Encoders y Sistemas de Control: Funcionamiento, Tipos y Aplicaciones Clave

Conceptos Fundamentales en Sistemas de Control

En el ámbito de los sistemas de control, es crucial comprender la terminología básica para un funcionamiento óptimo. A continuación, se definen los elementos clave:

• Variable controlada: Es la magnitud que se desea mantener en un valor específico o dentro de un rango determinado (por ejemplo, la temperatura de un fluido en un proceso industrial).
• Medida: Es el valor actual de la salida del proceso, obtenido a través de un sensor.
• Punto de consigna: Es el valor deseado para la variable controlada. Actúa como una variable de entrada que establece el objetivo del sistema.
• Señal de error: Representa la diferencia entre el punto de consigna y la medida actual. Esta señal es fundamental para que el controlador ajuste la salida.
• Perturbaciones: Son cambios indeseados que afectan la variable controlada o la salida del proceso, causados por factores externos o ajenos al sistema de control.

Sensores de Posición: Encoders

Los encoders son sensores esenciales que permiten detectar el movimiento de rotación de un eje o la posición lineal, convirtiendo una magnitud física (posición angular o lineal) en una señal digital. Su funcionamiento se basa en el uso de luz y optoacopladores (un diodo fotoemisor y un transistor fotorreceptor) para detectar la presencia o ausencia de luz a través de un disco con ranuras radiales.

Encoders Incrementales

Los encoders incrementales generan una serie de pulsos de salida que corresponden al ángulo de rotación del eje. No proporcionan una salida si el eje está parado, por lo que es necesario un contador externo para determinar la posición actual del eje.

Clasificación por Tipo de Salida

• Unidireccionales: Ofrecen una única salida (A). Con este tipo de encoder, no es posible determinar el sentido de giro del eje.
• Bidireccionales: Proporcionan dos salidas en serie (A y B). El sentido de giro se distingue por la diferencia de fase entre estas dos señales.
• Salida de paso por cero (Z): Generan un pulso adicional por cada revolución completa del eje, útil para referenciar una posición inicial.

Características Clave de Encoders Incrementales

• La resolución se define por el número de pulsos que el encoder genera por cada revolución completa del eje.
• A mayor número de ranuras en el disco, mayor será la resolución del encoder, permitiendo una detección más precisa del movimiento.
• Las ranuras de la salida A están desplazadas un cuarto de periodo (T/4) respecto a las de la salida B.
• Diferencia de Fase (sentido de giro): Si el eje gira en sentido horario, la fase A está adelantada respecto de la fase B. Si el eje gira en sentido antihorario, la fase A está retrasada respecto de la fase B.

Encoders Absolutos

A diferencia de los incrementales, los encoders absolutos proporcionan una salida paralela (codificada) que indica directamente la posición angular del eje en cualquier momento, incluso después de un corte de energía.

Características Clave de Encoders Absolutos

• La salida paralela puede estar codificada en formatos como BCD (Decimal Codificado en Binario) o Gray. La codificación Gray es preferible ya que solo cambia un bit entre posiciones adyacentes, minimizando errores de lectura.
• Cada salida del encoder está conectada a un optoacoplador individual.
• Los discos de los encoders absolutos codifican la posición mediante la anchura y la distribución de sus ranuras, franjas o pistas.

Tipos de Salida de Encoders

Los encoders pueden ofrecer diferentes configuraciones de salida para su conexión a sistemas externos:

• Colector abierto (tipo NPN y PNP): Requieren una carga externa para poder funcionar correctamente.
• Estado sólido: Salidas de tipo push-pull o totem-pole.
• Driver de línea: Ofrecen dos salidas complementarias (una de ellas negada), lo que mejora la inmunidad al ruido en transmisiones a larga distancia.

Parámetros Importantes de Encoders

Al seleccionar un encoder, es fundamental considerar los siguientes parámetros:

• Resolución: Número de pulsos por revolución.
• Respuesta máxima de frecuencia: La velocidad máxima a la que el encoder puede generar pulsos de forma fiable.
• Par de arranque: La fuerza mínima necesaria para iniciar la rotación del eje.
• Velocidad máxima de rotación: La velocidad angular máxima que el encoder puede soportar sin daños o pérdida de precisión.
• Momento de inercia: La resistencia del encoder a los cambios en su velocidad de rotación.

Aplicaciones Comunes de Encoders

Los encoders son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones industriales y de automatización. Las configuraciones de salida mencionadas anteriormente son clave para su integración:

• Colector abierto (tipo NPN y PNP): Utilizados cuando se requiere una carga externa para el funcionamiento.
• Estado sólido: Para aplicaciones que demandan una salida robusta y de bajo consumo.
• Driver de línea: Ideales para transmisiones de señal a largas distancias, donde la inmunidad al ruido es crítica.

(Nota: El texto original repetía la descripción de los tipos de salida en esta sección de "Aplicaciones". Se ha mantenido el contenido original, interpretándolo como una descripción de cómo los tipos de salida influyen en la aplicación.)

Precauciones y Consideraciones para la Instalación de Encoders

Para asegurar un rendimiento óptimo y una larga vida útil de los encoders, es importante tener en cuenta las siguientes precauciones:

• Acoplamiento del eje: Utilizar un acoplamiento flexible para evitar tensiones mecánicas en el eje del encoder.
• Cableado: Asegurar un cableado adecuado, con blindaje si es necesario, para minimizar interferencias electromagnéticas.
• Ajuste de la posición inicial: Calibrar correctamente la posición de referencia del encoder.
• Prevención del conteo erróneo: Implementar filtros o lógica de software para evitar la lectura de pulsos falsos.
• Extensión de la salida de driver de línea: Considerar la impedancia y la longitud del cable al extender las señales de salida.
• Curvas características: Consultar las curvas de rendimiento del fabricante para entender el comportamiento del encoder bajo diferentes condiciones.

Conexión a Periféricos

Los encoders se conectan comúnmente a:

• Contadores de alta velocidad de autómatas (PLCs): Para el procesamiento rápido y preciso de los pulsos generados por el encoder, permitiendo el control de posición y velocidad en sistemas automatizados.