No todos los discos de encoder rotativo son un conjunto ordenado de anillos concéntricos. Algunos llevan una única banda irregular que se parece más a un código de barras; otros tienen un patrón extremadamente fino alrededor del borde con algo mucho más grueso metido por dentro. Con anillos concéntricos al menos puedes intuir la lectura contando qué pista está clara, pero estos discos apenas se dejan leer a simple vista.
Lo que tienen en común es un motivo. Añadir una pista por bit representa perfectamente la posición absoluta, pero el número de pistas repercute directamente en lo ancho que tiene que ser el disco y en lo difícil que resulta fabricarlo. Los tres estilos de esta página intentan conseguir posición absoluta, o alta resolución, sin añadir pistas o mezclando patrones que hacen trabajos distintos.
Si prefieres empezar por los estilos multipista — binario, Gray e incremental — comienza por (1) Códigos multipista. Esa página explica también las convenciones que siguen estas figuras: el blanco es 1, el negro es 0 y la pista más externa es el LSB.
| Pregunta | Figura que la responde |
|---|---|
| ¿Cómo puede una sola pista llevar la posición absoluta? | Discos de pista única con código PRBS (figura 1) |
| ¿Qué hace un disco cuando conviven un patrón fino y otro grueso? | Discos híbridos: absoluto grueso más ciclo fino (figura 2) |
| ¿Qué se aprende al superponer dos pistas con periodos ligeramente distintos? | Discos vernier: una diferencia de periodo (figura 3) |
Todos los discos de abajo se pueden arrastrar. Estos tres revelan mucho más en movimiento que quietos, así que fíjate en cómo cambian las lámparas en lugar de estudiar el patrón estático.
Discos de pista única con código PRBS (figura 1)
Cómo funciona la codificación
En lugar de añadir una pista concéntrica por cada bit, este diseño escribe la posición absoluta en una única secuencia binaria irregular que recorre la circunferencia. La secuencia es pseudoaleatoria (PRBS) y, cuando se elige una de longitud máxima, se denomina secuencia M.
La propiedad que lo hace funcionar es esta: toda ventana de n bits consecutivos es única, la cortes donde la cortes del anillo. Basta con leer n bits contiguos para que exista un único lugar de la circunferencia del que podrían proceder. Con una pista basta, lo que permite que el disco sea estrecho, y el patrón resultante se parece bastante a un código de barras doblado en anillo.
Eso plantea la cuestión de cómo se lee una ventana. Un sensor que mira un solo punto únicamente sabe si ese punto es claro u oscuro. Como fijar la posición requiere n bits consecutivos a la vez, el lado de lectura tiene que colocar un cabezal con n elementos en fila, o tomar un bit cada vez a medida que el disco se mueve y mantener los últimos n en un registro de desplazamiento.
Por eso el hardware real suele añadir una pista de sincronización que mantenga alineado el muestreo. Piénsalo como un intercambio: el disco baja a una sola pista y, a cambio, el cabezal de lectura se vuelve más complicado.
En la figura de esta página
Hay una única pista de código y no se dibuja banda de sincronización. Una secuencia M de periodo 2n−1 recorre la circunferencia, y el cabezal fijo, desde x0 en adelante, lee un segmento consecutivo de ella como ventana.
Las lámparas muestran los bits que hay dentro de esa ventana, en orden. No son bits ponderados, así que entre ellos no hay MSB ni LSB. Ese significado difiere del de las figuras absolutas de la parte (1), así que conviene no leerlas de la misma manera. El deslizador de resolución fija el número de bits de la ventana, que es también el exponente que determina el periodo.
Leer el patrón de las lámparas como número decimal no da nada que corresponda a un ángulo. En un código de pista única las lámparas muestran los bits que hay ahora mismo dentro de la ventana, no un valor de posición. Convertir ese patrón en una posición exige un paso aparte que lo coteja con la secuencia.
Discos híbridos: absoluto grueso más ciclo fino (figura 2)
Cómo funciona la codificación
Esta combinación aparece constantemente en los encoders absolutos de alta resolución. Un código absoluto grueso — unos pocos bits de pista, o una banda tipo código de barras — establece en qué intervalo está el eje, y una banda periódica fina, normalmente cerca del borde, se interpola para precisar la posición dentro de ese intervalo.
Repartir el trabajo en dos etapas es todo el asunto. Con la posición absoluta y la resolución asignadas a pistas distintas, se puede llegar a una posición fina sin inflar el número de bits del código absoluto. En las fotografías de discos reales, esta familia suele tener un aspecto recargado: algo fino por fuera y algo grueso más adentro o en una banda aparte.
En la figura de esta página
El dibujo coloca una banda periódica fina de claro y oscuro en el exterior, con un código Gray multipista grueso por dentro. Las lámparas muestran los bits gruesos, del MSB al LSB, seguidos de una lámpara “Fino” para la banda periódica.
Lo que la figura no hace es la interpolación en sí. Muestra el sensor bajo la banda fina parpadeando entre 0 y 1, y se detiene antes de calcular a partir de ahí un ángulo dentro del intervalo. Tómalo como una forma de observar el reparto de tareas: el código grueso fija el intervalo mientras el ciclo fino pasa por encima mucho más deprisa.
Discos vernier: una diferencia de periodo (figura 3)
Cómo funciona la codificación
Tomando prestada la idea del nonio de un calibre, este diseño superpone pistas periódicas cuyos periodos difieren exactamente en un ciclo. El desfase entre la pista principal y la secundaria aporta información absoluta gruesa, de modo que la posición puede acotarse a partir de dos señales periódicas en vez de con una pila de pistas absolutas digitales.
El objetivo es ahorrar pistas. En lugar de dedicar una pista a cada bit de posición absoluta, el desfase entre dos pistas periódicas hace el trabajo, lo que mantiene disponible una resolución alta en un formato pequeño.
En la figura de esta página
La banda exterior es el periodo principal y la interior el periodo secundario, con exactamente un ciclo menos que la principal. Solo hay dos lámparas, “Princ.” y “Sec.”, y el ligero desajuste en la velocidad a la que parpadean es el desfase hecho visible.
También aquí, la figura no combina el desfase en un ángulo. Existe para mostrar qué aspecto tiene realmente una diferencia de periodo sobre un disco.
La lámpara “Fino” de la figura 2 y la lámpara “Sec.” de la figura 3 se parecen pero hacen cosas distintas. La primera es un ciclo fino que sirve para interpolar dentro de un intervalo; la segunda es un periodo secundario cuyo desplazamiento respecto al principal aporta información absoluta gruesa. Ninguna de las dos representa por sí sola una posición.
Dónde aparece realmente cada uno de los tres tipos
Estos tres suelen surgir junto a una restricción: hay muy poco sitio, o el disco no puede hacerse más grueso. Lo que sigue describe tendencias generales, y el tipo empleado en cada modelo concreto varía.
Pista única (PRBS / secuencia M)
Con una sola pista de código, el disco puede hacerse estrecho en dirección radial. Eso compensa en diseños de eje hueco, donde el cableado o la tubería pasan por el centro, y en sensores absolutos pequeños que hay que encajar en el hueco que deje el mecanismo.
Ahora bien, como se ha visto, el lado de lectura sigue necesitando maquinaria para capturar una ventana. El esfuerzo ahorrado en el disco se traslada al cabezal y al procesamiento posterior, así que no es un estilo que se elija como sustituto directo de un disco multipista.
Híbrido (absoluto grueso más ciclo fino)
Entre los encoders absolutos de alta resolución, esta combinación está muy cerca de ser la práctica estándar, porque alcanzar la misma resolución solo con un código absoluto grueso exigiría un número de pistas poco realista.
Aparece en la realimentación de posición integrada en servomotores y en la detección de ángulo de mesas de precisión: sitios donde se exigen a la vez posición absoluta y resolución fina.
Vernier (diferencia de periodo)
Como dos pistas periódicas cubren la información absoluta gruesa, este estilo encaja con diseños pequeños y delgados sin sitio para alinear muchas pistas. El mismo razonamiento aparece tanto en encoders magnéticos como ópticos, usando números de polos que difieren en uno.
La misma idea se extiende a la detección multivuelta, donde se trata de contar cuántas revoluciones ha dado el eje. Se engranan ruedas dentadas con un número de dientes ligeramente distinto y el recuento de vueltas se recupera del desfase entre ellas.
Esta es una familia en la que nombrar el estilo solo por el patrón resulta realmente difícil. Un disco con un borde exterior fino no es necesariamente híbrido, y un anillo de aspecto irregular no es necesariamente PRBS. Cuando necesites saberlo, busca una descripción de cómo obtiene el dispositivo la posición absoluta en lugar de intentar deducirlo del dibujo.
Qué ahorra cada uno de los tres tipos
Los tres parten del mismo motivo — evitar añadir pistas — pero ahorran en sitios distintos.
| Tipo | De dónde sale la posición absoluta | Pistas de código | Procesamiento omitido en la figura |
|---|---|---|---|
| Pista única (PRBS) | Toda ventana de bits consecutivos es única | Una (sin banda de sincronización dibujada) | Cotejar una ventana con una posición |
| Híbrido | Un código absoluto grueso fija el intervalo | Una por bit grueso, más la banda fina | Interpolación a partir del ciclo fino |
| Vernier | Desfase entre los periodos principal y secundario | Dos (principal y secundario) | Obtener un ángulo del desfase |
Cuantas menos pistas lleva un disco, más simple se vuelve el disco en sí, y más trabajo de extraer una posición se traslada al procesamiento que hay detrás del sensor. Lo que estas figuras omiten es precisamente ese trabajo desplazado. Léelas como una forma de ver dónde termina el patrón del disco y dónde empieza el cálculo.
Los estilos clásicos, en los que una pista corresponde a un bit — binario, Gray e incremental — están recogidos en (1) Códigos multipista.
Preguntas frecuentes
P1. Si basta con una pista, ¿por qué siguen existiendo los discos multipista?
R. Una sola pista mantiene el disco estrecho, pero exige un paso que coteje la ventana de bits leída con una posición de la secuencia. En un disco absoluto multipista, la combinación que lees es la dirección, así que el lado de lectura se mantiene simple. Se reduce a qué prefieres tener simple: el disco o la electrónica.
P2. ¿Un disco PRBS es lo mismo que el código de barras de un producto?
R. Se parecen, pero vienen de sitios distintos. Un código de barras codifica una cadena fija de caracteres. Un disco PRBS representa la posición en sí, aprovechando que cualquier ventana de n bits tomada en cualquier punto del anillo es única. Haz girar el disco de la figura y verás que el patrón de bits dentro de la ventana es distinto en cada posición.
P3. ¿Qué representa la lámpara “Fino” de la figura híbrida?
R. Si el sensor situado bajo la banda periódica fina del borde está viendo ahora mismo claro u oscuro. El hardware real interpola esa señal para obtener una posición precisa dentro del intervalo; la figura se detiene en mostrar el 0 y el 1 y no realiza la interpolación.
P4. ¿Un encoder vernier funciona con el mismo principio que el nonio de un calibre?
R. La idea de fondo es la misma: superponer dos escalas con periodos ligeramente distintos y leer un valor fino a partir del desplazamiento entre ellas. La figura toma prestada esa intuición colocando un periodo principal frente a uno secundario. Se detiene antes de combinar el desfase en un ángulo y solo muestra cómo se van desplazando los dos periodos entre sí.
P5. ¿Puedes enumerar todo lo que omiten estas figuras?
R. La figura de pista única no coteja la ventana de bits con una posición, la híbrida no interpola a partir del ciclo fino y la vernier no obtiene un ángulo del desfase. La figura de pista única omite además la pista de sincronización que el hardware real suele llevar. Lo que ves es el patrón del disco y las señales que pueden leerse directamente de él.
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