Medidas del codificador: guía práctica

Actualizado el Apr 6, 2022

Este documento describe la teoría del codificador, los fundamentos de la medición de un codificador y las opciones para medir codificadores que utilizan hardware de NI.

Descripción general del codificador y las aplicaciones

Un codificador es un dispositivo electromecánico que puede medir el movimiento o la posición. La mayoría de los codificadores utilizan sensores ópticos para proporcionar señales eléctricas en forma de trenes de pulsos que, a su vez, pueden traducirse en movimiento, dirección o posición.

Los codificadores rotatorios se utilizan para medir el movimiento de rotación de un eje. La Figura 1 muestra los componentes fundamentales de un codificador rotatorio, que consta de un diodo emisor de luz (LED), un disco y un detector de luz en el lado opuesto del disco. El disco, que está montado en el eje giratorio, tiene patrones de sectores opacos y transparentes codificados en el disco. A medida que el disco gira, los segmentos opacos bloquean la luz y, donde el vidrio es transparente, se deja pasar la luz. Esto genera pulsos de onda cuadrada, que luego se pueden interpretar en posición o movimiento.

Los codificadores suelen tener de 100 a 6.000 segmentos por revolución. Esto significa que estos codificadores pueden proporcionar 3,6 grados de resolución para el codificador con 100 segmentos y 0,06 grados de resolución para el codificador con 6.000 segmentos.

Los codificadores lineales funcionan según el mismo principio que los codificadores rotativos, excepto que en lugar de un disco rotatorio, hay una tira opaca fija con ranuras transparentes a lo largo de su superficie, y el conjunto de detector de LED está unido al cuerpo móvil.

Figura 1. Componentes del codificador óptico
Un codificador con un conjunto de pulsos no sería útil porque no podría indicar la dirección de rotación. Usando dos pistas de código con sectores posicionados 90 grados fuera de fase (Figura 2), los dos canales de salida del codificador de cuadratura indican tanto la posición como la dirección de rotación. Si A adelanta a B, por ejemplo, el disco está girando en el sentido de las agujas del reloj. Si B adelanta a A, entonces el disco está girando en sentido antihorario. Por lo tanto, al monitorear tanto el número de pulsos como la fase relativa de las señales A y B, puede rastrear tanto la posición como la dirección de rotación.

Figura 2. Señales de salida del codificador en cuadratura A y B
Además, algunos codificadores de cuadratura incluyen un tercer canal de salida, llamado cero o señal de referencia, que suministra un solo pulso por revolución. Puede utilizar este pulso único para la determinación precisa de una posición de referencia. En la mayoría de los codificadores, esta señal se llama Z-Terminal o índice.

Hasta ahora, este documento se ha ocupado únicamente de los denominados codificadores de cuadratura incrementales de un solo extremo. Estos se denominan de un solo extremo porque las señales A y B están referenciadas a tierra, por lo que hay un cable (o extremo) por señal. Otro tipo de codificador de uso común es un codificador diferencial, donde hay dos líneas por cada señal A y B. Las dos líneas para la señal A son A 'y A, y las dos líneas para la señal B son B' y B. Este tipo de configuración también se llama push-pull porque las cuatro líneas siempre están suministrando un voltaje conocido (0 V de Vcc). Cuando A es Vcc, A 'es 0 V, y cuando A es 0 V, A' es Vcc. En el caso de un codificador de un solo extremo, A es Vcc o flota. Los codificadores diferenciales se utilizan a menudo en entornos eléctricamente ruidosos porque la toma de medidas diferenciales protege la integridad de la señal.

Con los codificadores incrementales, puede medir solo los cambios de posición (a partir de los cuales puede determinar la velocidad y la aceleración), pero no es posible determinar la posición absoluta de un objeto. Un tercer tipo de codificador, llamado codificador absoluto, es capaz de determinar la posición absoluta de un objeto. Este tipo de codificador tiene segmentos alternos opacos y transparentes como el codificador incremental, pero el codificador absoluto usa múltiples grupos de segmentos que forman círculos concéntricos en la rueda del codificador como un ojo de buey en un objetivo o diana. Los círculos concéntricos comienzan en el medio de la rueda del codificador y, a medida que los anillos salen hacia el exterior del anillo, cada uno tiene el doble de segmentos que el anillo interior anterior. El primer anillo, que es el más interno, tiene un segmento transparente y otro opaco. El segundo anillo que sale del medio tiene dos segmentos transparentes y dos opacos, y el tercer anillo tiene cuatro de cada segmento. Si el codificador tiene 10 anillos, su anillo más externo tiene 512 segmentos, y si tiene 16 anillos, el anillo más externo tiene 32,767 segmentos.

Debido a que cada anillo del codificador absoluto tiene el doble de segmentos del anillo anterior, los valores forman números para un sistema de conteo binario. En este tipo de codificador, hay una fuente de luz y un receptor para cada anillo de la rueda del codificador. Esto significa que el codificador con 10 anillos tiene 10 juegos de fuentes de luz y receptores, y el codificador con 16 anillos tiene 16 fuentes de luz y receptores.

La ventaja del codificador absoluto es que puede reducirlo de modo que la rueda del codificador haga una revolución durante todo el recorrido de la máquina. Si la longitud del recorrido de la máquina es de 10 pulg. Y su codificador tiene una resolución de 16 bits, la resolución de la máquina es 10 / 65,536, que es 0,00015 pulg. Si el recorrido de la máquina es más largo, como seis pies, una. El resolver puede realizar un seguimiento de cada pie de recorrido, y un segundo resolver llamado resolver fino puede realizar un seguimiento de la posición dentro de 1 pie. Esto significa que puede ajustar el codificador grueso para que haga una revolución en toda la distancia y marcha de 6 pies el codificador fino de modo que toda su resolución se distribuya en un pie (12 pulg.).

Cómo realizar una medición con codificador

Para realizar mediciones con el codificador, necesita un componente electrónico básico llamado contador. Basado en sus diversas entradas, un contador básico emite un valor que representa el número de bordes (transiciones de bajo a alto en la forma de onda) contados. La mayoría de los contadores tienen tres entradas relevantes: puerta, fuente y arriba / abajo. El contador cuenta los eventos registrados en la entrada de la fuente y, dependiendo del estado de la línea ascendente / descendente, incrementa el recuento o lo reduce. Por ejemplo, si la línea ascendente / descendente es "alta", el contador incrementa la cuenta, y si es "baja", el contador disminuye la cuenta. La figura 3 muestra una versión simplificada de un contador.

Figura 3. Modelo simplificado de un contador
Un codificador generalmente tiene cinco cables que necesita para conectar al instrumento y, según el codificador, estos cables varían en color. Puede usar estos cables para proporcionar energía al codificador y leer las señales A, B y Z. La Figura 4 muestra una tabla de asignación de pines típica para un codificador incremental.

Figura 4. Configuración de pines del codificador incremental
El siguiente paso es determinar dónde debe conectar cada uno de estos cables. Teniendo en cuenta el contador descrito anteriormente, la señal A se conecta al terminal fuente, lo que hace que esta sea la señal a partir de la cual se cuentan los pulsos. La señal B está conectada al terminal arriba / abajo y puede conectar las señales de +5 VCC y de tierra a cualquier fuente de alimentación; en la mayoría de los casos, es suficiente una línea digital en una tarjeta de dispositivo de adquisición de datos.

Una vez que se cuentan los bordes, el siguiente concepto que debe considerar es cómo esos valores se convierten en posición. El proceso por el cual los recuentos de bordes se convierten en posición depende del tipo de codificación utilizada. Hay tres tipos básicos de codificación, X1, X2 y X4.

Codificación X1

La Figura 5 muestra un ciclo de cuadratura y los incrementos y decrementos resultantes para la codificación X1. Cuando el canal A va por delante del canal B, el incremento ocurre en el borde ascendente del canal A. Cuando el canal B va por delante del canal A, la disminución ocurre en el flanco descendente del canal A.

Figura 5. Codificación X1
Codificación X2

El mismo comportamiento es válido para la codificación X2, excepto que el contador aumenta o disminuye en cada borde del canal A, dependiendo de qué canal lidera al otro. Cada ciclo da como resultado dos incrementos o decrementos, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6 . Codificación X2
Codificación X4

El contador aumenta o disminuye de manera similar en cada borde de los canales A y B para la codificación X4. Si el contador aumenta o disminuye depende de qué canal lidera al otro. Cada ciclo da como resultado cuatro incrementos o decrementos, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Codificación X4
Una vez que haya establecido el tipo de codificación y haya contado los pulsos, convertir a la posición es cuestión de usar una de las siguientes fórmulas:



Para posición de rotación

La cantidad de rotación es

donde N = número de pulsos generados por el codificador por revolución del eje

x = tipo de codificación

Para posición lineal

La cantidad de desplazamiento es

Donde PPI = pulsos por pulgada (un parámetro específico para cada codificador)

Conexión de un codificador a un instrumento

Para esta sección, considere un ejemplo usando el chasis NI cDAQ-9178 y el módulo de E / S digital NI 9401 Serie C. El procedimiento es similar cuando se usa un instrumento o dispositivo de medición diferente.


Figura 8. Chasis NI cDAQ-9178 y Módulo de E / S digital NI 9401

Equipo requerido:

  • Chasis NI CompactDAQ
  • NI 9401 módulo de E / S digitales bidireccionales de alta velocidad 5 V / TTL de ocho canales
  • Codificador de cuadratura rotacional de 24 pulsos / rev.

El NI 9401 tiene un conector DSUB que proporciona conexiones para los ocho canales digitales. Cada canal tiene un pin de E / S digital al que puede conectar un dispositivo de entrada o salida digital. El acceso a los cuatro contadores del chasis CompactDAQ está disponible en cualquiera de las ranuras del chasis; Si está utilizando el cDAQ-9172, el acceso a sus dos contadores solo está disponible a través de las ranuras 5 y 6, por lo tanto, inserte el 9401 en la ranura 5. La Figura 9 muestra el pinout para esta configuración y la Tabla 1 muestra los terminales de contador predeterminados.


Figura 9. Pinout NI 9401 (ranura 5)


Tabla 1. Terminales de contador predeterminados

De acuerdo con estas especificaciones, el cable A está conectado al pin 14, el cable B está conectado al pin 17, la “alimentación de 5 VCC” está conectada a cualquier línea digital no utilizada configurada en “alta” y la “tierra” está conectada a cualquier terminal COM.

Llegar a ver su medida

Ahora que tiene su codificador conectado al dispositivo de medición, puede usar el software de programación gráfica NI LabVIEW para transferir los datos a la computadora para visualización y análisis.

La Tabla 1 muestra un ejemplo de cómo mostrar el recuento de flancos y los incrementos de posición correspondientes dentro del entorno de programación de LabVIEW.


Figura 10. Panel frontal de LabVIEW que muestra las medidas