Quali sono le caratteristiche che aumentano l'affidabilità degli encoder? Elettronica a stato solido, forse?

Gli encoder sono usati in moltissime applicazioni, dai BattleBots al rover per l'esplorazione di Marte, dai grandi veicoli da cantiere alle apparecchiature per la produzione di semiconduttori, per non parlare delle innumerevoli applicazioni medicali e militari.

In breve, ovunque ci sia un movimento, è sicuramente presente un encoder. Potrebbero non avere lo stesso fascino di altri prodotti, ma oggi sono fondamentali nei complessi e sofisticati sistemi di controllo del movimento.

Gli encoder rotativi sono componenti vitali nell'anello di retroazione di controllo del movimento di applicazioni industriali, robotiche, aerospaziali, nel campo dell'energia e dell'automazione. Devono operare in condizioni difficili, con esposizione a polvere, sporcizia e grasso, temperature fluttuanti e forti vibrazioni.

La necessità di encoder rotativi si espande anche per il crescente uso di motori c.c. brushless (BLDC), portando vantaggi in termini di controllo, precisione ed efficienza. Il compito dell'encoder è semplice: indicare la posizione dell'albero motore al controller di sistema. Servendosi di questi dati, il controller può commutare in modo accurato gli avvolgimenti del motore e determinare la velocità, la direzione e l'accelerazione, ovvero i parametri che servono a un loop di controllo del movimento per mantenere le prestazioni del motore desiderate. Nelle applicazioni degli encoder rotativi sono richieste affidabilità a lungo termine, durata e prestazioni ottimizzate, ed è questo il motivo della crescente importanza degli encoder rotativi intelligenti per la maggior parte delle applicazioni in cui è fondamentale un controllo preciso del movimento.

L'avvento di nuovi approcci che utilizzano funzionalità intelligenti porta nuove capacità e opportunità che stanno cambiando il panorama dell'umile encoder.

Anche se essenziali, gli encoder rotativi sono spesso considerati dispositivi poco intelligenti che forniscono semplicemente segnali a impulsi a un controller di livello superiore. Tradizionalmente riluttanti ad accogliere i cambiamenti, coloro che utilizzano gli encoder ora possono avere più fiducia in tecnologie come quella dell'encoder capacitivo - i cui principi sono già totalmente comprovati - e sentirsi rassicurati dal successo riscosso in diversi anni di impiego sul campo.

L'aggiunta di un microcontroller e di ASIC personalizzati nel progetto ha portato un notevole grado di versatilità, dando la possibilità di configurare rapidamente la risoluzione dell'encoder, la posizione dello zero e il numero dei poli. Questo approccio digitale al rilevamento del movimento offre vantaggi e un nuovo livello di intelligenza per i progettisti che utilizzano encoder rotativi a vie di commutazione.

Tre tipi di tecnologie degli encoder, punti di forza e punti di debolezza

I tre approcci più diffusi per gli encoder usano le tecniche ottica, magnetica o capacitiva.

Le configurazioni ottiche usano un disco provvisto di piccole feritoie (disco fonico), con un LED da un lato e fototransistor sul lato opposto. Il disco ruota e interrompe il percorso della luce... per cui gli impulsi risultanti indicano la direzione e la rotazione dell'albero (Figura 1). Gli encoder ottici hanno un costo limitato, la ma loro affidabilità peggiora in presenza di contaminanti come sporcizia, polvere e olio, inoltre i LED hanno una durata limitata.

Figura 1: Configurazione dell'encoder ottico tradizionale. (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

La costruzione dell'encoder magnetico è molto simile a quella di un encoder ottico, tranne per il fatto che usa un campo magnetico al posto di un fascio di luce. Al posto del disco fonico, ha un disco magnetizzato che ruota sopra una serie di sensori magnetoresistivi. La rotazione del disco produce una risposta in questi sensori, che arriva a un circuito front-end di condizionamento del segnale per determinare la posizione dell'albero. Pur offrendo una durata elevata, gli encoder magnetici non sono molto precisi e sono sensibili alle interferenze magnetiche provenienti da motori e azionamenti elettrici.

Gli encoder capacitivi offrono tutti i vantaggi dei progetti degli encoder ottici e magnetici ma senza i loro punti deboli. Sono molto più robusti e piuttosto insensibili al particolato ambientale e alle interferenze magnetiche. Un encoder capacitivo ha due schemi di linea, uno impostato su un elemento fisso e l'altro su un elemento mobile. Insieme formano un condensatore variabile configurato come un accoppiamento trasmettitore-ricevitore (Figura 2). L'encoder ruota per indurre un ASIC integrato a contare questi cambi di linea ed effettua l'interpolazione per trovare la direzione dell'albero con uscite in quadratura standard e quelle di commutazione fornite dagli altri encoder per controllare i motori BLDC.

Figura 2: Rilevamento capacitivo... con file di barre in quadratura e forme d'onda in uscita. (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Miglioramento digitale della retroazione dell'encoder

Gli encoder capacitivi offrono prestazioni affidabili. Inoltre, (a differenza di quelli ottici e magnetici) la loro uscita digitale porta la progettazione in linea con le esigenze più moderne - utile per semplificare ulteriormente lo sviluppo del prodotto, l'installazione e anche la manutenzione.

Questo encoder ha il vantaggio di poter regolare la risoluzione (numero di impulsi per giro) senza dover sostituire il disco con un altro a risoluzione più alta o più bassa. Tale capacità aumenta la flessibilità durante lo sviluppo, quando avviene l'ottimizzazione del ciclo di controllo.

La tecnologia digitale consente inoltre il semplice azzeramento per un'installazione e un allineamento rapidi e semplici dei segnali di commutazione con gli avvolgimenti del motore BLDC. L'utente blocca l'albero nella posizione desiderata energizzando le fasi corrette del motore e comanda all'encoder di "azzerarsi" in questa posizione. Non sono richiesti attrezzi speciali e il tempo totale per svolgere questa funzione è di un paio di minuti. L'azzeramento di un encoder ottico o magnetico (per allineare meccanicamente i segnali di commutazione con gli avvolgimenti del motore) è invece un processo complesso e frustrante che può richiedere anche 20 minuti.

L'intelligenza integrata nella serie AMT di CUI, insieme alla GUI AMT Viewpoint a corredo, fornisce anche la diagnostica per una più rapida analisi dei guasti sul campo, la possibilità di eseguire misure preventive come una sequenza di test per assicurarsi che l'encoder funzioni correttamente e un migliore time to market.

I dati diagnostici aiutano lo sviluppatore durante la progettazione, per eliminare l'encoder dall'elenco dei sospetti durante il debug.

La diagnostica aiuta anche sul campo facendo vedere agli utenti finali com'era lo stato dell'encoder prima dei guasti e aiuta a separare il suo comportamento dall'analisi del funzionamento del motore a fini di manutenzione. Questo potrebbe servire a individuare problemi come il disallineamento o l'usura dei cuscinetti. La diagnostica incorporata permette ai sistemi di verificare che gli encoder stiano funzionando prima di inserire i motori in applicazioni critiche con controllo del movimento, per evitare eventuali danni.

Funzioni intelligenti e connettività IoT per tutti i tipi di encoder

I vantaggi degli encoder AMT basati sulla tecnologia capacitiva vanno molto oltre il miglioramento delle prestazioni e dell'affidabilità. Offrono funzionalità intelligenti e numerosissime funzioni programmabili di configurazione e installazione. La tecnologia digitale è il passo successivo per sfruttare la potenza di un'interfaccia intelligente per ottenere i vantaggi non disponibili con le tecnologie degli encoder tradizionali.