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 Principios de funcionamiento del encoder cuadratura de efecto Hall para medición de velocidad en motores de corriente directa.

 

1. Descripción general:

En la actualidad, los fabricantes de motores de corriente directa ya integran circuitos que generan señales electrónicas mediante las cuales es posible calcular tanto la velocidad como el sentido de giro del eje del motor.

Los conocidos como 'encoders cuadratura', funcionan mediante el principio del efecto Hall y generan 2 señales de onda cuadrada con un defasamiento de 90°. Es por ésto que se conocen como encoders en 'cuadratura', ya que ocupan un cuadrante del círculo de 360°.

Estas 2 señales son leídas por un sistema microcontrolador, el cual puede calcular tanto la velocidad en revoluciones por minuto (RPM), la posición del eje y el sentido de giro.

 

2. Los sensores de efecto Hall:

Los sensores de efecto Hall son transductores que generan un voltaje de salida en respuesta a la presencia de un campo magnético variable. Las aplicaciones típicas son en sensores de proximidad, medición de corriente y medición de velocidad en motores de corriente directa.

Para aplicaciones de cálculo de velocidad y posición, los sensores son colocados con una separación de 90°, con respecto al círculo completo de giro del eje del motor. Un imán de ferrita induce en los sensores las señales A y B mostradas (ver figura 1). Ambas señales están defasadas 90°, debido a la posición de los sensores con respecto al circulo de giro.

 

Figura 1: Principios de funcionamiento: en el ejemplo de la imagen, al girar el imán de ferrita con 2 polos, induce voltajes en los sensores de efecto Hall.

 

 


3. Fabricación del anillo de ferrita: en general, los encoders efecto hall utilizan imanes de ferrita multipolo, como el mostrado en la figura. Para un motor típico de CD, cada imán contiene un total de 22 polos. De esta manera, cada uno de los sensores genera 11 pulsos por cada revolución. En total, considerando ambos sensores, se tendrán un total de 22 pulsos por revolución. A este parámetro de los encoders se le conoce con sus siglas 'PPR'.




 

 

Figura 3: Sensores de efecto Hall montados en el extremo del eje de un motor de corriente directa. Al centro se observa un imán circular de ferrita de 22 polos, el cual gira junto con el eje del motor. El conector proporciona las 2 señales de las fases A y B del encoder en cuadratura.

 

 


4. Determinación del sentido de giro del motor:

En la imagen de osciloscopio se observan las señales generadas por las fases A y B del encoder. Observe que en este caso la señal de color verde tiene un defasamiento de 90° con especto a la de color amarillo.

El microcontrolador que realiza el monitoreo de estas señales determina el sentido de giro al conocer cual de las señales adelanta a la otra. Por ejemplo si la señal de color amarillo adelanta a la azul, el sentido es horario (en inglés 'clockwise,CW'). Si la señal azul adelanta a la amarilla, el sentido es antihorario (counter clockwise',CCW).


 

 



5. Cálculo de la velocidad en RPM:

En general los motores de CD cuentan con una caja de engranes (motorreductor) para dar un par adicional al giro. En inglés, (y también comercialmente en español) a esta fuerza se le conoce como 'torque'. La caja de engranes tiene una relación de reducción de giro dependiendo del modelo del motor. Por ejemplo en este motor es de 1:34.

Por otro lado, como ya se mencionó en el punto 3, en un motor típico, las 2 señales de las fases A y B del encoder cuadratura generan 22 pulsos por cada giro del motor antes de la caja de engranes. Después de la caja de engranes, se tiene un total de 34 x 22 = 748 pulsos por cada revolución del eje.

Para hacer el cálculo de la velocidad después de la caja de engranes, el microcontrolador realiza primeramente la cuenta de los pulsos generados durante un segundo, para multiplicarlos por 60 y hallar el número de pulsos por minuto. Finalmente, para el cálculo de la velocidad en RPM:

Velocidad en RPM= ( pulsos generados durante 1 segundo x 60 ) / 748

 

 

 

Documentación adicional:

Motor CD Alto Torque y encoder

Driver Dual PWM L298N Puente H para control de velocidad

Motor Motorreductor CD con encoder

Lectura de velocidad de giro de un motor CD con encoder

Lectura de velocidad de un motor de alto torque, con encoder

Control PWM para motor de CD, con módulo L298N

Tutorial del control PWM para motores de corriente directa