Analog Font-end para codificadores de posición inductivos absolutos

Álvaro Pineda, CEO de iC-Málaga

Los encoders, o codificadores, son dispositivos que convierten una posición angular o lineal en una señal digital o analógica. Según su principio de funcionamiento, se pueden clasificar principalmente en encoders ópticos, magnéticos e inductivos.

Encoders ópticos: Estos encoders utilizan un disco óptico con marcas, una fuente de luz y un array de fotodiodos. Los encoders ópticos son altamente precisos, con una resolución que puede alcanzar fácilmente 16 bits, es decir, 65536 posiciones distintas por vuelta. Esto equivale a 0.005º sobre 360º de resolución. Por los componentes que utiliza y la precisión de ensamblado son los más costosos.

Encoders magnéticos: Funcionan mediante la detección de cambios en el campo magnético producido por un imán adherido a un eje giratorio. Los sensores magnetorresistivos o de efecto Hall miden estas variaciones para generar la señal de salida. Los encoders magnéticos son menos sensibles a la suciedad y los escombros que los ópticos, lo que los hace ideales para entornos industriales adversos. Su resolución puede ser de 14 bits, equivalentes a 16384 posiciones por vuelta. Esto equivale aproximadamente a 0.02º sobre 360º de resolución. Estos encoders son más económicos que los ópticos pero la calidad de los imanes puede limitar.

Encoders Inductivos: Miden el voltaje generado por un campo magnético perpendicular a la corriente eléctrica en un material conductor. Estos encoders suelen ser menos precisos que los ópticos y magnéticos, con resoluciones típicas de hasta 12 bits (4096 posiciones por vuelta o 0.1º sobre 360º), pero ofrecen una gran robustez y durabilidad. Son adecuados para aplicaciones donde se requiere un equilibrio entre costo y rendimiento. Son los mas económicos puesto que los componentes sensor y generador de señal son simples placas PCB. La resolución depende, sin embargo, en gran medida del diseño de esta PCB.


Figura 1: Principio de trabajo de la interfaz analógica para sensores inductivos absolutos, iC-GI22

Figura 2: Curva de error en grados. +-0.02º con disco de 39mm de diámetro y 8 senos por vuelta. Distancia de rotor 2mm.

El último Chip diseñado en iC-Málaga, que acaba de presentarse al mercado, es un font-end analógico para encoders inductivos. Como se ve en la Figura 1, el GI22 incorpora un canal Master y un Slave que lo hace óptimo para el diseño de encoders que midan la posición absoluta. La pista Master puede codificarse con varios senos por vuelta y la pista Slave se utiliza para decodificar el cuadrante donde se encuentra posicionado el eje. Esto permite codificar la posición absoluta del giro con más exactitud, ya que pueden incorporarse en el stator (layout o dibujo de la PCB) varios senos en una vuelta y con la pista Slave conocer dentro de que seno se está operando. Con este propósito, el GI22 incorpora en la pista Slave un pequeño interpolador de 8 bits para decodificar digitalmente el cuadrante en que se encuentra. Además, el circuito integrado incorpora innovaciones en la circuitería de readout para mejor calidad de la señal, filtros optimizados, así como una función de control de ganancia automática que mejora la tolerancia a la distancia del rotor. El GI22 ha sido diseñado íntegramente en iC-Málaga y está preparado para conectarse con la mayoría de los interpoladores de la empresa Alemana iC-Haus. Esta combinación permite total flexibilidad en el diseño en términos de bits de resolución, punto cero ..etc, y alcanzar exactitudes de hasta +-0.02º por vuelta lo que equivale a 14 bits de resolución que son comparables a los encoders magnéticos.

En la Figura 2 se aprecia una estimación del error sobre una vuelta de 360º combinando el integrado GI22 con el interpolador TW29. Con un disco de 39mm y 8 senos por vuelta. En este montaje, con una distancia de rotor de 2mm se obtiene una resolución de 14 bits en la posición absoluta sobre un giro de 360º.

IC-Málaga es una empresa fundada en 2002 centrada en el diseño de circuitos integrados para terceros, generalmente system on chip. El expertise de iC-Málaga es la microintegración analógica y todo lo relacionado con la misma. La combinación del conocimiento y experiencia de nuestros clientes en sus diferentes campos de actividad con nuestro conocimiento en la microintegración ha dado lugar a lo largo de estos años a varias novedades tecnológicas o innovaciones incrementales (“pequeñas” innovaciones) que han significado grandes saltos para nuestros clientes. En estos veintidós años iC-Málaga ha realizado mas de dieciocho proyectos, pero por citar algunas innovaciones colaborativas importantes, en el año 2009 iC-Málaga diseñó los primeros circuitos integrados transductores compatibles con el protocolo IO-LINK a nivel mundial. Fabricado en tecnología de 24V, con protecciones de polaridad y desplazamientos de tierras típicos de los entornos industriales, el integrado puede activar una válvula suministrando la potencia necesaria, o incorporarse por el contrario a un Bus industrial IO-LINK, haciendo los productos compatibles con las aplicaciones tradicionales y las nuevas de control centralizado. La aparición de esta capa física del protocolo permitió a nuestro cliente y a muchos fabricantes de sensores industriales desarrollar e incorporar finalmente un protocolo industrial abierto libre de licencias. Hoy este protocolo es ampliamente usado en la industria y por supuesto muchos de los fabricantes de circuitos integrados incorporan productos compatibles.

Otra historia de éxito son productos Drivers para láser. En este campo, algunas novedades tecnológicas incorporadas han sido el uso de potenciómetros logarítmicos integrados para la calibración de la cantidad de luz, o sistemas de pulsos de potencia de pocos nanosegundos, todo totalmente programable. Estos son sólo dos de los ejemplos de innovación conjunta o colaborativa.

Como innovación disruptiva propia es destacable la rama de sensores de radiación para dosimetría personal y espacial. Esta I+D se comenzó en el año 2010 y como hito destacable reseñar un vuelo lunar donde embarcamos uno de nuestros sensores en un payload de una misión fly-by en memoria del fundador de la empresa LuxSpace. “Manfred Memorial Moon Mission (4M)”.

Ver el lanzamiento en, https://youtu.be/OL3bOb3s_kQ?si=icB_kNJyqFhgw4GT

J. Cesari, B. Servera-Mas, S. Danzeca, M. Roca, A. Pineda, A. Masi, M. Brucoli and E. Isern \u201cHigh-Speed Floating Gate Based Dosimeter System\u201d, Proceedings at 17th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS). September 2018