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Encoders rotativos

Encoders rotativos

Los encoders rotativos o rotatorios nos permiten obtener datos (velocidad, desplazamiento angular, posición…) procedentes de procesos y aplicaciones en los que intervengan movimientos rotativos.

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Tabla de contenido

QUÉ ES UN ENCODER ROTATIVO

Los encoders rotativos son dispositivos electromecánicos capaces de parametrizar el movimiento de un eje giratorio. Procesando los datos parametrizados puede obtener información útil del movimiento giratorio de la aplicación (velocidad, aceleración, posición, inclinación…)

Existen muchas clasificaciones de encoders pero si  tuviéramos realizar una primera agrupación básica diríamos que por un lado tenemos los encoders rotativos y por otro los encoders lineales. 

Los modelos rotativos son con diferencia, los más implantados en la industria ya que más del 80% de los encoders comercializados a nivel global son rotativos. Este abrumador dominio no es casual, los encoders rotativos son los más utilizados por su versatilidad para ser integrados en casi cualquier aplicación. Incluso en movimientos lineales se utilizan continuamente encoders rotativos. Esto se debe a que muchos movimientos lineales implican elementos rotativos (husillos, sistemas de piñón-cremallera, engranajes, reductoras, poleas…) 

APLICACIONES DE ENCODERS ROTATIVOS

A continuación veremos algunos de los muchos ejemplos de aplicaciones reales en las que se utilizan encoders rotativos para parametrizar y controlar movimientos de angulares:

COMO ELEGIR UN ENCODER ROTATORIO

Ya hemos explicado lo abundantes que son los encoder rotativos en la industria. Esto justifica la existencia en el mercado de cientos de modelos con distintas características preparados para abarcar cualquier necesidad existente. En cierto modo esta abundancia dificulta el proceso de elección, y a veces la toma de decisiones por parte de ingenieros o diseñadores se puede convertir en un trabajo tedioso. En las siguientes líneas vamos destacar los criterios de elección más importantes que hay que tener en cuenta para elegir el encoder rotatorio que mejor se ajuste a cada proyecto o aplicación: 

Encoder rotativo ¿absoluto o incremental?

Decidir si necesitamos un encoder absoluto o uno incremental es uno de los aspectos más importantes y al mismo tiempo uno de los que más dudas genera a los ingenieros de diseño. Por eso a continuación vamos a explicar las diferencias entre ambos

  • Encoders rotativos absolutos: Son los más completos en cuanto a prestaciones, con ellos podemos conocer la velocidad, la dirección de giro y la posición exacta de nuestra aplicación en tiempo real. La gran ventaja respecto a los modelos incrementales es que no necesitan ninguna referencia. Esto se debe a que los modelos absolutos cuentan con un disco codificado que dispone de un código binario distinto para cada posición. 
Disco encoder óptico absoluto
Disco de encoder rotativo absoluto
  • Encoders rotativos incrementales o relativos: Son más económicos y más sencillos pero ofrecen menos prestaciones. Los encoder incrementales permiten conocer velocidad, aceleración y dirección de giro. Sin embargo la posición no la pueden obtener de forma directa como en los modelos absolutos. La posición instantánea la obtienen de forma indirecta a partir de una referencia previamente establecida y el número de pulsos que el encoder se ha desplazado. Esto es una limitación ya que si se pierde la referencia, el encoder no sabría en que posición está. 
Disco encoder óptico incremental
Disco de encoder rotativo incremental

Encoders rotativos: monovuelta o multivuelta

Los encoders rotativos pueden ser monovuelta o multivuelta. Esto es es algo que hay que tener especialmente en cuenta si nuestra elección es un encoder absoluto. Un encoder absoluto que no sea multivuelta devolverá el mismo codigo de salida en la posición 360º y 720º por lo que si nuestra aplicación necesita medir el comportamiento de un eje de giro más allá de los 360º será necesario obligatoriamente un encoder multivuelta. 

En el caso de los encoders incrementales todo esto carece de importancia ya que como hemos visto, este tipo de encoders funcionan «contando pulsos» según el desplazamiento que se genere en el encoder y por lo tanto, cualquier encoder incremental puede ser multivuelta. 

Resolución de un encoder rotativo

Para determinar la resolución del encoder siempre recomendamos valorar la aplicación en conjunto. Ya que la precisión de cualquier máquina o dispositivo siempre será igual al elemento menos preciso de dicha máquina o aplicación. De poco sirve tener un encoder de alta resolución si después lo montamos en un eje con holgura en los engranajes.

Habiendo aclarado este aspecto, la resolución de un encoder rotativo se expresa de forma distinta dependiendo de si éste es de tipo absoluto o incremental, veamos:

  • Resolución de encoders rotativos absolutos: La resolución de los encoders absolutos dependerá del número de bits del mismo. Por ejemplo, un encoder rotativo de 6 bits es capaz de discriminar `2^6=64` posiciones y uno de 8 bits `2^8=256` posiciones por vuelta. La precisión  se calcularía dividiendo 360 grados que tiene una vuelta entre el número de posiciones capaz de medir en cada vuelta. En el ejemplo de 6 y 8 bits la precisión sería de 5.62º y 1.4º respectivamente. De forma analoga, si el encoder es multivuelta dispondrá de un número de bits reservados al conteo de vueltas, en caso de que sean 8 bits podremos realizar mediciones a lo largo de 256 vueltas. Por lo tanto y  en resumen un encoder de 16 bits con 8 bits para la posición y 8 bits para las vueltas será capaz de detectar `2^16=65536 `posiciones únicas, dicho de otro modo será capaz de detectar 256 posiciones distintas a lo largo de 256 vueltas de encoder con una precisión de 1.4º.
  • Resolución de encoders rotativos incrementales: En este tipo de encoders la resolución se mide en número de pulsos por revolución PPR, es decir, el número de posiciones que se pueden detectar por cada vuelta del encoder. Un encoder de 256ppr es capaz de detectar variaciones de 360/256=1.4º  
ENCODERS DE ALTA Y BAJA RESOLUCION
Resolución de un encoder rotativo incremental de baja y alta resolución

Otras características importantes

Elegir un encoder rotativo puede ser rápido o puede ser complicado, hay mucha variedad en el mercado y esto puede llegar a ser confuso para el diseñador del sistema. Acabamos de repasar los aspectos más importantes pero hay otras muchas características que también son determinantes en algunos proyectos:

  • Forma del encoder e integración: El encoder es es un componente que interacciona y por lo tanto se debe integrar con otros elementos. El mercado nos ofrece distintas formas y sistemas de integración: diámetros  grandes o pequeños, eje macho o hembra, eje macizo o hueco, acoplamiento por chaveta o tornillo o ajuste dimensional, fijación con 4, 6 u 8 tornillos, conector recto o acodado, 300mm de cable o 2m…  
  • Dimensiones y peso: Por el motivo que sea, a veces no tenemos todo el espacio que nos gustaría para emplazar el encoder, por eso hay modelos normales y otros más compactos. Lo mismo ocurre con el peso, los encoders rotativos son elementos que tienen una masa y por lo tanto generan un momento de inercia que hay tener en cuenta en algunas aplicaciones
  • Materiales constructivos: Los materiales más comunes son el aluminio, y distintos tipos de aceros inoxidables combinados con distintos materiales plásticos. La temperatura, humedad u otros factores puede condicionar el tipo de material apropiado para cada proyecto.
  • Velocidad del movimiento. Algunas aplicaciones funcionan a altas revoluciones, si es el caso, hay que tomar en consideración el límite del encoder ya que éste puede sufrir daños en sus componentes o generar errores de detección.
  • Protocolo de comunicación: Existen muchos formas de comunicar el encoder con el resto de la electrónica del sistema. Para una mayor sencillez de cableado y una mejora de capacidades de comunicación la tendencia es optar por protocolos de bus de campo: DeviceNet, Interbus, ProfiBus, CAN Open… 
  • Nivel o grado de protección IP: Algunas aplicaciones están sometidas a la presencia de humedad, polvo y otras partículas que pueden acortar drásticamente la vida útil del encoder. En estos casos es necesario garantizar cierto nivel de protección contra elementos ambientales (IP50, IP64, IP67…)
  • Cumplimiento de requisitos con certificados: Por el motivo que sea, algunas aplicaciones necesitan garantizar el cumplimiento de algún requisito (ya sea de durabilidad, de calidad, de compatibilidad, seguridad…). Los distintos fabricantes han certificado, mediante empresas o instituciones certificadoras, algunos modelos de encoders  para garantizar el cumplimiento de dichos requisitos , estos serían algunos ejemplos (Atex, DIN 61508, ISO 13849, IEC 61580, SIL3…). En algunas ocasiones es el cliente final el encargado de certificar el encoder.
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