Encoder assoluti: perchè e quando utilizzarli

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di Jeff Smoot

In questo articolo…

1. Encoder assoluti: concetti di base

2. Encoder assoluti e incrementali: un confronto

3. Encoder assoluti o incrementali: criteri di scelta

4. Applicazioni degli encoder assoluti

5. Encoder assoluti: un’opzione sempre più allettante

Un encoder rotativo rappresenta senza dubbio una soluzione adatta per la misura della velocità, della direzione del movimento o della posizione di un albero in rotazione. Gli encoder da prendere in considerazione nel momento in cui si deve effettuare una scelta sono essenzialmente di due tipi: encoder incrementali ed encoder assoluti.

Poiché è importante fare la scelta giusta, questa sintetica guida sugli encoder assoluti si pone l’obiettivo di aiutare il lettore a comprendere questi dispositivi, le differenze rispetto agli encoder incrementali e le applicazioni più adatte per il loro utilizzo.

Encoder assoluti: concetti di base

Un encoder assoluto fornisce un valore di posizione unico o parola digitale (data word) per ogni punto di rotazione che rappresenta la posizione “assoluta” dell’encoder. Dal momento in cui viene azionato, un encoder assoluto può fornire la posizione esatta dell’albero in rotazione oggetto della misura. L’encoder utilizza un sensore ottico, magnetico o capacitivo per leggere il codice unico da un disco che ruota assieme all’albero. Per fare ciò l’encoder assoluto non deve girare l’albero e può tenere traccia di questa posizione anche nel caso di temporanea interruzione dell’alimentazione. Maggiore è il numero dei codici unici presenti sul disco dell’encoder, più precisa sarà la lettura della posizione. Nella figura 1 viene riportato il confronto tra un disco di un encoder ottico e capacitivo.

Fig. 1 – Confronto tra un disco di un encoder ottico e capacitivo

Le risoluzioni sono rappresentate in termini di bit (binary digit) che corrispondono al numero di parole uniche durante una rivoluzione. Gli encoder assoluti sono disponibili in versioni monogiro e multigiro. Gli encoder del primo tipo forniscono i dati di posizione relativi a una rivoluzione completa (360°), con l’uscita che si ripete in corrispondenza di ogni rivoluzione dell’albero. Anche gli encoder del secondo tipo forniscono dati di posizione relativamente a un singolo giro, ma dispongono di un contatore di giri “aggiuntivo” che misura il numero di rivoluzioni.

Encoder assoluti e incrementali: un confronto

Un encoder incrementale, invece, genera impulsi quando l’albero ruota. Un tipico encoder incrementale genera due onde quadre sfasate di 90° (fig. 2). Questi impulsi devono essere tracciati o conteggiati da dispositivi elettronici esterni all’encoder.

Fig. 2 – Forme d’onda sfasate di 90° di un tipico encoder incrementale

Le risoluzioni sono rappresentate dal numero di impulsi per rivoluzione (PPR – Pulse Per Revolution) che equivale al numero di impulsi alti generati da una delle sue uscite a onda quadra. Maggiori informazioni sull’argomento sono reperibili su questo blog di CUI Devices sul PPR.

Poichè l’uscita di un encoder incrementale è sempre e solo in uno dei quattro stati che si ripetono (si faccia sempre riferimento alla figura 2), l’encoder deve essere riferito a una locazione fissa conosciuta (home) per poter fornire informazioni utili sul posizionamento. Da questa posizione fissa, spesso allineata con l’impulso indice (index pulse) dell’encoder, è possibile tracciare la variazione incrementale della rotazione dell’albero e conoscere quindi la posizione assoluta dell’albero. Questo deve verificarsi ogni volta che viene azionato l’encoder o nel caso di assenza temporanea dell’alimentazione. Di conseguenza occorre più tempo per ottenere la lettura della posizione assoluta e l’albero deve ruotare per fornire questa informazione.

Gli encoder incrementali sono meno complessi degli encoder assoluti e quindi più economici (ance si la differenza di prezzo si sta riducendo). Nel caso sia richiesto solamente il monitoraggio della posizione, la direzione del movimento o la posizione relativa, un encoder incrementale rappresenta la soluzione migliore ma, nel momento in cui l’esigenza primaria è la conoscenza della posizione assoluta, è necessario il ricorso a un encoder assoluto.

Encoder assoluto o incrementale: criteri di scelta

Poiché un encoder assoluto mantiene la posizione dell’albero, quest’ultima è nota non appena viene fornita potenza. Quindi non è necessario attendere che si esegua il riferimento a una posizione fissa o il completamento di una sequenza di calibrazione ed è possibile ottenere i dati di posizione necessari in tempi più brevi, all’avviamento o subito dopo un’interruzione dell’alimentazione, anche se l’albero è stato ruotato mentre l’encoder non era in funzione.

La conoscenza della posizione assoluta all’avviamento può risultare essenziale in numerosi sistemi, dove in determinate posizioni la rotazione dell’albero in una certa direzione è sicura, ma non lo è nell’altra direzione. A seconda dell’applicazione, un errore di questo tipo potrebbe provocare danni all’apparecchiatura, lesioni agli operatori o pericoli ancora maggiori. In situazioni del tipo appena descritto, la conoscenza dell’esatta posizione del dispositivo che ruota prima che qualsiasi altra parte si metta in movimento è di fondamentale importanza.

Un aspetto da tenere nella massima considerazione è il fatto che un encoder assoluto fornisce l’esatta posizione in tempo reale. Nel momento in cui si sta assistendo alla progressiva digitalizzazione di un numero sempre maggiore di sistemi che prevedono connessioni a un bus di comunicazione centralizzato, la possibilità di interrogare l’encoder per conoscere la posizione in tempo reale quando e dove necessario con una latenza minima rappresenta un vantaggio di notevole importanza. Per tener traccia della posizione con un encoder incrementale, anche dopo la procedura di inizializzazione, è necessario monitorare tutti gli impulsi con un circuito esterno (solitamente tramite decodifica in quadratura). Oltre alla necessità di ricorrere a un circuito esterno, intercorrerà una certa latenza prima di poter determinare la posizione.

Fig. 3 – Gli encoder assoluti generano una “parola” digitale per ciascuna posizione in base alla risoluzione dichiarata

Comunque vi sono altri vantaggi da tenere in considerazione. I sistemi che implementano encoder assoluti sono solitamente meno sensibili al rumore elettrico in quanto ottengono la posizione tramite la lettura di un codice verificato (error-checked) dagli encoder binari o in modo digitale su un bus seriale (Fig. 3), mentre gli encoder incrementali devono procedere al conteggio degli impulsi.

Inoltre, la combinazione di più encoder assoluti nello stesso sistema è un’operazione relativamente semplice: configurazioni di questo tipo sono comuni in applicazioni quali automazione di fabbrica o robot multiasse. Nel caso si utilizzino encoder incrementali, il monitoraggio delle uscite di più dispositivi può rivelarsi un compito complesso che richiede una potenza di elaborazione significativa. Ricorrendo a encoder assoluti, in particolare quelli che sono collegati a un bus di comunicazione centralizzato, è possibile ottenere i dati da ogni singolo encoder, per cui l’interpretazione della lettura richiede una potenza di elaborazione decisamente inferiore.

Applicazioni degli encoder assoluti

Una volta illustrate le principali differenze tra encoder assoluti e incrementali, verranno di seguito descritte alcune applicazioni tipiche degli encoder assoluti.

Uno dei principali mercati è sicuramente la robotica, un settore in rapida espansione che copre una grande varietà di settori. In produzione vi sono bracci robotici utilizzati per svolgere le più svariate mansioni: assemblaggio, saldatura, verniciature a spruzzo e molto altro ancora. Anche nel settore medicale si fa ampio uso dei robot. La chirurgia da remoto, a esempio, richiede una notevole mole di informazioni di posizione estremamente precise da parte dei bracci robotizzati. Un altro settore di utilizzo degli encoder assoluti che si sta affacciando alla ribalta è quello dei robot per l’assistenza domestica.

Si tratta solo di alcuni esempi perchè la digitalizzazione sempre più spinta e il progressivo assottigliamento del divario di prezzo tra encoder incrementali e assoluti contribuire ad ampliare notevolmente le possibilità applicative di questi ultimi. Dai cancelli automatici ai bracci cardanici delle telecamere all’automazione industriale, gli encoder assoluti si stanno affermando come una soluzione estremamente affidabile e sempre più economica per determinare la posizione.

Encoder assoluti: un’opzione sempre più allettante

La scelta dell’encoder più adatto per il progetto di un prodotto è estremamente importante e questo è il motivo per il quale è essenziale comprendere le differenze chiave tra encoder assoluti ed encoder incrementali. Grazie alla riduzione del divario di prezzo e l’evoluzione continua delle tecnologie, gli encoder assoluti possono garantire sostanziali vantaggi rispetto agli encoder incrementali, proponendosi come una valida opzione per soddisfare i requisiti di tutte quelle applicazioni che richiedono il riscontro della posizione

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