Sensor de Posicion (Encoder)

Practica No. 8

Laboratorio de Sensores y Actuadores

PRÁCTICA NUM. 8

Sensores de Posición

INTRODUCCIÓN

La creciente presencia de sistemas digitales para el tratamiento y presentación de la información en los sistemas de medida y control, hace muy atractivos aquellos sensores que ofrecen directamente a su salida una señal de forma digital, por la simplificación que suponen en el acondicionamiento de señales y su mayor inmunidad a las interferencias electromagnéticas en determinados casos. Se distingue aquí dos tipos de sensores digitales. Los primeros ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica; este tipo lo forman los codificadores de posición. El segundo tipo es el de los sensores que se basan en un fenómeno físico tipo oscilatorio, transducido posteriormente por un sensor modulador convencional. Los sensores de este grupo se denominan autorresonantes, de frecuencia variable, o casi digitales, y necesitan un circuito eléctrico posterior (un contador) para ofrecer la señal digital deseada

OBJETIVO

Se estudiara el funcionamiento de los encoders absolutos de posición. Se establecerá una relación entre la interpretación del código gray y la posición angular de un eje.

1 Roberto Domínguez

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MARCO TEÓRICO . ENCODERS

Los codificadores rotatorios (conocidos genéricamente como encoders) son mecanismos utilizados para entregar la posición, velocidad y aceleración del rotor de un motor. Sus principales aplicaciones incluyen aplicaciones en robótica, lentes fotográficas, aplicaciones industriales que requieren medición angular, militares, etc. Un codificador rotatorio es un dispositivo electromecánico que convierte la posición angular de un eje, directamente a un código digital. Los tipos más comunes de encoders se clasifican en: absolutos y relativos (conocidos también como incrementales). Los encoders absolutos pueden venir codificados en binario o gray. Dentro de los encoders incrementales, se encuentran los encoders en cuadratura, ampliamente utilizados en motores de alta velocidad y en aplicaciones en las que interesa conocer la dirección del movimiento del eje. El tipo común de encoder incremental consiste de un disco solidario al eje del motor que contiene un patrón de marcas o ranuras que son codificados por un interruptor óptico (par led/fotodiodo o led/ fototransistor) generando pulsos eléctricos cada vez que el patrón del disco interrumpe y luego permite el paso de luz hacia el interruptor óptico a medida que el disco gira. La resolución de un encoder típico es del orden de 1000 pulsos por revolución. Desde un encoder incremental no se puede determinar la posición angular absoluta del eje. Para 2 Roberto Domínguez

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poder determinar la posición relativa a un punto de referencia (cero), el encoder debe incluir una señal adicional que genera un pulso por revolución, denominada índice. En la imagen se muestran tres tipos de disco con códigos diferentes, aunque los más comunes son los primeros dos.

ENCODER ABSOLUTO

Principio de Funcionamiento: El principio de funcionamiento de un encoder absoluto es muy similar al de un encoder incremental en el que un disco que gira, con zonas transparentes y opacas interrumpe un haz de luz captado por fotorreceptores, luego estos transforman los impulsos luminosos en impulsos eléctricos los cuales son tratados y transmitidos por la electrónica de salida.

La Codificación Absoluta:

Respecto a los encoders incrementales, los encoders absolutos muestran importantes diferencias desde el punto de vista funcional. Mientras en los encoders incrementales la posición está determinada por el cómputo del número de impulsos con respecto a la marca

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de cero, en los encoders absolutos la posición queda determinada mediante la lectura del código de salida, el cual es único para cada una de las posiciones dentro de la vuelta. Por consiguiente los encoders absolutos no pierden la posición real cuando se corta la alimentación (incluso en el caso de desplazamientos), hasta un nuevo encendido (gracias a una codificación directa en el disco), la posición está actualizada y disponible sin tener que efectuar, como en el caso de los encoder incrementales la búsqueda del punto de cero.

Analicemos ahora el código de salida que se deberá utilizar para definir la posición absoluta. La elección más obvia es la del código binario, porque fácilmente puede ser manipulado por los dispositivos de control externos para la lectura de la posición, sin tener que efectuar particulares operaciones de conversión. En vista de que el código se toma directamente desde el disco (que se encuentra en rotación) la sincronización y la captación de la posición en el momento de la variación entre un código y el otro se vuelve muy problemática. En efecto, si por ejemplo tomamos dos discos binarios consecutivos como 7 (0111) 8 (1000). Se nota que todos los bits del código sufren un cambio de estado: una lectura efectuada en el momento de la transición podría resultar completamente errónea porque es imposible

que las variaciones sean instantáneas y que se produzcan todas en el mismo momento. Debido a este problema se utiliza una variante del código binario: el código Gray, el cual tiene la particularidad que al pasar entre dos códigos consecutivos (o desde el ultimo código al primero), uno solo cambia su estado.

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Ejemplo de un encoder absoluto

ENCODER INCREMENTAL

En un codificador de posición incremental hay un elemento lineal o un disco con poca inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar. Dicho elemento posee dos tipos de zonas o sectores, con una propiedad que las diferencia, dispuestas en forma alternativa y equidistante. De este modo, un incremento de posición produce un cambio definido en la salida si se detecta dicha propiedad cambiante con la posición mediante un dispositivo o cabezal de lectura fijo. La resolución, de un sensor angular, dada como numero de impulsos de salida, es: 𝑁=

𝜋𝐷 2𝑥

Donde D es el diámetro del disco y X la anchura de cada sector codificado. La simplicidad de economía de esta técnica no admiten duda, pero tiene una serie de inconvenientes que conviene señalar. En primer lugar, la información sobre la posición se pierde en cuanto falla la alimentación del sistema, o simplemente cuando se desconecta, y en su presencia de interferencias fuertes. En segundo lugar, es necesario un contador bidireccional para poder tener una salida digital compatible con los elementos de entrada – salida del ordenador; y en tercer lugar, no permite detectar el sentido de avance si no se 5 Roberto Domínguez

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dispone de elementos adicionales a los indicados. Las propiedades empleadas para la diferenciación de los sectores pueden ser magnéticas, eléctricas u ópticas. La salida básica suele ser en forma de tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%. Una rueda o regla dentada de material ferromagnético dará un impulso de tensión cada vez que pase por delante de una bobina fija dispuesta en un campo magnético contante. La forma de señal obtenida es casi senoidal, pero esta se puede recuadrar o simplemente determinar sus pasos por cero.

Encoder Incremental

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Ejemplo de un encoder tipo magnético

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DIFERENCIAS ENTRE ENCODER ABSOLUTO E INCREMENTAL

La diferencia entre los encoders incrementales y absolutos es análoga a la diferencia entre un cronometro y un reloj. Un cronometro mide el tiempo de incremento que transcurre entre su inicio y su término, muy parecido a lo que un encoder de incremento suministra un conocido número de impulsos relativo a un total de movimientos. Si sabías el tiempo exacto de cuando iniciaste el reloj, podrás decir que tiempo será más tarde sumando el tiempo transcurrido del cronometro. Para controlar la posición, sumando los pulsos de incremento a una posición inicial conocida medirá la posición actual. Cuando se utiliza un encoder absoluto, la posición actual será constantemente transmitida, tal como un reloj normal te dirá la hora exacta.

ENCODER LINEAL

Encoder Lineal

Un encoder lineal es un dispositivo simple, pero sofisticado, que se utiliza para realizar dos funciones: 1. Posicionamiento: Los encoders lineales proveen información exacta del posicionamiento, y de esta forma el láser siempre se enciende precisamente en el lugar que debe hacerlo.

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2. Tiempo: Los encoders lineales también proveen información acerca de cuándo el láser es encendido. Si alguna vez vio un sistema de grabado Epilog operando al 100% de velocidad, no tardará en darse cuenta que hay un trabajo de ingeniería muy sofisticado ideado para manejar velocidades tan altas y encender el láser en el momento indicado.

FUNCIONAMIENTO

El encoder es un simple emisor/receptor de luz. Transmite un rayo continuo de luz frente al receptor de luz, del otro lado del encoder. Las líneas marcadas, de forma muy precisa, en el strip del encoder bloquean la luz y los espacios que hay entre las líneas permiten que la luz pase a hacía el otro lado. Este patrón de luz bloqueada o no bloqueada genera los pulsos eléctricos necesarios para saber precisamente donde y cuando el láser debe encenderse. Estos encoders lineales que la mencionada marca utiliza en cada sistema que fabrica son muy avanzados y precisos. Pueden detectar inclusive un movimiento de 0.0008”. La precisión y el tiempo son todo en un equipo láser. Hay otros métodos para determinar la posición y el tiempo, pero todos los otros métodos terminan afectando a la calidad o a la velocidad de alguna manera además de no ser tan precisos.

Partes de un encoder lineal

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RESOLUCIÓN Y PRESICIÓN DEL ENCODER

Resolución es el número de segmentos de medición o unidades en una revolución de un eje de encoder o una pulgada o milímetro de una escala lineal. Los encoders de eje están disponibles con resoluciones arriba de los 10,000 pulsos por revolución (PPR) directamente, y 40,000 PPR por detección de margen de los canales A y B, mientras que los encoders lineales están disponibles con resoluciones medidos en micrones. La línea inferior es, el encoder selecto debe de tener resolución igual a o mejor que la requerida por la aplicación. Pero la resolución no es toda la historia. Precisión y resolución son diferentes, y es posible tener uno sin necesidad del otro. Esta figura muestra una distancia X dividida en 24 incrementos o “bits”. Si X representa 360° del eje de rotación, entonces una revolución ha sido resuelta a 24 partes. Mientras que haya 24 bits de resolución, las 24 partes no son uniformes. Este transductor puede no ser usado para medir la posición, velocidad o aceleración con más precisión.

Por otra parte, en esta figura la distancia X es dividida en 24 partes iguales. Cada incremento representa exactamente 1/24 de una revolución. Este transductor opera con exactitud así como la resolución. La precisión, sin embargo, puede ser independiente de la resolución. Un transductor puede tener una resolución de solamente dos partes por revolución, aún así su precisión puede ser + 6 arco segundos.

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MARCO TEÓRICO DE LAB VIEW

LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por 1976. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentos Utilizados el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

Principales Controles Utilizados

Descripción de los controles utilizados. 1. Sirve para especificar el dispositivo donde se encuentra la DAQ, en este caso es el NI ELVIS, el cual es llamado Dev1 por el software. 2. Indica el valor de un índice específico de un arreglo. 3. Condición de espera, dentro de un ciclo WHILE sirve para que este ciclo se repita dentro de un valor de milisegundos, el cual debe ser especificado por una constante. 4. Indicador visual en forma de termómetro, en este caso, el tipo de variable es I16.

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5. Indicador de tipo I16, para números enteros de 32 bits. Al darle click derecho sobre este indicador podemos elegir si este será un control, una constante o el propio indicador. 6. Indicador de tipo DBL doble. 7. Función matemática de la multiplicación, posee 2 nodos de entrada y uno de salida. 8. Configuración del Sub-VI DMM, aquí se selecciona el tipo de medición. 9. Devuelve la lectura digital medida del Sub-VI DMM, como un arreglo, se le debe especificar la función que debe realizar. 10. Inicializador del Sub-VI DMM. 11. Cierra el Sub-VI DMM. 12. Botón de paro, ubicado en el panel frontal. Sirve para darle una entrada booleana al comando STOP del ciclo WHILE. 13. Constante del sistema, esta sirve para dar un número específico de referencia, puede ser usado en la función de multiplicación o en la función WAIT. 14. Tipo de medición del Sub-VI DMM. 15. Ciclo WHILE, esta función repite el sub diagrama que se encuentra en su interior hasta que la condición de paro es cumplida, el cual puede ser un valor booleano, controlado por un botón (ver 10.) en el panel frontal del instrumento virtual (VI) o creado por un error en el sistema. La terminal i determina el número de veces que se ha repetido el ciclo. 16. Nodo de formula. Evalúa fórmulas matemáticas de forma similar al lenguaje C, para determinar las variables de entrada o salida se debe dar click derecho en el marco del nodo de formula y luego seleccionar añadir entrada o salida según se desee.

Las siguientes funciones son reconocidas por el nodo de formula: abs, acos, acosh, asin, asinh, atan, atan2, atanh, ceil, cos, cosh, cot, csc, exp, expm1, floor, getexp, getman, int, intrz, ln, lnp1, log, log2, max, min, mod, pow, rand, rem, sec, sign, sin, sinc, sinh, sizeOfDim, sqrt, tan, tanh.

12 Roberto Domínguez

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LISTADO DE MATERIAL

El material usado en la práctica, principalmente fue para armar el encoder. El material usado fue: 

5 LED´s infrarrojos



5 Fototransistores



5 Resistencias de 100 ohm



5 Resistencias de 220 ohm



Una unidad de CD de una PC antigua



Acrílico como base para el encoder



Un CD transparente



Pintura negra



Una placa para soldar componentes



Cables



Un código Gray de 5 pistas esto en el tamaño de un CD



Tornillos largos y tuercas como base para sostener el encoder



Compuertas OR



Cautín y soldadura de estaño

Materiales usados para hacer el encoder

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DESARROLLO

1. Se fabricó una base en la cual se montarían los LED’s infrarrojos y se acomodaron alineados conforme a las pistas de lectura del código

LED´s infrarrojos

Parte inferior del encoder

2. En la parte superior del encoder se colocaron los fototransistores posicionados justamente sobre los LED’s infrarrojos para que cuando la parte obscura del encoder la luz no incida sobre el fototransistor.

Fototransistores

LED’s Infrarrojos

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3. Los cables de cada componente se soldaron a una placa con sus respectivas resistencias para ajustar el voltaje al punto de operación de cada componente.

Salidas de señal analógica

4. Una vez que el circuito en la placa quedo totalmente terminado se implementó el circuito para acondicionar la señal a digital apta para que el NI ELVIS la pueda leer e interpretar. Circuito acondicionador de señal, usando compuertas NOT

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5. Para asegurarnos de que la señal que se pretendía leer en el NI ELVIS fuese la correcta se comprobó mediante un osciloscopio, aquí debía de salir la señal completamente cuadrada, para que fuese interpretada como un 1 digital.

La señal en color azul es la señal acondicionada para que el NI ELVIS la detecte como una salida digital

6. Ya una vez que todo quedo listo se pasó a conectar el encoder a las entradas digitales de NI ELVIS y proceder a hacer la práctica.

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Encoder conectado al NI ELVIS durante la realización de la práctica

Disco codificado en código Gray

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Así quedo nuestro encoder ya terminado

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DESARROLLO DE LABVIEW

 Para el programa de LabVIEW usamos el comando de lectura de datos en las entradas digitales.

Entradas digitales del NI ELVIS

El encoder se alimenta de los 5 volts que proporciona el NI ELVIS

 En el programa de LabVIEW de esta práctica se leyeron las entradas digitales que el encoder proporciona, las señales corresponden a un código Gray que es un tipo de código binario pero este a diferencia del binario tiene la ventaja de que no da 19 Roberto Domínguez

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lecturas erróneas, una vez que en el programa de LabVIEW el código Gray es convertido a código binario, y después de código binario se convierte a número decimal para poder visualizar las posición en que se encuentra el encoder.  Este tipo de encoder tiene la ventaja de que se puede saber en qué posición está el encoder y saber en qué sentido gira el aparato que esté conectado al encoder.

 Así quedo el programa de LabVIEW después muchos intentos de probar que este logrará leer los datos del encoder y dar los resultados deseados en el panel frontal.

Diagrama de bloque de la practica 8

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Apariencia del panel frontal de la practica 8

RESULTADOS

Una vez que el programa que realizamos en LabVIEW observamos por completo que todas las posiciones en el encoder aparecían en orden y si se invertía el sentido de giro del disco el número de posición disminuye. Nuestro encoder tiene una resolución de 11.25 grados por paso esto quiere decir que en una revolución habrá 32 pasos o 32 posiciones. En la siguiente tabla se muestra el código Gray (que es el que se obtiene en el disco) y el binario y los grados mostrados en el panel frontal de LabVIEW. Código Gray

Código Binario

Binario a decimal

Grados

00000

00000

0

11.25

00001

00001

1

22.5

00011

00010

2

33.75

00010

00011

3

45

00110

00100

4

56.25 21

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00111

00101

5

67.5

00101

00110

6

78.75

00100

00111

7

90

01100

01000

8

101.25

01101

01001

9

112.5

01111

01010

10

123.75

01110

01011

11

135

01010

01100

12

146.5

01011

01101

13

157.5

01001

01110

14

168.75

01000

01111

15

180

11000

10000

16

191.25

11001

10001

17

202.5

11011

10010

18

213.75

11010

10011

19

225

11110

10100

20

236.25

11111

10101

21

247.5

11101

10110

22

258.75

11100

10111

23

270

10100

11000

24

281.25

10101

11001

25

292.5

10111

11010

26

303.75

10110

11011

27

315

10010

11100

28

326.25

10011

11101

29

337.5

10001

11110

30

348.75

10000

11111

31

360

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CAPTURAS DE EL PROGRAMA DE LABVIEW FUNCIONANDO

Indicador de posición

Indicador de grados en el panel frontal

Indicadores en código Gray y código binario

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Diagrama de bloque de la practica 8

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CONCLUSIÓN La practica 8 fue la más difícil de todas porque en esta práctica todo el dispositivo que se utiliza para hacer la práctica hay que fabricarlo uno mismo, ya que no hay disponible ese material en el laboratorio, tuvimos que investigar cómo hacer un encoder y los materiales necesarios para construirlo, así nos dimos a la tarea de buscar e investigar por todos los medios posibles, la parte de los fototransistores y los LED’s infrarrojos no fue complicado pues una de la practicas anteriores se trataba de eso, entonces solo era buscar una base y algo que girase en torno a un eje dejando pasar en él un disco que tuviese codificado un código mediante partes opacas y partes transparentes, estas zonas se interpretarían como unos y ceros (1 y 0) algo así como el código binario. El programa de LabVIEW no fue tan complicado como el del motor, puesto que solo se necesitaba leer las señalas enviadas por el encoder y el programa de LabVIEW las interpretaría convirtiéndolas de código Gray a código binario, después ese código binario seria convertido a número decimal. Luego en el panel frontal se mostrarían estas operaciones mostrando las diferentes posiciones del encoder.

Trabajando en la construcción del encoder

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BIBLIOGRAFÍA



http://www.westmexico.com.mx/pfd/dynapar/catalogos/4.Manual%20de%20Aplicacion%20de%20Encoders.pdf



http://www.infoplc.net/files/documentacion/instrumentacion_deteccion/infoPLC_net _EncoderAbsoluto.pdf



http://facultad.bayamon.inter.edu/arincon/encoderincrementales.pdf



http://cmapspublic2.ihmc.us/rid=1H2F1807L-JP0SG2-J1J/encoder.pdf



http://www.revistaletreros.com/pdf/97-40a42.pdf

Ramón Pallás Areny Sensores y Acondicionadores de Señal, 4ª edición. Editorial. Alfa Omega, México. 2006

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