Quando e come utilizzare gli encoder multigiro

Gli encoder rotativi multigiro sono sensori elettromeccanici di precisione che misura no non solo la posizione angolare di un albero entro una sola rivoluzione (da 0° a 360°), ma anche il numero cumulativo di rotazioni complete. A differenza degli encoder monogiro, che azzerano l'uscita a ogni rivoluzione, gli encoder multigiro forniscono sia la posizione angolare assoluta sia il conteggio totale delle rotazioni, offrendo la retroazione di posizione precisa su ampie escursioni di movimento.

Nelle applicazioni avanzate di controllo del movimento, l'acquisizione dell'angolo dell'albero per un solo ciclo di 360° è insufficiente per il monitoraggio affidabile del sistema. Quando il moto rotatorio è accoppiato meccanicamente allo spostamento lineare, a treni di ingranaggi o apparecchiature di grandi dimensioni, il tracciamento delle rivoluzioni totali diventa essenziale. Gli encoder multigiro rispondono a questa esigenza fornendo dati di posizione assoluti e continui, garantendo la sincronizzazione e il controllo precisi in sistemi elettromeccanici complessi. Questo articolo illustra gli encoder multigiro nei dettagli, spiegando come funzionano, dove utilizzarli e fornendo ulteriori considerazioni sull'integrazione.

Funzionalità e vantaggi dell'encoder multigiro

Sebbene possa sembrare fattibile tracciare le rotazioni complete dell'albero nel software monitorando quando un encoder monogiro passa da 359° a 0°, questo approccio introduce seri problemi di affidabilità. Campioni mancati, interruzioni dell'alimentazione, problemi di comunicazione o persino rumori dovuti alle vibrazioni possono desincronizzare il conteggio dei giri. Le rapide inversioni in prossimità del limite 0°/360° spesso confondono ulteriormente la logica di rilevamento del ribaltamento, causando errori cumulativi. Anche con il filtraggio e la messa a punto degli algoritmi, le soluzioni basate su software restano vulnerabili alla perdita di precisione.

Gli encoder assoluti multigiro risolvono queste sfide a livello hardware, integrando due funzionalità fondamentali: una risoluzione angolare fine entro una sola rivoluzione e un contagiri integrato per tracciare i giri completi dell'albero. La misurazione angolare è in genere gestita da tecnologie di rilevamento capacitivo, magnetico oppure ottico, mentre il contagiri si aggiorna in sincronia con i dati angolari. Questa combinazione produce una vera posizione assoluta multigiro, fornendo una retroazione robusta ed esente da errori senza dipendere da una logica di ribaltamento esterna.

Il contagiri stesso può essere implementato in diversi modi. Gli encoder meccanici utilizzano sistemi basati su ingranaggi, quelli magnetici spesso utilizzano l'energia impulsiva del filo di Wiegand per registrare i giri, mentre le implementazioni digitali si affidano all'alimentazione elettrica continua. Quest'ultimo richiede un'attenta progettazione del sistema per la continuità dell'alimentazione, in genere attraverso batterie ausiliarie o protezioni software, al fine di preservare il conteggio dei giri durante le interruzioni.

Come gestire gli encoder multigiro all'avviamento

Un problema importante nella progettazione degli encoder multigiro è la gestione dei reset all'accensione, poiché la perdita del conteggio dei giri memorizzato può compromettere i dati di posizione assoluti. Per ovviare a questo problema vengono comunemente impiegate diverse strategie:

• Riferimento Home o interruttore di finecorsa - All'avvio, il sistema guida il meccanismo verso un punto di riferimento predefinito e reinizializza la posizione dell'encoder.
• Mantenimento dell'ultimo valore noto - Se è disponibile un controller host o una memoria non volatile, il sistema può memorizzare l'ultimo angolo e l'ultimo numero di giri registrati prima dello spegnimento. Dopo il riavvio, questi valori vengono riapplicati, a condizione che l'albero non si sia mosso durante il periodo di inattività.
• Blocco meccanico dell'albero - Negli arresti programmati o negli stati di bassissima potenza, l'albero può essere bloccato fisicamente per impedirne il movimento. Il valore memorizzato dell'encoder è quindi valido all'accensione e consente il ripristino fluido. Questo metodo è particolarmente utile nei sistemi portatili o alimentati a batteria.
• Reinizializzazione a livello di sistema - Per le applicazioni che tollerano la perdita di qualche giro, il sistema può semplicemente ripristinarsi e ricalibrarsi all'avvio utilizzando sensori esterni o stati predefiniti sicuri. Questa soluzione riduce la complessità, ma è possibile solo in applicazioni di retroazione di posizione non critiche.

Per le applicazioni in cui la perdita del conteggio dei giri durante un'interruzione di corrente è inaccettabile, l'integrazione di una batteria ausiliaria è una delle soluzioni più affidabili. Anziché affidarsi a metodi di ricalibrazione esterni o a sensori ausiliari, questo approccio garantisce che l'encoder rimanga sempre alimentato, sia in caso di interruzioni brevi che prolungate.

Dal punto di vista del consumo energetico, la scelta della tecnologia è importante. Gli encoder capacitivi, come la serie AMT di Same Sky, funzionano in genere con soli ~80 mW, il che li rende altamente efficienti per i progetti embedded e alimentati a batteria. La loro efficienza riduce al minimo il consumo di energia di riserva immagazzinata, per un supporto di lunga durata senza una capacità eccessiva della batteria.

Per contro, gli encoder magnetici assorbono in genere da 150 a 500 mW, mentre gli encoder ottici richiedono spesso da 200 mW a oltre 1 W nei sistemi ad alta risoluzione o basati su LED. Questo vantaggio in termini di efficienza rende gli encoder capacitivi un'opzione interessante negli ambienti con vincoli sul consumo, dove ogni milliwatt è cruciale.

Figura 1: Consumo energetico tipico per tecnologia di encoder. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Esempi di applicazioni che utilizzano encoder multigiro

Ecco alcune situazioni reali comuni in cui la retroazione monogiro non è sufficiente e sono necessari encoder multigiro:

• Azionamenti con riduttore a ingranaggi o a cinghia - Quando un motore compie più rivoluzioni per ogni rotazione dell'albero (es., un rapporto 10:1), il tracciamento del solo angolo finale non è sufficiente. Il sistema deve tener conto di tutti i giri intermedi per la precisione della posizione.
• Viti a ricircolo di sfere e viti di traslazione - Ogni rotazione dell'albero corrisponde a una distanza lineare fissa. I giri mancanti si traducono direttamente in errori di posizione lineare, rendendo il tracciamento multigiro fondamentale per il posizionamento di precisione.
• Meccanismi a pignone e cremagliera - La corsa lineare continua è generata da un ingresso rotazionale. Per una retroazione accurata, ogni rotazione deve essere contata per calcolare la distanza realmente percorsa.
• Assi rotanti nella robotica e nell'automazione - Giunti, torrette e piattaforme rotanti spesso superano una singola rivoluzione. Senza la retroazione multigiro, i sistemi rischiano errori di movimento e persino collisioni durante il funzionamento.

Dal punto di vista generale, un sistema di controllo del movimento può trarre vantaggio da un encoder multigiro se l'applicazione presenta i seguenti requisiti:

• Tracciamento di posizione estesa - Sistemi che devono monitorare il movimento dell'albero oltre i 360°.
• Conversione da rotazione a lineare - Azionamenti di meccanismi in cui ogni rivoluzione corrisponde a una precisa corsa lineare.
• Rapporti di trasmissione elevati - Sistemi a ingranaggi o a cinghia in cui le rivoluzioni del motore superano di gran lunga il movimento dell'albero di uscita.
• Precisione assoluta con filtraggio minimo - Applicazioni che non possono tollerare errori cumulativi dal rilevamento di ribaltamento del software.
• Logica di avvio semplificata - Progetti che beneficiano di un'inizializzazione più semplice e affidabile dopo l'accensione.

La famiglia di encoder assoluti AMT di Same Sky comprende modelli compatti multigiro con interfacce digitali SPI e RS-485. Progettati per i sistemi di movimento embedded, offrono basso consumo energetico, flessibilità di montaggio modulare e comunicazione semplice e sono pertanto ideali quando è richiesto il tracciamento multigiro assoluto. La corretta gestione dei reset all'accensione garantisce una precisione ininterrotta in tutti i cicli operativi.

Sebbene l'esatto protocollo di comunicazione possa variare, la maggior parte semplifica la lettura della posizione angolare e del numero di giri utilizzando un numero ridotto di byte o di comandi. I comandi per gli encoder AMT di Same Sky sono documentati nelle rispettive schede tecniche.

Conclusione

Gli encoder multigiro semplificano il controllo del movimento gestendo internamente il tracciamento delle rivoluzioni, eliminando la necessità di una complessa logica di ribaltamento o di un esteso filtraggio software. Questa capacità integrata garantisce dati di posizione accurati su ampie escursioni di movimento e ciò li rende un componente indispensabile per gli ingegneri che sviluppano sistemi di automazione affidabili e scalabili.

Gli encoder assoluti multigiro AMT di Same Sky aumentano ulteriormente la flessibilità di progettazione, supportando alberi motore di diametro da 2 mm a 15,875 mm. Questa ampia compatibilità meccanica ne consente l'integrazione in un'ampia gamma di piattaforme motore, fornendo un robusto rilevamento della posizione senza ulteriori personalizzazioni.