Robusto, flessibile e ad alte prestazioni: l’encoder “giusto” per ogni applicazione

I sistemi per il controllo del movimento di apparecchiature come quelle utilizzate nell’ambito dell’automazione industriale o della robotica molto spesso ricorrono agli encoder rotativi per fornire dati relativi a posizione, velocità, direzione e distanza. Questi dispositivi solitamente ricorrono a un disco, connesso all’albero del motore del quale è necessario tener traccia dei movimenti. Per rilevare e misurare il movimento si sfruttano proprietà di natura magnetica, ottica o capacitiva. Solitamente, grazie alle loro caratteristiche, gli encoder di tipo capacitivo vengono utilizzati in un gran numero di applicazioni industriali.

Encoder magnetici

Il disco di un encoder magnetico è magnetizzato con poli alternati e un sensore a effetto Hall o magneto-resistivo rileva le variazioni del flusso magnetico mentre il disco ruota. I sensori magnetici possono mantenere la loro accuratezza quando sono esposti a fenomeni potenzialmente dannosi come ad esempio sollecitazioni, vibrazioni e contaminazioni di varia natura dovute alla presenza di olio, sporcizia o umidità. D’altro canto, essi sono sensibili alle interferenze magnetiche prodotte dal motore e il loro intervallo di temperatura operativa è abbastanza limitato. Oltre a ciò, risoluzione e accuratezza tendono a essere inferiori rispetto a quelli degli encoder ottici e capacitivi.

Encoder ottici

Storicamente gli encoder di tipo ottico sono stati gli encoder più diffusi per le applicazioni di controllo del movimento in ambito industriale. I componenti principali sono un disco di vetro o plastica contrassegnato da una serie di linee alternate trasparenti o opache o fessure posizionate tra una sorgente LED a infrarossi e un insieme di fotorivelatori. Quando il disco ruota, queste linee fanno passare e bloccano alternativamente la luce proveniente dalla sorgente LED e diretta ai fotorivelatori, producendo un’uscita elettrica sotto forma di onda quadra. Due fotorivelatori possono essere posizionati in modo da generare una coppia di uscite in quadratura, permettendo in tal modo di rilevare la direzione della rotazione. L’accuratezza può risultare scarsa nel caso in cui il disco risulti contaminato da sporcizia o da fluidi industriali come olio, situazione questa che può verificarsi sul campo o nello stabilimento dove vengono prodotte le apparecchiature. Senza dimenticare che temperature estreme e vibrazioni di notevole entità possono danneggiare il disco di vetro (o plastica), mentre i LED assorbono una corrente relativamente elevata, limitando la durata operativa dell’encoder stesso.

Encoder capacitivi

Gli encoder di questo tipo si basano sullo stesso principio del calibro di misura digitale e risultano composti da un trasmettitore stazionario, un disco su cui è inciso un pattern sinusoidale e un ricevitore stazionario. Nella figura 1 è riportato un confronto tra il disco dell’endoder capacitivo con quelli degli encoder magnetici e ottici.

Fig. 1 – Confronto tra i dischi degli encoder capacitivi, ottici e magnetici

Il trasmettitore emette un segnale di riferimento ad alta frequenza che è modulato dal pattern sinusoidale mentre il disco ruota. Dal lato ricevitore, il segnale è demodulato per generare un’uscita digitale che descrive il movimento rotatorio.

Gli encoder capacitivi, oltre permettere di eliminare gli svantaggi tipici degli encoder magnetici e ottici, garantiscono gli stessi vantaggi oltre a un maggior livello di flessibilità. Essi sono meno sensibili agli effetti di agenti contaminanti ambientali come olio e polvere che penalizzano il funzionamento degli encoder ottici. Gli encoder capacitivi, inoltre, sono più resistenti alle vibrazioni e possono operare in un intervallo di temperatura più esteso. La corrente di funzionamento, compresa solitamente tra 6 e 18 mA, è molto inferiore rispetto a quella richiesta dagli encoder ottici, mentre non è prevista la presenza di LED che possono limitare la durata operativa.

Oltre a ciò, gli encoder capacitivi non sono sensibili alle interferenze magnetiche o al rumore elettrico. Robusti come gli encoder magnetici, gli encoder capaciti sono più accurati e permettono di ottenere livelli di risoluzione più elevati.

Flessibilità digitale

La risoluzione di un encoder capacitivo è determinata dall’elaborazione del segnale che viene effettuata sul lato ricezione e non dal disco dell’encoder: ciò significa che ai progettisti viene garantita la flessibilità necessaria per mettere a punto o regolare in maniera accurata i parametri del sistema come ad esempio le impostazioni dell’anello di controllo del PID senza dover sostituire fisicamente l’encoder. Anche l’”index pulse” (ovvero l’impulso che si attiva in una precisa posizione meccanica dell’albero motore) e l’allineamento dell’encoder possono essere impostati in modo digitale per consentire la commutazione di motori BLDC. Un ulteriore vantaggio della possibilità di programmare per via digitale gli encoder capacivi è dato dal fatto che le aziende possono semplificare la gestione dell’inventario tenendo a magazzino un solo prodotto invece di diversi prodotti con differenti risoluzioni.

La serie AMT di encoder a commutazione, assoluti e incrementali di tipo capacitivo di CUI Devices sfrutta una tecnologia proprietaria per il rilevamento capacitivo che non solo assicura un’accuratezza e una risoluzione massima elevate, ma integra funzioni diagnostiche e altre funzionalità ad alto valore aggiunto come ad esempio One Touch Zero™, che permette una inizializzazione semplice e rapida degli encoder assoluti e a commutazione. Gli encoder possono operare nell’intervallo di temperatura compreso tra m -40 e 125 °C e supportano dimensioni dell’albero da 2 a 15,875 mm (5/8”).

Considerazioni conclusive

In definitiva, gli encoder di tipo capacitivo abbinano la robustezza meccanica degli encoder magnetici con l’accuratezza e l’immunità alle interferenze degli encoder ottici, oltre a essere caratterizzati da una maggiore flessibilità grazie alla programmazione digitale, dimensioni inferiori e intervallo di temperatura di funzionamento più esteso. La tabella 1, che riassume le caratteristiche salienti dei tre tipi di encoder, evidenza che gli encoder di tipo capacitivo rappresentano una valida opzione per i sistemi di controllo del movimento.

Jeff Smoot (CUI Devices)

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