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Codificador rotativo
Los codificadores rotativos son sensores que convierten el movimiento rotacional mecánico en señales digitales o analógicas y se utilizan ampliamente en automatización industrial, robótica, máquinas CNC, equipos médicos y sistemas de transporte. Al detectar el desplazamiento angular, la velocidad y la dirección, proporcionan una retroalimentación precisa a los sistemas de control. Este artículo explica en detalle la definición, principios de funcionamiento, clasificaciones, parámetros técnicos, análisis comparativo, escenarios de aplicación, regulaciones estándar y consejos de selección de codificadores rotativos.
¿Qué es un codificador rotativo?
Un codificador rotativo es un dispositivo de retroalimentación de motor o sensor de posición utilizado para medir el desplazamiento angular, la velocidad y la dirección de rotación de un eje. Su función principal es convertir el movimiento rotacional en señales eléctricas que un controlador decodifica para determinar la posición y el estado de movimiento actuales. Los codificadores rotativos se clasifican principalmente en codificadores incrementales, que emiten señales de pulso, y codificadores absolutos, que proporcionan información posicional única.
Principios de funcionamiento
Detección óptica
- Utiliza una fuente de luz para iluminar un disco de rejilla con secciones transparentes y opacas.
- A medida que el disco gira, un fotodetector genera señales de pulso.
Detección magnética
- Emplea sensores magnetorresistivos, de efecto Hall o de magnetorresistencia gigante (GMR) para detectar cambios de polos magnéticos.
Detección inductiva/capacitiva
- Utiliza variaciones en la inductancia o capacitancia para detectar el desplazamiento angular, adecuado para entornos hostiles (alta contaminación, vibración).
Lógica de salida de señal
- Los codificadores incrementales emiten fases A y B (cuadratura) y una fase Z (pulso de referencia cero).
- Los codificadores absolutos proporcionan señales únicas en código binario multibit o código Gray.
Tipos
✓ Por señal de salida
- Incremental: Emite señales de pulso, adecuado para detección de velocidad y dirección.
- Absoluto: Proporciona información de posición única, de vuelta simple o multiturno.
✓ Por estructura mecánica
- Eje sólido
- Eje hueco
- Eje hueco ciego
✓ Por tecnología de detección
- Codificadores ópticos
- Codificadores magnéticos
- Codificadores inductivos
- Codificadores capacitivos
✓ Por protocolo industrial y salida
- TTL/HTL/RS422
- Sin/Cos
- SSI, BiSS-C, EnDat
- Profibus, Profinet, EtherCAT, CANopen
Especificaciones técnicas
| Parámetro | Rango/Detalles |
|---|---|
| Resolución | 1 a 4.194.304 PPR o 8 a 24 bits |
| Velocidad máxima | 3000 a 12.000 RPM, modelos especiales hasta 20.000 RPM |
| Grado de protección | IP50 a IP68 |
| Temperatura de operación | -40°C a +105°C |
| Parámetros eléctricos | 5V, 10-30V, corriente de salida típica < 100mA |
| Resistencia a vibraciones/choques | IEC 60068-2: 10-20g (vibración), 50-200g (choque) |
| Tipos de señal de salida | TTL, HTL, RS422, SSI, BiSS-C, Profinet, EtherCAT |
Ventajas y limitaciones
Ventajas:
- Alta resolución y repetibilidad.
- Respuesta rápida adecuada para control dinámico.
- Diversas interfaces y protocolos de comunicación.
- Excelente resistencia a interferencias electromagnéticas en entornos industriales complejos.
Limitaciones:
- Los tipos ópticos son sensibles a la contaminación.
- Los modelos de alta resolución pueden ser costosos.
- Ciertas tecnologías pueden degradarse en condiciones extremas de temperatura/vibración.
Comparación con otros sensores angulares
| Tipo | Precisión | Costo | Resistencia a interferencias | Flexibilidad de aplicación |
|---|---|---|---|---|
| Potenciómetro | Baja | Bajo | Pobre | Sistemas simples |
| Resolver | Media | Media | Alta | Ambientes con alta vibración y temperatura |
| Codificador rotativo | Alta (hasta 24 bits) | Media/Alta | Alta | Diversos sistemas industriales |
Áreas de aplicación
- Automatización industrial: Retroalimentación de motores, brazos robóticos.
- Máquinas CNC: Retroalimentación de posición del husillo y del eje de alimentación.
- Robótica: Control de articulaciones y retroalimentación de trayectoria.
- Equipos médicos: Detección de rotación en MRI y tomógrafos CT.
- Ascensores y transporte: Posicionamiento de cabinas y retroalimentación de control de puertas.
- Energía eólica y solar: Ángulo de las palas y sistemas de seguimiento solar.
Normas industriales
- IEC 61800-5-2:2016: Seguridad funcional de sistemas de accionamiento.
- ISO 13849-1:2015: Seguridad de sistemas de control de maquinaria.
- IEC 60529:2020: Código de Protección (IP).
- IEC 60068-2: Pruebas ambientales de vibración y choque.
- ISO 9001:2015: Sistemas de gestión de calidad de fabricación.
Problemas comunes y resolución
| Problema | Causa posible | Solución |
|---|---|---|
| No hay salida de señal | Desconexión de alimentación, errores de cableado, daño del sensor | Verificar alimentación, cableado, reemplazar componentes dañados |
| Fluctuación o pérdida de señal | Interferencia, envejecimiento del cable, holgura mecánica | Revisar la conexión a tierra, reemplazar cables, apretar fijaciones |
| Error o fluctuación de salida | Contaminación óptica, interferencia magnética, envejecimiento electrónico | Limpiar componentes ópticos, eliminar fuentes de interferencia, reemplazar componentes |
| Retraso de salida o pérdida de pasos | Configuración incorrecta del protocolo o incompatibilidad | Verificar el protocolo, inspeccionar cableado, actualizar configuraciones del controlador |
Guía de selección
- Requisitos de aplicación: Determinar parámetros de medición (posición, velocidad, dirección).
- Tipo de codificador: Elegir incremental o absoluto (vuelta simple/multiturno).
- Tecnología de detección: Óptica, magnética, inductiva o capacitiva.
- Resolución y señal: Coincidir con la precisión del sistema y los requisitos de interfaz.
- Adecuación ambiental: Confirmar el grado de protección IP y la resistencia a vibraciones/choques.
- Interfaz mecánica: Diámetro del eje, método de montaje y requisitos de carga.
- Compatibilidad de comunicación: Asegurar la compatibilidad con PLCs o controladores de movimiento.
- Cumplimiento de normas: Preferir productos que cumplan IEC, ISO, UL y otras normas internacionales.
Referencias
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- Serie IEC 60068-2
- ISO 9001:2015
Mediante una comprensión profunda de la estructura, los principios de funcionamiento, los parámetros de rendimiento y las aplicaciones de los codificadores rotativos, los ingenieros e integradores de sistemas pueden lograr una selección e integración precisa, optimizando el rendimiento del control y la fiabilidad del sistema.