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Codificadores magnéticos
El encoder magnético (o codificador magnético) emplea imanes multipolares y sensores magnéticos para convertir un desplazamiento rotativo o lineal en señal eléctrica. Destaca por su resistencia a aceite, polvo y vibraciones, su amplio rango de temperatura y gran tolerancia de montaje; por ello es un dispositivo habitual de realimentación de posición en automatización industrial, automoción y equipos pesados, robótica y equipos para exteriores.
¿Qué es un encoder magnético? (What is a Magnetic Encoder)
Un encoder magnético es un sistema de sensado que mide posición y velocidad a partir de la variación periódica del campo magnético. Su arquitectura típica combina un imán (anillo/cinta multipolar o imán magnetizado radial o axialmente) y un cabezal de lectura (chip sensor magnético con circuitería de acondicionamiento de señal). Dentro de un entrehierro especificado, el cabezal mide dos señales próximas a seno/coseno (sin/cos) dependientes del desplazamiento; tras el front-end analógico y la interpolación/decodificación, el sistema entrega incrementales A/B/Z, seno/cos 1 Vpp (o 11 µApp en modo corriente), o posición absoluta mediante SSI/BiSS/SPI/EnDat, entre otros.
Frente a encoders ópticos, los encoders magnéticos ofrecen mejor robustez ambiental, mayor vida útil y mejor coste; no obstante, en el límite de resolución, linealidad y error de subdivisión (SDE) suelen quedar por detrás de soluciones ópticas de alta gama.
Principio de funcionamiento (Working Principle)
1) Tecnologías de sensado magnético
- Hall: bajo coste, maduro y fiable; precisión de posición/ángulo media; requiere compensación del derivo térmico.
- AMR (magnetorresistencia anisotrópica): mayor sensibilidad que Hall y mejor inmunidad al ruido.
- GMR/TMR (magnetorresistencia gigante/de efecto túnel): máxima sensibilidad y bajo ruido, permiten mayor resolución y entrehierros más pequeños; TMR tiene menor derivo térmico, con coste superior.
- Detección diferencial: canales en fase/oposición que cancelan campos parásitos externos y derivos de modo común, mejorando la inmunidad.
2) Formación de señal y cálculo del ángulo
- Un imán polarizado alternando N/S a lo largo de una circunferencia o línea genera un campo periódico; el cabezal obtiene dos señales aproximadas sin/cos. El ángulo puede calcularse como:
theta = atan2(V_sin, V_cos) - La interpolación digital o un bucle de enganche de fase (PLL) subdividen el ángulo o el desplazamiento; los absolutos entregan un código único mediante codificación mono/multivuelta, conteos redundantes o tramas de protocolo.
3) Relación velocidad–frecuencia (fórmulas en texto plano)
- Rotación:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Lineal:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
donde RPM es la velocidad de giro, pole_pairs el número de pares de polos, edges_per_cycle los flancos útiles por ciclo eléctrico; v la velocidad lineal y p el paso de polo de la cinta magnética.
Clasificación (Classification)
- Por tipo de movimiento: rotativo (anillo/ímán magnetizado radial/axialmente, on-axis/off-axis) / lineal (cinta/rejilla magnética multipolar).
- Por salida: incremental (A/B/Z; TTL/HTL/RS422; seno/cos 1 Vpp, 11 µApp) / absoluto (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; con pasarela a CANopen/EtherCAT, etc.).
- Por imán: anillos multipolares (montaje ID/OD, paso de polo fijo), imanes magnetizados radial/axialmente (pocos pares de polos, tamaño compacto), cintas flexibles (carreras largas, fácil instalación).
- Por chip sensor: ángulo en chip único (integra AFE + CORDIC/SIN/COS) / discreto (AFE + ADC + MCU/FPGA para interpolación y codificación).
Salidas e interfaces (Outputs & Interfaces)
| Categoría | Estilo de señal | Escenario típico |
|---|---|---|
| Cuadrada incremental | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Contadores rápidos PLC, lazos de velocidad/posición |
| Seno/Coseno | 1 Vpp, 11 µApp | Interpolación de alta resolución, aplicaciones con SDE bajo |
| Serie absoluta | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Posición absoluta, conteo multivuelta, diagnóstico |
| Bus/Ethernet industrial | CANopen, EtherCAT, PROFINET (vía módulo de interfaz) | Sincronía multi-eje, largas distancias, diagnóstico en línea |
Especificaciones clave (Key Specifications)
| Indicador | Rango típico / Nota |
|---|---|
| Resolución | Rotativo: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR con interpolación). Lineal: escala 5–50 µm interpolada a 1–5 µm; en equipos de alta gama, submicrón. |
| Precisión angular | Absoluto rotativo: ±0,05° ~ ±0,5° (dependiente del imán y la excentricidad). |
| Repetibilidad/Jitter | Repetibilidad mejor que ±0,05°; el jitter depende de la SNR y del reloj de interpolación. |
| SDE (error de subdivisión) | Típicamente mejor que ±0,1° (alta gama ≤ ±0,03°); en lineales se expresa en µm. |
| Entrehierro magnético | 0,5–2,5 mm (según energía del imán y matriz del sensor). |
| Paso/pares de polos | En anillos son comunes 2–64 pares; en cintas, paso de 2–5 mm. |
| Velocidad máxima | Giro mecánico >10 000 RPM; lineal >3 m/s (según interfaz). |
| Rango de temperatura | −40 °C ~ +125/150 °C (grado automoción), requiere compensación térmica. |
| Protección/contaminación | IP50–IP67; tolerante a aceite, polvo y líquidos de corte. |
| EMC/ESD | Cumple EMC industrial/automoción; el diseño diferencial y el apantallado son críticos. |
Nota: El rendimiento real depende conjuntamente del material y calidad de magnetización, excentricidad/inclinación, entrehierro, apantallado y algoritmos de compensación.
Imán y mecánica (Magnet & Mechanics)
- Selección del material magnético: NdFeB (alto producto de energía; susceptible a desimantación, precisa control térmico), SmCo (gran estabilidad térmica; mayor coste), ferrita (bajo coste; mayor volumen).
- Modo de magnetización: radial/axial o multipolar en anillo; la uniformidad del paso de polo impacta directamente en linealidad y armónicos.
- Errores geométricos: la excentricidad (runout) introduce error angular armónico de 1.º/2.º orden; inclinación/batimiento causa desbalance de amplitud/fase y distorsión.
- Tolerancias del entrehierro: demasiado grande reduce amplitud y SNR; demasiado pequeño aumenta riesgo de roce y desajuste térmico.
- Inmunidad a campos parásitos: estructuras diferenciales, concentración de flujo o anillos de blindaje, alejándose de armónicos dentados del estator; evaluar la stray-field immunity cuando proceda.
Errores y compensación (Error Sources & Compensation)
- Desbalance de amplitud/fase y elipticidad: reducir SDE mediante AGC, ecualización de fase y compensación elíptica.
- Derivo térmico: modelado del coeficiente térmico del sensor y del remanente del imán vs. temperatura; corrección en línea con medición de temperatura.
- Excentricidad/error de paso de polo: linealización con LUT en fábrica o calibración in-situ (ajuste multipunto/compensación armónica).
- Campos parásitos/EMI: rutado diferencial, transmisión RS422, apantallado y puesta a tierra de punto único; añadir blindaje de hierro dulce si es necesario.
- Conteo multivuelta: retención del conteo sin energía mediante energy harvesting/engranajes/FRAM/NVRAM con comprobaciones de coherencia redundante.
Comparativa con otras tecnologías (Comparisons)
| Tecnología | Resolución/precisión | Robustez ambiental | Coste | Aplicación típica |
|---|---|---|---|---|
| Encoder magnético | ★★★☆ (hasta 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Industria/automoción, ambientes severos, larga vida |
| Encoder óptico | ★★★★★ (nivel nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Máquina-herramienta de precisión, metrología, semiconductores |
| Encoder inductivo | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Alta temperatura/EMI fuerte, maquinaria pesada |
| Resolver | ★★☆ (demodulación analógica) | ★★★★★ | ★★★ | Alta vibración/temperatura, realimentación de motor |
| Potenciómetro | ★ | ★★ | ★ | Bajo coste, corta vida/precisión modesta |
Aplicaciones (Applications)
- Automatización industrial: transporte y mecanismos de carga, sistemas híbridos servomotor/paso a paso, ascensores y equipos portuarios.
- Automoción/transporte: conmutación y posición de motor, dirección y pedales, posición de chasis y asiento (entorno ISO 26262).
- Robótica y cobots: ángulo articular, encoder de rueda en AGV/AMR, plataformas móviles de exterior.
- Energías renovables y equipos outdoor: seguimiento solar/eólico, válvulas y actuadores, maquinaria minera y de construcción.
Puntos clave de instalación e integración (Installation & Integration)
- Centrado/coaxialidad: en rotativos, priorizar hombros de centrado/útiles (jigs) y controlar runout radial y axial; en lineales, asegurar la rectitud de la cinta y la estabilidad del portador.
- Ajuste del entrehierro: seguir la hoja de datos dejando margen en todo el rango térmico; verificar margen de amplitud a SNR mínima y velocidad máxima.
- Cableado y terminación: preferir diferencial RS422 o interfaz de corriente; adaptar impedancias, apantallar y usar tierra de punto único para evitar bucles.
- Parámetros de protocolo: longitud de trama, CRC, temporización y bits de alarma en SSI/BiSS/SPI/EnDat deben coincidir con el controlador.
- Redundancia y seguridad: en ejes críticos usar doble canal/doble sensor con monitorización de coherencia (SIL/PL o ASIL).
Normas y conformidad (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (grados IP) / IEC 60068-2 (vibración/choque/alta-baja Tª/humedad)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (inmunidad/emisión EMC industrial), ISO 7637 (transitorios vehiculares)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (seguridad funcional en máquinas/accionamientos/automoción)
- AEC-Q100/Q200 (fiabilidad de componentes grado automoción para sensores/pasivos)
La lista final de conformidad se ajusta al sector y a los requisitos del proyecto.
Guía de selección (Selection Guide)
- Objetivos de precisión: precisión/linealidad angular, resolución, SDE y jitter.
- Tecnología de sensado: Hall (prioridad coste) / AMR / GMR / TMR (prioridad resolución y estabilidad térmica).
- Solución de imán: anillo/cinta/ímán único; paso de polo y dimensiones, material y grado térmico.
- Interfaz de salida: incremental/seno-cos o SSI/BiSS/SPI/EnDat; necesidad de pasarela a bus e diagnóstico en línea.
- Entorno y vida útil: grado IP, aceite/polvo/refrigerantes, inmunidad a campos parásitos; en automoción/exteriores, requisitos de durabilidad grado automoción.
- Mecánica y entrehierro: errores de centrado permitidos, ventana de entrehierro, límite de velocidad; útiles de montaje y consistencia en serie.
- Compensación y calibración: soporte de compensación térmica/armónica/linealización por LUT; estrategia en fábrica o in-situ.
- Seguridad y redundancia: nivel de seguridad funcional, fail-safe e interfaces de monitorización de fallos.
Glosario (Glossary)
- Paso/pares de polos (pole pitch/pairs): longitud espacial de un ciclo N–S / número de pares.
- SDE (Sub-Division Error): error de subdivisión; error periódico residual tras la interpolación.
- Stray-Field Immunity: inmunidad frente a campos magnéticos parásitos/externos.
- CTE: coeficiente de dilatación térmica; afecta al acoplamiento térmico entre el imán y las piezas mecánicas.
Conclusión: Dominar los principios de sensado magnético, el diseño del imán y la mecánica, las interfaces y las estrategias de compensación—y alinearlo con las metas de precisión y las condiciones de servicio—permite lograr una realimentación de posición fiable, duradera y con diagnóstico incluso en entornos severos.