funcionamiento y su arquitectura básica. Es momento de conocer los criterios que tenemos que considerar para elegir el modelo que mejor se ajusta a las necesidades de nuestro proyecto.

Encoder lineal o rotativo

Este es el aspecto más básico y el primero que tenemos que evaluar, incluso antes de decidirnos por un encoder magnético u otra tecnología. Nuestra recomendación es utilizar encoders lineales sólo cuando sea imposible utilizar uno rotativo. Dicho de otra forma, en la medida de lo posible utilizaremos un encoder rotativo ya que éste permite más flexibilidad y no presenta tantas limitaciones de rango de movimiento como los modelos lineales. Incluso cuando el movimiento que queremos controlar es lineal podemos utilizar encoders rotativos ya que en la mayoría de las ocasiones los movimientos lineales implican elementos de trasmisión rotativos (poleas, engranajes, husillos, piñones…) 

Encoder magnético: ¿absoluto o incremental?

Es el momento de evaluar si nuestra máquina necesita un encoder magnético absoluto o uno incremental. Estas son las diferencias entre ambas opciones:

  • Modelos incrementales: Los encoders incrementales son constructivamente más simples que los encoders absolutos. Eso hace que sean más económicos, sin embargo también tienen alguna limitación. La principal, es que necesitan, obligatoriamente que se configure una referencia sobre la que podemos basarnos para conocer la posición del encoder. También se llaman encoders relativos, y como su nombre indica calculan (contando pulsos) la posición en relación a una referencia preconfigurada. 
  • Modelos absolutos: Éstos son constructivamente más complejos y por lo tanto algo más caros que los incrementales, pero también ofrecen mayores prestaciones. Los encoders magnéticos absolutos no precisan configurar ninguna referencia, es decir, no pierden la posición aún cuando se interrumpa la corriente. Están codificados de forma que para cada posición, el encoder devuelve un código único que representa una posición única. 

Resolución de un encoder magnético

La precisión de una aplicación no depende del encoder, sino del elemento menos preciso que intervenga en el movimiento de dicha aplicación. Por este motivo, para dimensionar la resolución de un encoder, siempre siempre se debe tener en cuenta el conjunto de la aplicación. Dicho esto vamos a tratar de entender el concepto de resolución en un encoder magnético, para eso vamos a diferenciar entre absolutos e incrementales:

  • Resolución de un encoder magnético absoluto: La resolución de un modelo absoluto se mide en número de bits. Por ejemplo un encoder de 8 bits de resolución, permite detectar  `2^8=256` posiciones. Si hablamos de un encoder rotativo monovuelta, la precisión es de `360/256=1,4º`. Si nos referimos a un encoder lineal de 100mm de carrera la precisión será de `100/256=0.39mm` 
  • Resolución de un encoder magnético incremental: La resolución en este caso no se mide en bits sino en PPR (pulso por revolución) si el encoder es rotativo, o en pulsos por mm si el encoder es lineal.   
 
 En general y sin entrar en mucho detalle,  la resolución de un encoder magnético dependerá del numero de polos y/o del numero de sensores que contenga el encoder.
Sensor encoders magnéticos
La resolución de un encoder magnético dependerá del número de polos y sensores

Otras características importantes

Acabamos de repasar los principales criterios que debemos considerar para buscar un encoder pero esto no termina aquí. Cada máquina o proyecto tiene sus propias peculiaridades y por lo tanto el encoder también las tiene. La siguiente lista muestra otras características que también pueden llegar a ser importantes: 

  • Forma e integración: Ya sea lineal o rotativo, el encoder siempre interactúa con otros elementos (ejes, poleas, cintas…) y por lo tanto debemos tener en cuenta el entorno para saber cómo fijarlo a la maquina y dotarlo de movimiento. El mercado nos ofrece muchas opciones: distintos diámetros de eje, eje macizo o eje hueco, trasmisión por chaveta o por eje aplanado, fijación por 3 o 4 tornillos, salida de cables e dirección longitudinal o acodado…  
  • Peso y dimensiones: Hay ocasiones en las que, por el motivo que sea, el espacio para emplazar el encoder es limitado y por eso es hay algunas opciones más compactas que otras. Algo parecido ocurre con el peso, hay  veces la máquina o proyecto donde se instala el encoder exige un peso máximo o incluso se establecen limitaciones en el momento de inercia o par de arrastre que genere el encoder.
  • Materiales constructivos: Hay distintas alternativas, lo más habitual es el aluminio, el acero inoxidable o distintos plásticos.
  • Velocidad del movimiento. No siempre es importante pero si el movimiento del encoder es rápido debemos consultar los límites de velocidad que éste puede asumir sin sufrir daños en sus componentes.
  • Rango de recorrido: Otro aspecto esencial. Si es rotativo debemos decidir si será monovuelta o multivuelta. Si es lineal estaremos limitados por la carrea del encoder.
  • Protocolo de comunicación: La tendencia para dotar a la máquina de la máxima inteligencia y sencillez, es optar por protocolos de bus de campo: DiveceNet, Interbus, ProfiBus, CAN Open… 
  • Nivel o grado de protección IP: A veces es inevitable eliminar la humedad o los ambientes sucios, contaminados o polvorientos. Ya hemos explicado que los encoders magneticos son la mejor opción en estas situaciones, Sin embargo a veces no es suficiente y se precisa garantizar la capacidad de estanqueidad de ciertos componentes eléctricos con un cierto grado de protección IP (IP50, IP64, IP67…)
  • Certificados: De forma análoga, algunas industrias, máquinas o aplicaciones necesitan garantizar o cumplir con algún requisito (de seguridad, de resistencia, de calidad, de ciclo de vida…). Para garantizar estos requisitos los fabricantes certifican algunos modelos de enocoders. Algunos ejemplos de certificados son: Atex, DIN 61508, ISO 13849, IEC 61580, SIL3…
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