Protocolos y encoders: ¿una relación complicada?

¡Hola mecatrónicos!

Bienvenidos a una nueva entrega del blog de Sinadrives.

Diciembre 2020

En esta ocasión echaremos un vistazo a los distintos tipos de encoder que existen, así como a sus características más destacables.

No entraremos de forma exhaustiva en términos de precisión, repetitividad, etc. puesto que en este sentido hay una correlación bastante lineal con el precio. Como sucede con muchos productos, si queremos mayores prestaciones habrá que rascarse el bolsillo. La elección del encoder, a excepción de la máquina herramienta, siempre se ha tratado como un tema menor. Puesto que en las transmisiones clásicas este elemento no influía en la mecánica, su elección quedaba implícita en la elección del servomotor y driver correspondientes.

Con la aparición de los ejes con motor lineal el panorama ha cambiado completamente. En la fase de diseño mecánico hay que empezar a valorar el tipo de encoder, debido a que factores como el ambiente de trabajo o la compatibilidad con el driver pueden ser determinantes para su selección y, en consecuencia, influir sobre la configuración final del eje lineal.

Ya sean encoders lineales o rotativos hay una clara separación respecto a la tecnología de lectura que se utiliza.

Existen encoders magnéticos, que utilizan este principio físico para leer unas marcas previamente magnetizadas. La regla de medición se polariza para tener una secuencia continua norte-sur; de esta forma el lector que se mueve encima de la regla puede detectar los incrementos de posición.

Este principio da lugar a un encoder muy económico, que además admite amplias tolerancias de montaje. Por el contrario, se ve afectado por campos magnéticos externos, y por propiedades endógenas del magnetismo como es la histéresis, lo cual reduce su robustez y repetitividad.

Los encoders ópticos utilizan la refracción de un haz de luz sobre la regla de medición. Dicha regla contiene una combinación de tramos reflectantes y opacos, que provocan que el haz de luz del cabezal se refleje y sea detectado, o que no haya detección. De esta forma el cabezal puede contar los incrementos de posición.

La tecnología óptica permite alcanzar precisiones muy altas, y es inmune a los campos magnéticos. Sin embargo, es sensible a la suciedad y, puesto que ofrece unas prestaciones muy altas, el precio acostumbra a ser elevado.

Como tercera opción tenemos los encoders inductivos. El principio de funcionamiento no difiere de los dos anteriores en forma, pero si en el principio de detección. En este caso la regla es metálica y tiene ranuras mecanizadas a intervalos constantes; y el cabezal lector detecta la inductancia, que varía su valor en función de si en la regla hay metal o una ranura.

Este sistema es increíblemente robusto, debido a su inmunidad a los campos magnéticos, a la suciedad e incluso a los golpes. No alcanza las precisiones de los sistemas ópticos, pero se acerca, lo cual le convierte en un firme candidato en la mayoría de aplicaciones de automatización.

En la siguiente tabla tenemos una comparación de los 3 sistemas:

+: Favorable

0: Neutro

-: Desfavorable

Clasificamos en dos tipos de encoder principales, el incremental y el absoluto.

Un encoder incremental, como su nombre indica, solo permite contar incrementos. No nos da una posición real del eje, sino que permite incrementar o decrementar la posición desde la que empezamos a movernos.

En una máquina real, trabajar de esta manera es inviable, por lo que el control ejecuta una secuencia de cero o homming. Básicamente esta secuencia consiste en mover el eje en una dirección hasta encontrar un sensor, el cual nos fijará esa posición conocida como «cero» y podremos contar en positivo o negativo a partir de allí.

En la mayoría de casos la aplicación requerirá de una posición de referencia más exacta de la que puede dar un sensor o final de carrera. Por este motivo los encoders incrementales incluyen una pista de referencia cero. En este caso el eje invertirá el sentido del movimiento una vez encontrado el sensor de final de carrera, y seguirá moviéndose hasta encontrar el impulso cero del encoder.

Esta función permite tener repetibilidades del orden de pocas micras (o nanómetros en encoders más precisos).

Existen situaciones donde la secuencia de búsqueda de cero no es posible, debido a posibles colisiones o carreras largas que requieren mucho tiempo de referenciado. En estos casos es necesario la utilización de un encoder absoluto.

El encoder absoluto se comunica con el driver por un bus digital, y transmite la posición exacta sin tener que ejecutar ningún movimiento. Esto es posible gracias a que la regla de medición incluye un código, que el cabezal lee para conocer la posición donde se encuentra.

Otra ventaja de estos encoders, en ejes con motor lineal, es que evita ejecutar el «phasing» inicial. Lo cual evita muchos problemas, sobre todo en ejes verticales o cuando la carga es elevada.

La tendencia actual del mercado es ir cada vez más a la utilización de encoders absolutos. El hecho de que el precio de estos encoders se esté acercando al de los incrementales, y el avance en electrónica que permite a los drivers leer distintos protocolos con el mismo hardware, ha provocado que muchos fabricantes opten por una interfaz de encoder absoluto por defecto; dejando el encoder incremental como una opción.

En relación con el punto anterior, los encoders absolutos utilizan un bus de comunicación digital, lo que ha dado lugar a infinidad de protocolos de comunicación. Cada fabricante, ya sea de encoder o de driver, intenta fomentar su propio protocolo, haciendo que la compatibilidad entre encoder y driver sea un tema a tratar durante el diseño. A continuación, haremos un repaso de los protocolos más habituales:

«Synchronous Serial Interface». Este es un protocolo de comunicación libre, por lo que es admitido en la mayoría de equipos. Pero por contra, al ser abierto, admite ciertas variaciones en las longitudes de las tramas y el código, lo que requiere que se haga la correcta configuración en el driver para poder leer la posición correctamente. Además, al ser un estándar de los años 80 tiene ciertas limitaciones en cuanto a la tasa de transferencia de datos que lo hacen inadecuado en las aplicaciones más dinámicas. Para compensar esto se acostumbra a acompañar la señal absoluta con otra incremental en paralelo. De esta forma se transmite la posición absoluta por SSI al conectar el encoder, y a partir de allí se trabaja con el encoder incremental para conocer la posición durante el movimiento.

Este protocolo es una evolución del SSI. Mantiene la filosofía de protocolo abierto y permite una tasa de transferencia de datos más alta. Aun así no llega a las prestaciones de los protocolos actuales. Al igual que con el SSI, se acostumbra a acompañar de las señales incrementales para poder trabajar en alta dinámica.

Endat es un protocolo propiedad de Heidenhein. Actualmente la versión 2.2 es completamente digital y puede incorporar funciones de Safety homologadas. La popularidad de este fabricante ha conseguido que su protocolo sea interpretado por las principales marcas de drivers del mercado. Una de sus principales características es la etiqueta electrónica. Al conectar el encoder, este comunica todos los parámetros al driver, evitando la necesidad de configuración y evitando errores.

Este protocolo propiedad de SICK ha sido uno de los más utilizados durante años. Aunque en los últimos tiempos ha perdido popularidad, sigue siendo admitido por casi todos los drivers, que quieren asegurar la compatibilidad con los sistemas existentes.

Drive-Cliq es el protocolo de SIEMENS. Es el sistema más cerrado de todos, puesto que sólo los equipos de SIEMENS pueden interpretarlo. Aunque algunos fabricantes de encoders incorporan este protocolo, está restringido a una fuerte supervisión para asegurar la completa compatibilidad, tanto a nivel de software como de hardware. Esto reduce la oferta disponible en este protocolo, pero también facilita el trabajo a los técnicos que usan equipos de SIEMENS al evitar la necesidad de configuración.

Además de estos protocolos existen muchos otros, que normalmente están asociados a un fabricante concreto; ya sea de drivers, encoders, o ambos. Para citar algunos ejemplos tenemos: Panasonic, Fanuc o Mitsubishi.

Si quiere ampliar la información sobre los distintos tipos de encoders de nuestra gamma de ejes lineales puede visitar nuestra web (www.sinadrives.com), o contactar con nosotros a través de los comentarios de este blog.

¡Nos vemos en la próxima entrega!

El equipo SINADRIVES