Capire come funzionano i segnali di uscita degli encoder per aiutare a scegliere il dispositivo più idoneo

I controller elettronici per motori richiedono in genere un encoder per rilevare la posizione e/o la velocità del rotore. Per scegliere un dispositivo idoneo, un ingegnere deve valutare diversi aspetti. Per prima cosa deve stabilire se all'applicazione serve un encoder incrementale, assoluto o a vie di commutazione. Dopodiché deve occuparsi di altri parametri, fra cui la risoluzione, lo schema di montaggio, le dimensioni dell'albero motore, ma non solo.

La scelta del tipo di segnale di uscita più idoneo non è sempre ovvia e spesso passa in secondo piano. I tre tipi più comuni sono quello a collettore aperto, quello push-pull e il driver di linea differenziale. Vengono spiegati in questo articolo per aiutare gli ingegneri a scegliere il dispositivo idoneo in base alle esigenze dell'applicazione.

I principi base

Ogni tipo di segnale di uscita dell'encoder è digitale, che si tratti dell'uscita in quadratura di un encoder incrementale, dell'uscita del polo del motore di un encoder a vie di commutazione, o di un'uscita seriale conforme a uno specifico protocollo. Pertanto, i segnali commutano sempre tra quasi 0 V e quasi 5 V, per un encoder a 5 V, che corrisponde a uno zero logico o a un 1 logico. L'uscita di un encoder incrementale è quindi un'onda quadra di base, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1: Uscita a onda quadra generica di un encoder digitale. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Uscita a collettore aperto

Un'uscita a collettore aperto (Figura 2) è il tipo più comune fra gli encoder rotativi. Ciò significa che il pin del collettore sul transistor viene lasciato aperto, o scollegato, quando il segnale di ingresso è alto. Quando l'uscita deve essere bassa, viene pilotata a terra.

Figura 2: Schema dell'uscita a collettore aperto. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Dato che l'uscita è scollegata quando il segnale è alto, serve un resistore pull-up esterno per assicurare che la tensione sul collettore raggiunga il livello desiderato per indicare un 1 logico. Questo dà agli ingegneri la flessibilità di interconnettere i sistemi che operano a tensioni diverse. Il collettore può essere innalzato fino a una tensione superiore o inferiore a quella operativa dell'encoder (Figura 3).

Figura 3: L'uscita del collettore che può essere innalzata fino a una tensione idonea per interfacciarsi con un sistema esterno. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Ma questa interfaccia ha anche degli svantaggi. I resistori pull-up, che sono già integrati in molti controller di serie, assorbono una corrente finita e quindi dissipano potenza. Inoltre, agendo in combinazione con la capacità del circuito parassita, la resistenza può rallentare la transizione dell'uscita tra tensione alta e bassa. La pendenza della transizione (Figura 4) è detta velocità di variazione.

Figura 4: Il resistore pull-up rallenta di fatto la transizione della tensione di uscita quando l'uscita commuta tra gli stati. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Riducendo la velocità di variazione, il resistore pull-up limita di fatto la velocità di funzionamento dell'encoder, il che può portare a una risoluzione più bassa di un encoder incrementale. La riduzione del valore della resistenza può aumentare la velocità di commutazione, ma aumenta anche la dissipazione di potenza assorbendo più corrente quando il segnale è basso.

Uscite push-pull

Un'uscita push-pull che contiene due transistor invece di uno (Figura 5) può superare lo svantaggio di un'interfaccia a collettore aperto trattata sopra. Il transistor superiore sostituisce il resistore pull-up e, quando si accende, innalza la tensione fino al rail con una resistenza di fatto minima, il che assicura una velocità di variazione più rapida. Dato che un transistor si spegne quando il segnale di uscita è basso, questo pull-up attivo dissipa anche meno potenza rispetto al circuito a collettore aperto. Per dispositivi alimentati a batteria, ne può risultare un tempo di esercizio molto migliore.

Figura 5: Uscita push-pull (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

La famiglia AMT di encoder a terminazione singola di Same Sky contiene uscite push-pull e pertanto non richiede resistori pull-up per interfacciarsi con i circuiti esterni. Oltre ad aumentare la velocità e a ridurre la dissipazione di potenza, queste uscite push-pull semplificano anche i test e la prototipazione. Gli encoder AMT hanno anche uscite CMOS. Dato che i valori di alta e bassa tensione variano da un dispositivo all'altro, occorre consultare la scheda tecnica per determinare come interpretare le tensioni in uscita.

Uscite del driver di linea differenziale

Anche se gli encoder con uscite push-pull superano alcuni svantaggi del tipo a collettore aperto, entrambe le tipologie presentano uscite a terminazione singola e quindi sono soggette a limitazioni quando vengono utilizzate su lunghe distanze di cablaggio o in un ambiente con grandi quantità di rumore elettrico e interferenze.

Su lunghe distanze di cablaggio, l'ampiezza del segnale si riduce e gli effetti capacitivi rallentano le transizioni di commutazione. Con un segnale a terminazione singola, in cui il segnale trasmesso è riferito a massa, questo deterioramento può causare errori che portano a prestazioni del sistema scadenti.

Inoltre, in ambienti elettricamente rumorosi, sui cavi possono venire accoppiate tensioni indesiderate di varia grandezza, per cui il ricevitore in un sistema a terminazione singola decodificherà le tensioni del segnale in modo errato.

Se la lunghezza del cavo sarà superiore a un metro, Same Sky consiglia la segnalazione differenziale. Un encoder che contiene un driver di linea differenziale genera due segnali di uscita: uno corrisponde al segnale originale, mentre l'altro è un segnale esattamente opposto o complementare. La differenza tra i due è doppia rispetto al segnale a terminazione singola originale, e questo aiuta a superare il deterioramento causato dalla caduta di tensione e dalla capacità (Figura 6).

Figura 6: Il driver di linea differenziale supera il deterioramento del segnale (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Inoltre, il rumore di modo comune presente in entrambi i segnali può essere rimosso per sottrazione e quindi ignorato dal sistema ricevente (Figura 7). Grazie alle loro eccellenti capacità di reiezione del rumore, le interfacce del driver di linea differenziale sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni industriali e automotive. Molti modelli di encoder di Same Sky vengono offerti con l'opzione di un'uscita per driver di linea differenziale per impieghi in applicazioni esigenti.

Figura 7: Il ricevitore differenziale ignora il rumore che appare in entrambi i segnali. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Questa breve spiegazione dei tipi di uscita dell'encoder e dei relativi punti di forza dovrebbe aiutare gli ingegneri a scegliere il dispositivo migliore per la loro applicazione, combinando un consumo energetico ottimale con una comunicazione affidabile sulla distanza di connessione applicabile e un'adeguata immunità al rumore.