L'intelligenza fa breccia nell'encoder a vie di commutazione

Un nuovo approccio dischiude nuove opportunità

Gli utenti degli encoder sono stati tradizionalmente riluttanti al cambiamento — a buona ragione. Il controllo di motori nelle fabbriche o in un impianto industriale non è ideale per le innovazioni che promettono migliori prestazioni e maggiore affidabilità ma non hanno prove corroboranti o una storia comprovata a sostenere queste promesse. Anche se gli encoder ottici e magnetici sono stabiliti da tempo e impiegano ciò che può sembrare un concetto fisico "più tangibile", l'encoder capacitivo utilizza anche principi completamente testati, dimostrati attraverso molti anni di successo nelle installazioni sul campo. Questo approccio alternativo al rilevamento di movimento, basato su logica digitale, dischiude una serie di vantaggi e offre un nuovo livello di intelligenza ai progettisti che utilizzano gli encoder a vie di commutazione rotativi.

Gli encoder rotativi sono cruciali per quasi tutte le applicazioni per il controllo del movimento e sono sempre più necessari per il crescente uso di motori c.c. brushless (BLDC) che portano vantaggi in termini di controllo, precisione ed efficienza. Il compito dell'encoder è semplice, in linea di principio: indicare la posizione dell'albero motore al controller di sistema (Figura 1). Servendosi di queste informazioni, il controller può commutare in modo accurato ed efficiente gli avvolgimenti del motore e determinare la velocità, la direzione e l'accelerazione, ossia i parametri che servono a un loop di controllo del movimento per mantenere le prestazioni del motore desiderate.

Figura 1: Gli encoder rotativi forniscono informazioni sulla direzione dell'albero del motore, sulla posizione, sulla velocità e sull'accelerazione.

Gli encoder possono essere basati su un'ampia varietà di tecnologie che forniscono, tutte, le uscite digitali standard dei segnali in quadratura A e B, oltre a un'uscita indice in alcuni modelli (Figura 2a). Gli encoder a vie di commutazione (descritti per esteso nel seguito) forniscono anche uscite dei canali U, V e W come fasi di commutazione (Figura 2b).

Figura 2a: Segnali in quadratura A e B standard più un segnale indice per un encoder ottico.

Figura 2b: Le forme d'onda U, V e W prodotte da un encoder a vie di commutazione.

Tecnologie degli encoder

I tre approcci più diffusi per gli encoder usano le tecniche ottica, magnetica o capacitiva. In breve, l'approccio ottico usa un disco scanalato, con un LED da un lato e una serie di fototransistor sul lato opposto. Dato che il disco ruota, il percorso della luce viene interrotto e gli impulsi risultanti indicano la rotazione dell'albero e la direzione. Malgrado i bassi costi e l'efficienza, l'affidabilità di un encoder ottico è deteriorata da due fattori: contaminanti come sporcizia, polvere e olio possono interferire con il percorso della luce e i LED hanno una durata limitata, perdendo in genere metà della loro luminosità in pochi anni fino ad esaurirsi completamente.

La realizzazione dell'encoder magnetico è fondamentalmente analoga a quella della tecnologia ottica, salvo l'utilizzo di un campo magnetico al posto di un raggio di luce. Al posto della rotellina ottica scanalata, ha un disco magnetizzato che ruota su una serie di sensori magnetoresistivi. Una rotazione della rotellina produce da parte di questi sensori una risposta che arriva a un circuito front-end di condizionamento del segnale per determinare la posizione dell'albero. Pur offrendo una lunga durata, l'encoder magnetico non è accurato ed è suscettibile all'interferenza magnetica prodotta dai motori elettrici.

Un terzo approccio, la codifica capacitiva, offre tutti i vantaggi dei progetti degli encoder ottici e magnetici ma senza i loro punti deboli. Questa tecnica usa lo stesso principio dell'affermato calibro Vernier digitale dai costi contenuti ma preciso. Presenta due pattern di barre o linee, con una serie sull'elemento fisso e l'altra sull'elemento mobile. Questi costituiscono insieme un condensatore variabile configurato come una coppia trasmettitore/ricevitore (Figura 3). Mentre l'encoder ruota, un ASIC integrato conta questi cambi di linea ed esegue anche un'interpolazione per trovare la posizione dell'albero e la direzione di rotazione per creare le uscite in quadratura standard e anche le uscite di commutazione fornite dagli altri encoder per controllare i motori brushless c.c. (BLDC).

L'aspetto positivo di questa tecnologia capacitiva è l'assenza di componenti soggetti a usura e l'immunità a contaminanti come polvere, sporcizia e olio che sono comuni negli ambienti industriali e che rendono questa soluzione intrinsecamente più affidabile dei dispositivi ottici. Gli encoder capacitivi offrono anche vantaggi prestazionali grazie alle loro funzioni di controllo digitali, fra cui la capacità di regolare la risoluzione dell'encoder (gli impulsi per numero di giri) senza dover passare a un encoder con una risoluzione superiore o inferiore.

Figura 3: Un encoder capacitivo conta gli impulsi ricevuti risultanti dalla modulazione del segnale trasmesso dal rotore collegato all'albero del motore.

Il meglio di tutti i mondi

La nuova serie AMT31 di Same Sky è un esempio di encoder capacitivo allo stato dell'arte che fornisce segnali in quadratura A e B, un segnale indice e segnali U, V e W in fasi di commutazione. Sono disponibili venti risoluzioni incrementali selezionabili tra 48 e 4096 impulsi per rivoluzione (PPR) e sette coppie di poli del motore da 2 a 20. La serie AMT31 presenta anche un mozzo di bloccaggio per facilitare l'installazione che opera da un rail a 5 V e richiede solo 16 mA di corrente di alimentazione.

I vantaggi dell'encoder capacitivo vanno però ben al di là delle eccellenti prestazioni, flessibilità e affidabilità a breve e lungo termine. Diversamente dagli encoder ottici e magnetici, il suo lato di uscita digitale porta la progettazione del sistema nel XXI secolo, offrendo numerosi vantaggi esclusivi in tutte le fasi dell'uso dell'encoder, dallo sviluppo del prodotto, all'installazione fino alla manutenzione.

Quali sono i motivi? L'uscita dell'encoder ottico o magnetico è funzionale ma "passiva" e agli utenti non offre flessibilità, informazioni o vantaggi operativi. Per contro, l'encoder capacitivo ha basi digitali e usa un ASIC e un microcontroller incorporato per fornire altre funzionalità e prestazioni migliori. Questa uscita intelligente cambia in molti modi lo scenario dell'utente e delle prestazioni, pur essendo interamente compatibile con le uscite standard dell'encoder.

Un forte cambiamento in atto dai risvolti favorevoli

Esaminiamo più nei dettagli i miglioramenti resi possibili dall'ASIC e dal microcontroller che fanno parte di un encoder capacitivo come quello della serie AMT31 di Same Sky:

• La natura digitale dell'encoder capacitivo di Same Sky consente un azzeramento rapido e semplice di tipo "One Touch". Il processo non presenta problemi: si blocca l'albero nella posizione desiderata energizzando le fasi corrette del motore e comandando all'encoder di "azzerarsi" in questa posizione; complessivamente la procedura non dura più di due minuti e non richiede strumenti speciali.

Per contro, l'azzeramento per allineare meccanicamente i segnali di commutazione con gli avvolgimenti del motore utilizzando un encoder ottico o magnetico è un processo complesso, spesso frustrante e che richiede molte fasi. Occorre bloccare il rotore, procedere all'allineamento fisico e quindi invertire la rotazione del motore usando allo stesso tempo un oscilloscopio per osservare la f.c.e.m. e le forme d'onda dell'encoder per un allineamento zero-crossing corretto. Spesso si tratta di un processo iterativo e per una regolazione precisa e la verifica di solito occorre ripetere i passaggi, per cui l'intero ciclo può durare dai 15 ai 20 minuti.

• Le funzionalità digitali della serie AMT migliorano anche notevolmente il processo di progettazione del sistema, offrendo flessibilità, diagnostica e permettendo la valutazione delle prestazioni del motore e del suo controller. In particolare, dato che un solo encoder capacitivo può supportare un ampio intervallo di valori di risoluzione e coppie di poli, i progettisti possono usare questa capacità di risoluzione programmabile per regolare dinamicamente la risposta e le prestazioni del loop di controllo PID e lo sviluppo di algoritmi senza dover acquistare e installare un encoder interamente nuovo.

L'intelligenza incorporata nella serie AMT consente, per la prima volta nel settore, anche una diagnostica su scheda per un'analisi più rapida dei guasti sul campo. Si può chiedere all'encoder di indicare se funziona correttamente o se vi sono dei problemi dovuti a un disallineamento meccanico sull'albero o problemi di altro genere. Il progettista può così determinare rapidamente se l'encoder ha un guasto e, in caso negativo, cercare altrove l'origine del problema, escludendo in tal modo l'encoder come possibile responsabile. Inoltre, possono usare questa funzionalità per misure preventive, ad esempio eseguendo una sequenza di test "encoder OK" prima di avviare l'applicazione. Queste capacità, non disponibili negli encoder ottici o meccanici, consentono ai progettisti di ridurre al minimo i tempi di fermo e di prevedere i problemi che potrebbero verificarsi con le unità sul campo.

• Infine, l'interfaccia digitale semplifica anche la distinta base. Dato che l'encoder può essere personalizzato nel software alla specifica variazione richiesta (PPR, coppie di poli e direzione di commutazione), non è necessario elencare e conservare le diverse versioni richieste in un prodotto a più motori, o per più prodotti o nel luogo di installazione.

Encoder intelligente + GUI: un abbinamento potente

Il software AMT Viewpoint™ basato su PC Windows per encoder capacitivi di Same Sky accelera lo sviluppo e trasforma compiti laboriosi ordinari come l'identificazione del numero del modello e della versione in operazioni semplici. È sufficiente un cavo USB che si interfacci con l'encoder e implementi un semplice formato di dati seriali.

La GUI consente all'utente di personalizzare e adattare l'encoder alle esigenze dell'applicazione (Figura 4).

Figura 4: Il software AMT Viewpoint di Same Sky fornisce un'interfaccia di sviluppo di facile utilizzo.

Una schermata di impostazione nella GUI permette agli utenti di vedere le forme d'onda e la temporizzazione chiave dell'encoder, con regolazioni automatiche man mano che le opzioni dell'encoder vengono cambiate. La programmazione di un encoder tramite la GUI richiede solo la pressione di pochi tasti e l'intero ciclo viene completato in circa 30 secondi. La novità più sorprendente è che l'allineamento e all'azzeramento per le modalità A, B, indice o commutazione richiedono solo pochi secondi, in forte contrasto con quanto avviene con un encoder non programmabile.

In modalità demo, gli utenti possono usare la GUI ed eseguire anche operazioni correlate all'encoder come se fosse collegato un encoder vero e proprio. Un modo comodo di acquisire familiarità con gli encoder e gli strumenti prima di procedere a qualsiasi acquisto o uso pratico. Infine, la GUI supporta anche la creazione di codici componente ordinabili per specifiche versioni di encoder, fra cui opzioni di formato ingresso / uscita, adattatore del manicotto (alesaggio) e base di montaggio.

Conclusioni

I vantaggi degli encoder basati sulla tecnologia capacitiva vanno molto oltre il miglioramento delle prestazioni e dell'affidabilità. Un dispositivo come AMT31 di Same Sky, con il suo ASIC/microcontroller incorporato, fornisce funzionalità intelligenti che supportano configurazioni e installazioni programmabili, permettendo di avere informazioni operative e semplificando la gestione del magazzino. Se queste funzionalità vengono abbinate alla GUI basata su PC, possono fornire capacità facili da usare ma raffinate che semplificano enormemente tutti gli aspetti dell'uso dell'encoder, dalla progettazione del prototipo, alla valutazione e al debug tramite l'installazione e la configurazione, per ridurre al minimo diagnostica e scorte in magazzino. Inoltre, sono tutti dispositivi disponibili a un costo paragonabile ad altri encoder, mantenendo la compatibilità con tipi e formati di uscita standard e riducendo contemporaneamente il consumo energetico. AMT31, con i suoi adattatori di facile montaggio per diverse dimensioni degli alberi (Figura 5), rappresenta il passo logico successivo nello sfruttamento della potenza di un'interfaccia intelligente per offrire vantaggi ad ampio raggio non disponibili con altre tecnologie di encoder.

Figura 5: L'encoder AMT31 di Same Sky offre una combinazione esclusiva di durata e flessibilità.