Parámetros clave del codificador explicados
Para evaluar y seleccionar correctamente un encoder, es necesario comprender en profundidad los parámetros críticos que afectan su precisión de medición, rango de velocidad, adaptabilidad al entorno, vida útil, entre otros. Esta página ofrece un análisis profesional y detallado de los parámetros eléctricos, mecánicos y ambientales más comunes de distintos tipos de encoders.
1. Resolución (Resolution)
1.1 Definición y formatos de expresión
- Encoder incremental: Se expresa en PPR (Pulsos Por Revolución) o CPR (Cuentas Por Revolución), típicos 1000, 2500, 5000 PPR; con cuadruplicación de frecuencia, el conteo real puede ser 4×PPR.
- Encoder absoluto: Se indica en bits para la resolución de una vuelta (por ejemplo, 13 bits = 8192 posiciones), o en formato bits multivuelta + bits de una vuelta (por ejemplo, 25 bits multivuelta).
- Encoder lineal: Se usa LPI (Líneas Por Pulgada), CPI (Cuentas Por Pulgada) o “µm/pulso”.
1.2 Resolución y rendimiento del sistema
- A mayor resolución, el sistema capta movimientos más finos y logra un posicionamiento y control de velocidad más precisos.
- Resoluciones muy altas requieren controladores y procesadores de mayor velocidad, de lo contrario pueden perderse o retrasarse pulsos.
- En aplicaciones de alta velocidad, una gran resolución genera frecuencias de pulso elevadas; asegúrese de que cables y drivers soporten el ancho de banda.
1.3 Detalles adicionales
- Algunos encoders admiten interpolación, subdividiendo internamente para mejorar significativamente la resolución.
- Distinga entre resolución mecánica (número real de líneas del disco) y resolución electrónica (salida tras interpolación interna).
2. Precisión (Accuracy)
2.1 Precisión amplia y estrecha
- Precisión amplia: Desviación máxima entre la salida del encoder y la posición real, influida por errores del disco, montaje mecánico, juego de rodamientos, etc.
- Precisión estrecha: Algunos fabricantes sólo especifican la precisión de las líneas o del sensor, sin incluir errores de montaje o de rodamientos.
2.2 Unidades típicas
- Encoders angulares: arcsec (segundos de arco), arcmin (minutos de arco), grados (°) o porcentaje de resolución.
- Encoders lineales: µm/m, ppm (partes por millón) u otros indicadores de precisión.
2.3 Fuentes de error
- Error de fabricación del disco/grating: pitch de líneas irregular o excéntrico.
- No linealidad del sensor: distorsión en el borde de dispositivos ópticos o magnéticos.
- Error de montaje: excéntrico, juego de rodamientos o desalineación del brida.
- Influencias ambientales: deriva térmica, vibraciones, contaminación de la superficie.
2.4 Mejora y compensación
- Utilizar discos de alta precisión o elementos ópticos/magnéticos de primer nivel.
- Calibrar con interferómetro láser y generar tablas de compensación.
- Aumentar la rigidez de rodamientos para reducir juego radial/axial.
3. Repetibilidad (Repeatability)
3.1 Concepto
- La repetibilidad mide la consistencia de varias mediciones en la misma posición, independientemente de la desviación absoluta.
- Incluso con precisión absoluta moderada, una buena repetibilidad permite corrección por software para un posicionamiento muy preciso.
3.2 Factores que la afectan
- Holgura mecánica: engranajes, acoplamientos o husillos con juego o deformación elástica.
- Saltos de señal: detección irregular en puntos críticos de sensores.
- Interferencias ambientales: variaciones de temperatura, EMI, vibraciones.
3.3 Medidas de mejora
- Optimizar la cadena de transmisión con acoplamientos de calidad y asegurar la concentricidad.
- Muestrear varias veces y aplicar filtrado o promedio.
- Minimizar fuentes de vibración y ruido.
4. Velocidad máxima y respuesta en frecuencia (Max Speed & Frequency Response)
4.1 Velocidad máxima
- Encoders rotatorios: se mide en RPM (revoluciones por minuto), p. ej. 6000 RPM.
- Encoders lineales: se mide en m/s o mm/s.
- Superar la velocidad máxima puede provocar pérdida o distorsión de señal, afectando la precisión.
4.2 Respuesta en frecuencia
- Capacidad de mantener forma de onda y conteo correcto a medida que aumenta la velocidad.
- Frecuencia de pulso incremental = RPM × PPR / 60.
- En absoluto, depende de la velocidad de comunicación serie o tasa de actualización.
4.3 Consideraciones
- El controlador debe tener capacidad de conteo rápido o procesamiento en serie.
- Cableado y circuitos receptores deben soportar el ancho de banda necesario, evitando atenuación y ruido.
5. Voltaje de alimentación y consumo (Supply Voltage & Power Consumption)
5.1 Rango de voltaje
- Típico: 5 V DC (TTL), 10–30 V DC (HTL); algunos de alta gama soportan 4.5–30 V.
- Encoders con Ethernet Industrial suelen ser compatibles con 24 V.
5.2 Evaluación de consumo
- Los ópticos con fuente de luz consumen más energía.
- Los magnéticos o capacitivos consumen menos, pero pueden requerir precalentamiento en frío extremo.
- Alta velocidad y alta resolución aumentan el procesamiento interno y consumo de los drivers.
5.3 Compatibilidad y estabilidad
- Ondas en la fuente o caídas momentáneas pueden causar reinicios o pérdida de pulsos.
- En sistemas multieje grandes, considere la caída de voltaje en cables y dimensionado adecuado.
6. Formas de salida y niveles de señal (Output Types & Signal Levels)
6.1 Salida incremental
- Onda cuadrada A/B/Z: niveles TTL, HTL, RS422.
- Salida sinusoidal (1 Vpp): alta precisión en grating/magnético, admite interpolación para aumentar resolución.
6.2 Salida absoluta
- Paralela: múltiples bits en paralelo (Gray Code, binario).
- Serial: protocolos SSI, BiSS, EnDat, reducen cableado y mejoran inmunidad al ruido.
- Bus/Ethernet: CANopen, Profibus, EtherCAT, Profinet, para control distribuido en red.
6.3 Salida analógica
- Voltaje (0–5 V, 0–10 V) o corriente (4–20 mA), adecuado para sistemas de control analógico tradicionales.
- Precisión sensible a ondulación de la fuente y a la impedancia del cable.
7. Grado de protección (IP Rating)
7.1 Normas IP
- IP65: protegido contra polvo y chorros de agua a baja presión.
- IP67: protección contra inmersión temporal.
- IP68: funcionamiento continuo bajo el agua.
7.2 Estrategia de selección
- Entornos exteriores, alimentario o lavado requieren grados IP elevados.
- Los grados IP más altos suelen aumentar costos y afectar disipación y resistencia de rodamientos.
8. Carga de rodamientos y vida mecánica (Bearing Load & Mechanical Life)
8.1 Tipos de rodamientos y cargas
- Rodamientos de bolas de precisión o de contacto angular comunes.
- Carga radial: fuerza perpendicular al eje; carga axial: fuerza a lo largo del eje.
8.2 Vida útil y mantenimiento
- Altas velocidades, cargas elevadas o temperaturas extremas acortan la vida de rodamientos.
- Hay encoders de alta gama con rodamientos cerámicos o lubricantes especiales.
8.3 Consideraciones de instalación
- Use acoplamientos flexibles o soportes externos para distribuir cargas radiales.
- Asegure concentración al montar para evitar torsión excesiva o vibraciones.
9. Parámetros ambientales (Environment Parameters)
9.1 Rango de temperatura
- Temperatura de operación: –20 °C a +85 °C, garantizando precisión.
- Temperatura de almacenamiento: más amplio, pero evite daños en óptica o lubricantes.
9.2 Humedad, condensación y corrosión
- En alta humedad o condensación, mejore sellado y protección anticorrosión.
- En entornos agresivos (ácidos, álcalis, salmuera), use carcasas de acero inoxidable o recubrimientos resistentes.
9.3 Vibraciones y choques
- Expresado en g o m/s²; entornos de alta vibración requieren especificaciones superiores.
- Amortiguadores o soportes antivibración externos ayudan a mejorar resistencia.
9.4 EMC/ESD
- En entornos electromagnéticos exigentes, emplee cables apantallados y buena conexión a tierra.
- Medidas antiestáticas (anillos de tierra, TVS) protegen circuitos internos.
10. Seguridad funcional y redundancia (Functional Safety & Redundancy)
10.1 Niveles de integridad de seguridad (SIL / PL)
- SIL definido en IEC 61508/62061; PL según ISO 13849.
- Para AGV, ascensores, robots colaborativos, se recomiendan encoders con certificación SIL2 o SIL3.
10.2 Diseño redundante
- Doble cabeza lectora o doble canal: cruza o respalda datos de sensores, reduciendo el riesgo de parada por fallo.
- Mejora la fiabilidad en aplicaciones críticas.
10.3 Autodiagnóstico interno
- Alerta ante atenuación de fuente, anomalías magnéticas o sobretemperatura.
- Implementa lógicas de “parada segura” o “protección por desaceleración” para mayor seguridad.
11. Linealidad y calibración (Linearity & Calibration)
11.1 Origen de errores lineales
- Distribución no uniforme de líneas de disco o pistas magnéticas.
- Variaciones de ángulo o separación entre cabeza lectora y escala.
11.2 Calibración y compensación
- En aplicaciones de alta precisión (semiconductores, metrología), se usa interferómetro láser para generar curvas de error y tablas de compensación.
- Algunos encoders almacenan internamente tablas de corrección para ajustar la salida en tiempo real.
11.3 Compensación parcial e integración
- Si el movimiento es limitado, enfocar calibración en ese rango para máxima precisión.
- Con buena repetibilidad, se logra un posicionamiento extremadamente preciso.
12. Guía integral de selección e integración
12.1 Requisitos de la aplicación
- Tipo de movimiento: rotativo/lineal, rango de velocidad, aceleración/ desaceleración.
- Precisión del sistema: resolución, precisión, repetibilidad.
- Limitaciones ambientales: grado IP, rango térmico, polvo/humedad, vibraciones.
12.2 Interfaz mecánica y eléctrica
- Verificar compatibilidad de diámetro de eje, tipo de brida y carga de rodamientos con el sistema mecánico.
- Asegurar compatibilidad de voltaje, niveles de señal y protocolos de comunicación con el controlador.
- Calcular longitud de cable, caída de voltaje y atenuación para seleccionar cables apantallados o trenzados.
12.3 Instalación, puesta en marcha y mantenimiento
- Mantener concentricidad y evitar cargas radiales/axiales excesivas en rodamientos.
- Recomendable acoplamientos flexibles para compensar pequeñas excentricidades.
- Revisar periódicamente sellos, anillos antipolvo, cables y conectores.
13. Conclusión
Comprender a fondo los parámetros clave de un encoder es esencial para optimizar la eficiencia y la seguridad del sistema de control. Los indicadores principales incluyen:
- Resolución, precisión, repetibilidad: determinan la finura del control y la exactitud del posicionamiento.
- Velocidad máxima y respuesta en frecuencia: evitan pérdida de pulsos y distorsión en alta velocidad.
- Grado de protección y carga de rodamientos: garantizan vida útil estable bajo condiciones exigentes.
- Compatibilidad eléctrica y protocolos: aseguran integración eficaz con drivers, PLC y redes industriales.
- Seguridad funcional y redundancia: cubren requisitos de fiabilidad en aplicaciones críticas.
Dominar estos parámetros y sus estándares de prueba permite tomar decisiones informadas en selección, integración y mantenimiento de encoders, aportando mayor eficiencia y seguridad a los sistemas de automatización industrial.