Encoder Magnético

Existen dos tipos de sensores Hall. Uno es de salida analógica llamados lineales; da una señal de salida proporcional al flujo magnético que sometamos al sensor Hall. Con este tipo de sensor se puede construir una brújula electrónica por ejemplo. Y el otro es de salida digital, se comporta como un interruptor (digitalmente hablando). Este último es el que nos interesa.

A diferencia de las foto barreras (encoders ópticos), los sensores Hall al ser magnéticos pueden trabajar en entornos extremos (temperatura, salpicadura de fluidos, grasas, etc) y polvorientos; no hará falta mantenimiento de limpieza. Por otra parte, prácticamente (si sabes buscar) no existe mucha diferencia de precio.

Conozco de primera mano dos modelos de sensores de efecto Hall digital: los A110x y los CS30xx. Dentro de la misma familia sólo se diferencia los unos de los otros por la intensidad magnética para hacer cambiar de estado el "interruptor" (switch). Los sensores Hall de la familia A110x y CS30xx (las 'x' son números determinados) necesitan un campo magnético un poco fuerte pero esta característica lo hace inmune al posible ruido magnético (del propio motor, transformadores, etc.) que pueda haber en el ambiente.

Usaremos imanes de neodimio. Si es la primera vez que construyes un encoder magnético, para asegurarte un buen funcionamiento es mejor que los imanes tengan un tamaño igual o mayor que dos sensores Hall juntos. En la imagen de arriba puedes verlos apilados, en diferentes tamaños. Más abajo explico dónde comprarlos.

Construcción

Este es el método más sencillo: Los imanes de neodimio se colocan sobre el disco. En vez de aspas (o dientes) tendremos imanes. Los sensores Hall han de estar lo más cercano posible a los imanes (típicamente a 1mm), y dichos sensores han de estar pegados uno al lado del otro. Por experiencia te recomiendo hacer el encoder de esta manera porque es el más fácil de construir y te funcionará a la primera. Trata de que la superficie del imán sea igual o un poco mayor que los dos sensores Hall juntos.

Equivalencia de foto-barreras a sensores Hall digitales:

Pasar de foto-barreras a sensores Hall digitales es muy sencillo y nos ayuda a simplificar componentes, igualando el coste porque evitamos comprar el acondicionador la señales de las foto-barreras y reducimos espacio en la placa.

(Esquema interno simplificado del A110X y CS302X.)

Los sensores Hall A1104 y CS3020 tienen tres patillas [VCC, señal de salida y GND] y sólo hay que conectar una resistencia de VCC a la señal de salida porque es de colector abierto. Nos interesa mucho que este sensor tenga el Disparador Schmitt implementado dentro del propio chip (en el gráfico está coloreado de azul). Gracias a esta característica no necesitaremos acondicionar la señal de salida, ya que el disparador Schmitt (en inglés: Schmitt Trigger) da la señal digital pura; o está a 0 ó está a 1 dentro de una histéresis determinada.

Polaridad Magnética del Sensor Hall Digital.

Los sensores Hall digitales de tres patillas sólo funcionan con un polo determinado del imán, con el otro polo no hace nada. Esto quiere decir que si ponemos un imán con la cara Norte mirando la parte trasera del sensor, lo activará. Si ese mismo polo (Norte) lo ponemos en la cara delantera del sensor, no hará nada, como si el imán no existiese. Al revés sucede lo mismo pero al revés. El polo Sur del imán activará la cara delantera y no hará nada en la parte trasera. Esto hay que tenerlo presente cuando vayas a construir el encoder.

Haz las pruebas necesarias con un LED para ver cómo funciona el sensor; en la imagen de arriba tienes un pequeño esquema para montar y experimentar con las polaridades del imán y el sensor. Recuerda que la superficie más amplia del sensor corresponde al polo Norte del imán y la superficie más pequeña corresponde al polo Sur; cuando construyas el encoder has de elegir una de las dos caras.

Implementando encoder magnético dentro de una reductora de engranajes.

Haz clic en la imagen para enlazar con la web.

La foto de arriba pertenece a una web en la que, al parecer, vende todo lo que aquí se explica ya montado; no estoy seguro de que incluya la caja reductora con motor y demás accesorios. Espero que al menos te sirva de inspiración para hacer los tuyos propios. El chip que se aprecia en la imagen es la etapa de potencia que controla el motor (sólo para motores pequeños, de menos de 9v). Haz clic aquí para ver toda la información de cómo se monta. Ten presente que ese montaje es para esa caja reductora en concreto, para otro tipo de caja reductora es más complicado; de hecho, el mayor problema de todo encoder es poder acoplarlo al eje de un motor, especialmente cuando el motor carece de eje trasero.

Haz clic en la imagen para enlazar con la web.

Esta otra foto es otro ejemplo distinto de cómo algunas personas implementan un encoder con sensores Hall digitales en sus servos DC (motor + engranaje controlados con electrónica propia); el imán que usa esta persona tiene forma de anillo, es decir: una vuelta de engranaje o piñón, un pulso. Esto es poca resolución, pero todo depende de lo que quieras hacer. Cliqueando en la imagen verás el proceso de construcción y pruebas.

Por último, uno de fabricación propia. He puesto dos CS3020 pegados, separados lateralmente a cierta distancia y puesto en ángulo con respecto a las caras de los imanes de neodimio. La verdad es que es complicada esta construcción, pero quiero mostrar que nada es imposible. Eso sí, gracias a un osciloscopio pude ver que las señales de salida son correctas, porque hay que asegurarse que entre las dos ondas haya un desfase de 90 grados.

En esta sección he querido mostrarte cómo construir un encoder con sensores Hall digitales y te familiarices con ellos. Puedes usar estas ideas para ponerlas en práctica adaptándolo a tus necesidades.

Es muy importante que te asegures de que las dos señales del encoder estén desfasadas 90 grados, para ello es necesario un osciloscopio. Si no posees uno, como estas señales son de baja frecuencia puedes usar la tarjeta de sonido como osciloscopio. Las tarjetas de sonido no permite medir señales de corriente continua pero sí permite medir señales alternas o variables dentro del rango de frecuencias de 20Hz a 20KHz.

Dónde encontrar los sensores Hall digitales tipo CS302x ó A110x que aquí se describen.

Una forma de encontrar este componente es en "eBay Internacional" y poner directamente el componente que buscas dentro de eBay; por ejemplo: "CS3020". Aconsejo tener habilitada la opción "Buy It Now" [Comprar Ahora] porque si no te salen mezclados precios reales con precios de subasta. Comparas los precios + gastos de envío y quédate con el que te cueste más barato en comparación. Puedes llegar a encontrarlo por menos de un euro/unidad. En la compra de componentes electrónicos evito la subasta porque suelen "pegar la clavada" en los gastos de envío, por eso recomiendo usar la opción -comprar ahora- y así no nos llevaremos sorpresas o hacernos perder el tiempo.

Yo suelo comprar lotes de 10 ó 25 unidades. No mires sólo el precio, mira también los gastos de envío. Para ello hay que estar registrado en eBay, o bien, le das a la opción "Short by:" [Ordenar por] y eliges "Price + Shipping: lowest first" [Precio + envío: ordenados de menor a mayor], entonces te saldrá la opción de elegir país y código postal. El precio real, es decir, lo que vas a pagar de verdad (el total), es la suma del precio del producto más los gastos de envío; así que ten presente estos dos detalles y sabiendo el total comparas con los demás vendedores. Si debajo del precio pone "Free Shipping" significa que no te cobran los gastos de envío porque ya están incluidos en el precio del producto. También te puedes encontrar que te venden un lote de piezas, por ejemplo: de 5, 10, 20 ó 50 unidades. En la mayoría de los casos, cuanto más grande es el lote más barata sale la unidad. De todas formas, si elijes esta opción, toma una calculadora y divides el precio del lote por la cantidad de componentes para saber el valor de una unidad, de esta forma te aseguras que estás comprando al mejor precio.

Para comprar imanes de neodimio has de poner estas palabras claves dentro del motor de búsqueda de eBay Internacional: "neodymium magnets" siempre en inglés, a no ser que busques dentro de eBay de tu región (se entiende entonces que sería en habla hispana).

Los componentes que compremos tardarán como mínimo 10 días en llegar (en realidad tan pocos días sería un milagro), y lo normal es que tarde de 20 a 40 días. Si tienes mucha prisa has de buscar otras opciones.

Encoder absoluto magnético en un solo chip.

Has de saber (por si no lo conoces) que existen encoders absolutos magnéticos integrado en un chip, sólo has de añadirle un imán. Según el ángulo de giro del imán el chip te da una resolución de 8 a 13 bits dependiendo del modelo. Pueden ser puestos en cascada y controlarlos a la vez desde un solo PIC o Arduino. Los dos fabricantes principales son RLS y Austriamicrosystems.

El encoder magnético absoluto se ha de poner al final del eje de la reductora y es necesario que el micro que lo controle tenga un control PID.

Ir a Encoder por Hardware. Ir a Encoder por Software.