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Codificadores Codificadores ÓÓpticospticos

FIUBA


Codificadores Ópticos

Son elementos que convierten movimiento en una secuencia de pulsos digitales.

Se denominan ópticos pues la detección del movimiento se realiza en base a fenómenos fotoeléctricos, utilizando LEDS y Fotodetectores.

CLASIFICACIÓN

Lineal: Transforma movimiento rectilíneo en una serie de pulsos digitales.

Rotativo: Transforma movimiento angular en una serie de pulsos digitales.

Incrementales: cuentan bits simples y acumulan el conteo, permitiendo medir movimientos relativos.

Absolutos: Decodifican un conjunto de bits y permiten determinar movimientos absolutos.

“ENCODERS”


Principio de Funcionamiento

Encoder incremental

El disco reticulado o grilla, que alterna bandas opacas y transparentes gira asociado al eje cuyo movimiento se desea medir.

Este “track” es iluminado en forma perpendicular por un haz emitido por un LED, y su “sombra” es detectada por un fotoreceptor de luz, que tiene una máscara, llamada colimador con el mismo paso que el “track” giratorio.

La salida de los fotoreceptores es una señal eléctrica; es decir transforman las variaciones de luz en variaciones eléctricas.Esta señal eléctrica es procesada electrónicamente para proveer pulsos bien encuadrados.


Encoder incremental

Para incrementar la calidad de la señal se utilizan dos señales idénticas, pero desfasadas 90°. Es decir en “cuadratura”. Se toma la diferencia entre ambas, para eliminar las interferencias de “modo común”.

Ambas señales son los llamados “canal A” y “canal B”. Con la información de un solo canal se tiene la información de la velocidad de rotación, por ejemplo los pulsos por revolución (PPR).

En el caso de los codificadores lineales la salida será pulsos por milímetro o pulsos por pulgada de traslación.

Cuando se requiere sensar la dirección del giro o traslación, se utiliza la información de ambos canales. La circuitería electrónica determina la dirección del movimiento en base a la relación de fase o secuencia entre ellos.


Encoder incremental

Puede haber disponible otro canal, llamado “marker”, “index”, “canal Z”, o “canal cero”. Sirve para definir la posición absoluta del cero.Es básicamente un pulso cuadrado con fase y amplitud centrada en el canal A, que se produce una vez por revolución o giro del eje.En el caso lineal se produce en una posición determinada del recorrido.

La cuenta obtenida por un codificador incremental está sujeta a pérdida durante una interrupción de energía o corrupción por transitorios eléctricos.

Cuando se enciende, el equipo debe ser llevado a una referencia o posición de inicio para inicializar el contador. Para ello se utiliza el tercer canal (posicionamiento en “home”).


Encoder incremental

Cuando se necesita más resolución, es posible para el contador contar los flancos ascendentes y descendentes del tren de pulsos de un canal, lo cual duplica (×2) el número de pulsos contados para una rotación o milímetro de movimiento. Contando ambos flancos, para ambos canales, dará resolución x 4.


DecodificaciónEncoder incremental


Encoder incrementalLa precisión se verá afectada por diversos factores, tanto mecánicos, como eléctricos: precisión del reticulado o grilla, excentricidad, alineamiento, rodamientos, estabilidad de los componentes electrónicos, errores de conversión, etc.

Por esta razón en general se habla de resolución y no de precisión.

El error de división es el máximo desplazamiento expresado en grados eléctricos de dos frentes de onda consecutivos.

El desfasaje entre canales, nominalmente de 90° tiene también un error.


Precisión y Resolución.La resolución es el número de segmentos de medición o unidades en un giro del eje.

Típicamente para un encoder rotativo incremental hay resoluciones de 10,000 pulsos por revolución (PPR) en forma directa o de 40,000 PPR al detectar flancos de los canales A y B.

Para los encoders lineales, hablamos de resolución medida en micrones


Precisión y Resolución.

En cambio en este caso, la distancia X estádividida en 24 partes iguales. Cada incremento representa exactamente 1/24 de giro. Este transductor opera con precisión y con resolución.

La resolución no es lo único que importa. Precisión y Resolución son diferentes. Es posible tener una sin la otra.

Sea como en la figura una distancia X dividida en 24 incrementos o “bits”.Si X representa 360° de rotación del eje, entonces una revolución o giro ha sido resuelta en 24 partes. Es decir son 24 bits de resolución. Pero como las 24 partes no son uniformes, este transductor no podría ser usado para medir posición, velocidad o aceleración con precisión.

La precisión sin embargo, puede ser independiente de la resolución. Un transductor puede tener una resolución de 3 PPR, y su precisión podría ser de +/- 9 Arcseg


Encoder AbsolutoEn un codificador incremental, como se ha visto podemos encontrar uno o varios tracks o canales.

En un codificador absoluto, habrá tantos tracks como bits de salida. Este codificador genera una “palabra”, que representa la posición absoluta, así como también su velocidad y sentido de giro.

Al recuperarse de una pérdida de energía, la salida dará la posición verdadera inmediatamente, no será necesario llevarlo a una posición de referencia. Los transitorios eléctricos solo producirán una pérdida momentánea de los datos, de corta duración para la dinámica de los sistemas bajo análisis.


Encoder Absoluto

La resolución de un codificador absoluto estará dada por el número de bits en su palabra de salida.

El código utilizado puede ser binario directo o de tipo GRAY.Este último produce el cambio de un solo bit en cada paso, reduciendo errores.


Encoder AbsolutoMientras el incremental permite determinar la posición sabiendo cuantas pulsos se producen a partir de una marca de referencia, en el absoluto la posición queda determinada en forma unívoca por la palabra de salida, es decir la salida es única para cada posición.

La diferencia es análoga a la que existe entre un cronómetro y un reloj. El cronómetro mide intervalos de tiempo y permite conocer la hora si se conocen los intervalos de tiempo transcurridos desde un tiempo de referencia.Un reloj en cambio entrega como salida la hora en cada instante.


El disco del encoder absoluto está diseñado para producir una palabra digital que distingue N posiciones distintas del eje.

Por ejemplo, si hay 8 tracks, el encoder es capaz de distinguir 28=256posiciones distintas, equivalente a una resolución angular de 1,406°(= 360/256)

Encoder Absoluto


Encoder AbsolutoAunque el código binario simple es de fácil manejo para el procesamiento, es problemático en el caso del encoder. Como el código se toma del disco en rotación, la sincronización y captación del código en el instante de la transición entre posiciones es complicada.

¡Hay transiciones en que cambian los 4 bits de la palabra! La lectura efectuada en esa transición puede ser errónea totalmente, ya que las variaciones de cada bit no son simultáneas ni instantaneas


Encoder AbsolutoLa solución es utilizar el código binario GRAY, que se caracteriza por tener solamente un bit distinto entre palabras sucesivas del código. Es decir en cada transición solo un bit cambiará de estado.


Encoder Absoluto


Encoder AbsolutoEl código binario GRAY puede transformarse fácilmente a binario con un circuito combinatorio.

O con unas pocas líneas de programación en un PLC.


Encoder AbsolutoCuando se tiene un número de posiciones que no es potencia de dos se pierde la cualidad del código GRAY de cambiar solo un bit entre dos posiciones consecutivas, en la transición entre la última posición y la primera.

En el ejemplo con 14 posiciones/revolución, al pasar de la última a la primera, cambian tres bits

Para superar esto, se utiliza el código GRAY quebrado o también llamado GRAY exceso N. Este hace corresponder a la posición cero el código GRAY correspondiente a la posición N, siendo N el número que sustrayéndolo al código GRAY convertido en binario da la posición exacta.


Encoder AbsolutoEl código Gray Excess permite, en resoluciones pares que no son de 2n, recuperar la característica de que cambie tan solo un bit entre la última y la primera posición.

Por ejemplo, para un encoder de 360 posiciones: (512-360)/2=Excess 76, el código irá de la posición 76 a 435, de modo que de la posición 76 a la 435 solo cambia un bit.

En el caso de 14 posiciones es: (24-14)/2 = 1 Luego se adopta la codificación del Gray iniciando en 1 hasta 14

¡Se recupera el cambio de un bit entre posiciones sucesivas!

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