Codificadores incrementales como sensores de velocidad, parte 6

Nota del editor: Esta es la sexta de una serie de siete partes sobre resolución digital y otros temas. Ahora lee el resto: parte 1 , parte 2 , parte 3 , parte 4 , Parte 5 , y Parte 7 .

Los codificadores ópticos incrementales (discutidos en la edición de diciembre de 2010) detectan la rotación y la orientación utilizando dos canales ópticos (en fase y en cuadratura) que producen trenes de pulsos que están desfasados ​​90° entre sí. Esta configuración produce una gran cantidad de pulsos por revolución, brinda muy buena resolución (hasta 10,000 conteos por revolución) y permite al usuario usar dos fases. Algunas configuraciones tienen circuitos lógicos que proporcionan trenes de pulsos de alta resolución en un cable y bits de detección en el otro. El bit de detección se establece en un nivel lógico para una dirección de rotación y en un nivel lógico cero para la otra dirección de rotación.

Detección de velocidad integrada

Una de las primeras preguntas que debe hacerse un diseñador de bombas o motores es por qué necesitamos sensores de velocidad integrados. El sensor de velocidad de la bomba probablemente debería estar asociado con el motor principal. Por supuesto, en un dispositivo móvil accionado por motor, hay un sistema de control de velocidad que regula la velocidad de salida. Si es así, ¿cuál es el valor del sensor de velocidad en la bomba, ya que el sensor del motor proporcionará la misma información?Siempre que los ejes del motor y de la bomba estén cableados, el sensor de la bomba es redundante.

Para aplicaciones industriales, la cuestión de dónde debe ubicarse el sensor de velocidad es más abierta.¿Debería estar en el eje del motor primario o debería estar en la bomba?Las respuestas se pueden facilitar mediante la coordinación adecuada de varios organismos de creación de normas que están influenciados e influenciados por los campos de transmisión de energía eléctrica e hidráulica.

La segunda pregunta importante sobre la detección de velocidad tiene que ver con la necesidad de detectar la velocidad en ambas direcciones. En la mayoría de las aplicaciones, las bombas no funcionan con rotación bidireccional del eje, especialmente en equipos accionados por motor. Por lo tanto, esta discusión directa es más una declaración general sobre la medición de la velocidad de rotación. Sin embargo, algunas aplicaciones usan un motor de CC para alimentar una bomba bidireccional, cambiando la dirección y el caudal del actuador controlando la dirección y la velocidad de rotación del motor, respectivamente.

Los métodos de generación de frecuencia para la detección de velocidad son problemáticos en tales aplicaciones porque no proporcionan información de orientación rotacional por sí mismos. Si se requiere una operación bidireccional, el dispositivo generador de frecuencia está equipado con dos canales de salida. Están etiquetados como A y B en el codificador y se denominan canales en fase y en cuadratura, respectivamente.

Estas dos señales de frecuencia están desfasadas 90° entre sí a todas las velocidades y, con el bloque lógico incluido, la comparación de los dos canales puede generar una tercera señal, esencialmente digital, denominada bit de dirección. Por ejemplo, cuando el eje gira en el sentido de las agujas del reloj, este bit se establece en un nivel lógico;Cuando se gira en sentido contrario a las agujas del reloj, este bit se establece en un nivel lógico cero. Por lo tanto, un circuito de detección, como un controlador de movimiento o una computadora de control, puede determinar la dirección de rotación simplemente observando los bits de orientación.

Otro problema con los métodos de frecuencia para medir la velocidad es que el circuito de conteo de señales debe aceptar pulsos de la frecuencia deseada y procesar los números acumulados en algo que una interfaz de computadora pueda interpretar. Este circuito debe instalarse en algún lugar, ya sea en la interfaz de la computadora de control o en la electrónica de acondicionamiento de señales del sensor. Asimismo, el contenido del contador representa el valor de la velocidad, y la computadora usa el bit de dirección para agregar un signo menos o no.

hacer un compromiso

Hasta ahora, el interés se ha centrado en la necesidad de lograr la mejor resolución posible: el número máximo de dígitos significativos en una lectura de velocidad de medición. El error de una medición de velocidad (o cualquier medición) nunca puede ser menor que la resolución, por lo que claramente se necesita una alta resolución. El sistema de control también se beneficia de la minimización de los errores de medición. Sin embargo, también se requiere el retardo de tiempo más corto posible. Para repetir: las mediciones de velocidad que se basan en mediciones de frecuencia siempre dan como resultado retrasos de tiempo significativos, que pueden tener efectos devastadores en el sistema de control.

La resolución mejorada se utiliza para aumentar el retardo de tiempo. Por ejemplo, hemos visto cómo un tiempo de puerta de 10 segundos agrega un dígito significativo a una puerta de 1 segundo. Sin embargo, un retraso de 10 segundos haría que la máquina fuera inútil para todos los sistemas electrohidráulicos, excepto para los de movimiento más lento. Los diseñadores de sistemas siempre deben buscar el mejor compromiso entre la resolución y el tiempo de retardo mínimo.

Cuando se usa el método de frecuencia digital, la computadora le indica al contador que está listo para recibir datos de velocidad y luego inicia la función de contador. Una vez transcurrido el tiempo de puerta del contador, los datos están listos, pero no antes. Muestrear el contador antes de que haya completado el proceso de acumulación resultará en un error fatal. Por lo tanto, la computadora siempre recibe datos de velocidad antiguos. En el límite, los datos de velocidad son tan antiguos que cuando ocurre una acción correctiva, la cantidad de corrección se basa en datos que son demasiado antiguos.

El resultado pueden ser oscilaciones en el bucle de control utilizando la información de velocidad a medida que se produce la sobrecorrección. Los novatos a menudo piensan que pueden «engañar» al sistema para que elimine el error de retardo de tiempo al iniciar el muestreo antes de que sea necesario. Desafortunadamente, este esquema solo engaña al diseñador, ya que los retrasos de tiempo siempre están presentes. Para eliminar errores de retardo de tiempo, se deben emplear otras técnicas de medición de velocidad.

Medición del período

Un problema que se ha discutido es que los datos están desactualizados ya que se acumulan en el contador. Otro problema es que los métodos de medición de frecuencia siempre arrojarán un valor promedio, que puede ser ideal o no, dependiendo de las circunstancias. Otro problema es la resolución de la pantalla de datos. Como se mencionó anteriormente, cuando se usa la frecuencia para medir la velocidad, la cantidad de dígitos significativos disminuye a medida que la velocidad se vuelve más lenta, a menos que el tiempo de puerta aumente en consecuencia.

Cambiar de la medición de frecuencia al proceso de medición de período evita estos problemas. Las mediciones de frecuencia producen ciclos por unidad de tiempo (en Hertz), mientras que las mediciones de período producen segundos por ciclo. El tiempo entre pulsos se mide utilizando relojes asociados con contadores electrónicos y otros dispositivos digitales como computadoras.

En el caso de la medición de frecuencia normal, la frecuencia a contar es la frecuencia de un codificador o sensor magnético, y el tiempo de puerta es generado por un contador electrónico. Sin embargo, cuando se miden períodos, los roles de las señales se invierten un poco. La frecuencia a contar se toma del reloj contador electrónico, generalmente más rápido que 1 MHz. La puerta se determina entonces como el tiempo entre pulsos sucesivos de la señal desconocida. El resultado es un contador que muestra el número de segundos que pasarán entre pulsos sucesivos de la señal desconocida.

Obviamente, cuando se decide cambiar de medición de frecuencia a medición de período en puntos críticos, se puede realizar una medición de velocidad más precisa. Para mantener la resolución en el valor óptimo, obviamente los dos valores de visualización deben ser iguales. Además, casi siempre es deseable obtener el máximo número de cifras significativas, ya que las cifras más significativas aumentan la resolución. El diseñador del sistema puede elegir la frecuencia o el período de medición, lo que da como resultado cifras más significativas.

Explore los tacómetros de CC

Otro método común para medir la velocidad de rotación es usar un tacómetro de CC. Un tacómetro de CC funciona como un generador de baja potencia: cuanto más rápido gira, mayor es su voltaje de salida. Hay dos ventajas principales al usar un tacómetro de CC. Primero, un tacómetro de CC diferencia la dirección de rotación cambiando el signo algebraico de su voltaje de salida. En segundo lugar, cuando se aplican a bombas y motores hidráulicos, señalarán un nivel alto en la mayoría de los rangos de velocidad del eje. Esta función no requiere amplificación externa. Por ejemplo, un voltaje de salida de 1 V/1000 rpm es fácil de lograr.

Existe una tercera ventaja posible si todos los demás sensores del sistema producirán salidas analógicas. Tal decisión significa que la interfaz básica a la computadora de control será a través de un convertidor de analógico a digital (A/D) de propósito general. No se requiere interfaz digital.

Los tacómetros de CC, por otro lado, utilizan conmutadores y escobillas para acoplar el mundo interior giratorio con el mundo exterior estacionario. Las escobillas se desgastan con el uso continuado, lo que provoca ruido electrónico y, finalmente, un mal funcionamiento.

El tacómetro también produce una cierta cantidad de voltaje de ondulación, cuya frecuencia está sincronizada con la velocidad del eje. El voltaje de ondulación es muy similar a la ondulación de presión producida por bombas y motores de desplazamiento positivo. La ondulación del conmutador de escobillas del tacómetro puede ser un problema en los sistemas de control de circuito cerrado. Es decir, a medida que la velocidad se acerca a cero, la frecuencia de ondulación se vuelve más baja y finalmente alcanza la frecuencia a la que el sistema de control intenta seguirla.

Filtrar estas frecuencias también es problemático. Si el componente controlado es una bomba que funciona a una velocidad fija nominalmente alta, la frecuencia de fluctuación suele ser tan alta que el lazo de control no puede seguirla de todos modos. Sin embargo, si el elemento controlado es un motor hidráulico que debe funcionar en un amplio rango de velocidades, la frecuencia del ruido del conmutador puede ser lo suficientemente baja como para que el sistema hidráulico intente seguirlo. Un parámetro clave de un tacómetro de CC es la cantidad de ondulación del conmutador que tiene.

Tacómetro CC sin escobillas

Los tacómetros de CC sin escobillas son verdaderos dispositivos de CA que funcionan internamente a alguna frecuencia portadora, como 400 Hz, 1000 Hz o hasta 10 Khz. A diferencia de los generadores de frecuencia codificada, la frecuencia de los tacómetros de CC sin escobillas es constante. La amplitud de salida es una variable importante, y los tacómetros modernos son capaces de generar menos del 1% de velocidad frente a la no linealidad del voltaje.

La característica de CC proviene de un tipo especial de circuito de acondicionamiento de señal llamado demodulador sensible a la fase.(Este es el mismo tipo de acondicionador de señal que utiliza un transformador diferencial variable lineal). El funcionamiento interno de un tacómetro de CC sin escobillas es estrictamente el mismo que el de un motor de CA. Sin embargo, el acondicionamiento de señales proporciona un voltaje de salida de CC proporcional a la velocidad de entrada del eje y sensible a la dirección de rotación.

Sin embargo, a diferencia de los tacómetros de CC con escobillas que no requieren una fuente de alimentación externa (aparte de la fuente de alimentación necesaria para girar su eje), los tacómetros de CC sin escobillas requieren una fuente de alimentación de CC externa para los circuitos de acondicionamiento de señales electrónicas. Las ventajas de estos tacómetros son que su salida tiene una relación razonablemente lineal con su entrada, no muestran contacto físico entre las partes giratorias y estacionarias que de otro modo se desgastarían, y esencialmente están libres de ondulación de voltaje. Sin embargo, suelen ser más caros que sus primos cepillados.

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