Gli encoder innovativi offrono durata e precisione senza compromessi

Gli encoder rotativi forniscono informazioni critiche circa la posizione degli alberi motore e quindi anche sul loro senso di rotazione, su velocità e accelerazione. Sono componenti vitali nell'anello di retroazione di controllo del movimento di applicazioni industriali, robotiche, aerospaziali, energia e automazione. In queste installazioni, agli encoder viene chiesto di fornire affidabilità a lungo termine, durata e prestazioni elevate pur operando spesso in condizioni difficili in presenza di polvere, sporcizia, grasso, sbalzi di temperatura e forti vibrazioni. La richiesta di encoder è aumentata notevolmente a causa del forte incremento di applicazioni che richiedono un'elevata precisione nel controllo del movimento.

Il problema che un progettista deve affrontare è la scelta tra i due più diffusi tipi di tecnologia utilizzata per la realizzazione degli encoder: ottica e magnetica. L'approccio ottico garantisce la migliore accuratezza a fronte di una minore affidabilità, mentre il secondo assicura una maggiore durata a scapito dell'accuratezza. Mentre in alcuni progetti è possibile evitare completamente l'uso di encoder, è un dato di fatto che nella stragrande maggioranza dei casi questi dispositivi rappresentano una connessione di vitale importanza per la maggior parte degli anelli di controllo/retroazione (vedere l'Appendice 1, Alcune considerazioni sui progetti "senza sensori").

La tecnologia degli encoder richiede compromessi

Gli encoder standard garantiscono tipicamente tra 48 e 2.048 impulsi per giro (ppr), mentre la maggior parte delle applicazioni richiede tra 800 e 1.024 ppr. Anche se un valore di ppr superiore sembra garantire maggiore precisione, questa caratteristica si rivela più costosa e complessa, con un incremento della mole di calcoli e di elaborazione richiesta al controller di sistema o al processore digitale presente nell'anello. Oltre a non essere necessaria, un'eccessiva precisione può anche essere nociva a causa del rumore, delle vibrazioni e del jitter nella posizione dell'albero.

Molti encoder sono basati sulla tecnologia ottica o magnetica. Il metodo ottico si avvale di un disco di vetro o plastica con due serie di finestre lungo la circonferenza (Figura 1). Una sorgente luminosa a LED e i fotorilevatori sono collocati ai lati opposti del disco. Quando quest'ultimo gira, il passaggio o meno della luce attraverso le finestre genera le tipiche onde quadre degli impulsi delle uscite in quadratura A e B.

Figura 1: Il funzionamento di un encoder ottico si basa sul rilevamento della luce che attraversa le finestre durante la rotazione dell'albero.

Anche se usato spesso con successo, questo approccio ottico ha numerosi svantaggi. Per quanto riguarda la robustezza, fattori quali sporco, olio e altri contaminanti, sia durante l'assemblaggio che nel tempo durante il funzionamento, possono facilmente interferire con il disco e le finestre e, di conseguenza, con i segnali emessi dall'encoder. La soluzione tradizionale per limitare l'esposizione dell'encoder ai vari contaminanti è quella di porre il dispositivo in un alloggiamento a campana. Purtroppo, questo approccio non elimina completamente l'esposizione ai fattori ambientali di contaminazione. Inoltre, è una soluzione che introduce nuovi fattori nell'equazione, tra cui la temperatura e maggiori costi dell'applicazione.

Negli encoder ottici, inoltre, i LED hanno un'aspettativa di vita limitata e la loro luminosità può anche dimezzarsi entro 10-20.000 ore (grosso modo entro 1 o 2 anni), per poi bruciarsi. Se poi, per contenere i costi, il disco è realizzato in plastica, l'intervallo di temperatura di esercizio è limitato e qualsiasi distorsione o deformazione penalizza la precisione.

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 quanto quello ottico ed è suscettibile all'interferenza magnetica prodotta dai motori elettrici, in particolare quelli passo-passo.

Oltre agli encoder ottici e magnetici, per la codifica della posizione è possibile utilizzare sensori a effetto Hall. Sono efficienti e affidabili, ma utilizzabili solo in applicazioni che richiedono la determinazione della posizione di un albero con precisione e risoluzione relativamente basse.

Un approccio innovativo basato su un progetto consolidato

Per rispondere all'esigenza di poter effettuare una codifica della posizione angolare in maniera accurata, precisa e affidabile, Same Sky ha preso in considerazione altri tipi di tecnologie elettroniche. La soluzione dell'azienda è stata quella di adattare i principi operativi del rilevamento capacitivo degli encoder di posizione lineare standard, come quelli sviluppati per i calibri Vernier elettronici oltre 30 anni fa (vedere l'Appendice 2, Dal calibro all'encoder). Il risultato di queste ricerche è una piattaforma di encoder rotativi estremamente precisi e durevoli denominata AMT.

Il rilevamento capacitivo prevede l'uso di pattern di barre o linee, uno dei quali collocato sull'elemento fisso e l'altro sull'elemento in movimento, in modo da creare un condensatore variabile configurato come una coppia trasmettitore/ricevitore (Figura 2). Mentre l'encoder ruota, un circuito ASIC (Application Specific Integrated Circuit) integrato conta le variazioni delle linee ed effettua l'interpolazione necessaria per trovare la posizione precisa dell'encoder e la direzione di rotazione dell'albero.

Figura 2: Il funzionamento di un encoder capacitivo si basa sul rilevamento delle variazioni capacitive durante la rotazione dell'albero.

L'uscita elettrica del circuito ASIC dell'encoder è perfettamente compatibile, per la natura stessa del progetto, con quella degli encoder ottici e magnetici. L'implementazione di un encoder senza contatto come quello appena descritto garantisce significativi vantaggi:

• Non è influenzato da polvere, sporco o olio ed è quindi intrinsecamente più affidabile rispetto alla tecnologia ottica
• È meno sensibile alle variazioni di temperatura, con riflessi favorevoli sull'affidabilità e sulla linearità di funzionamento
• È meno sensibile alle vibrazioni rispetto ai dischi di vetro
• Non ci sono LED che perdono luminosità o si bruciano
• L'encoder richiede una corrente di esercizio di soli 6-10 mA, molto meno dei 20-50 mA di quelli ottici, il che lo rende efficiente per applicazioni mobili e alimentate a batteria

Non richiedendo LED né LOS (rilievo visivo senza ostacoli), la famiglia di encoder AMT offre una soluzione efficace in applicazioni in cui gli encoder tradizionali accusano problemi. In un caso, un produttore di apparecchiature di automazione per forni riscontrava frequenti e ripetuti fermi macchina negli stabilimenti dei clienti a causa della polvere di farina e di altri contaminanti che influivano negativamente sull'encoder ottico di un macchinario di produzione cruciale, con conseguente fermo mensile, sostituzione e procedura di azzeramento. La sostituzione dell'unità ottica con una di tipo capacitivo ha permesso di risolvere questo problema. In un altro caso, un costruttore di apparecchiature per le perforazioni off-shore doveva mettere tutto il gruppo motore immerso in olio, a causa dell'alta pressione associata all'applicazione. Venne scelto un encoder capacitivo per la sua capacità di operare senza interruzioni in fluidi non conduttivi come l'olio.

Esiste anche un altro vantaggio, sebbene meno ovvio, per i progettisti che eseguono la regolazione fine dell'anello di controllo PID (Proporzionale-Integrale-Derivativo): la possibilità di regolare il numero di ppr dell'encoder per ottimizzare le prestazioni senza dover cambiare gli encoder. La capacità di modificare dinamicamente la risoluzione semplifica enormemente il processo di ottimizzazione del sistema, che in genere viene fatta con aggiustamenti al codice o modificando il numero di linee dell'encoder (risoluzione). Con gli encoder ottici, quest'ultima operazione richiede l'acquisto e l'installazione di encoder diversi, aumentando i costi generali e rallentando il ciclo di progettazione. Nel caso degli encoder capacitivi, l'ingegnere di controllo si limita a inserire istruzioni per cambiare il parametro del numero di linee dell'encoder, fino a che non ottiene il risultato dell'anello di controllo desiderato.

Anche in fase di installazione e produzione, l'encoder capacitivo offre altri vantaggi. Dal punto di vista meccanico, avendo fori di montaggio adatti anche ad gli altri tipi di encoder, questo è un dispositivo compatibile immediatamente pronto all'operatività (Figura 3). Un singolo encoder può quindi essere utilizzato per vari diametri di albero semplicemente avvalendosi di manicotti adattatori, il che riduce il numero di SKU (articoli gestiti a magazzino) per la produzione e le riparazioni.

Figura 3: Fori di montaggio degli encoder AMT compatibili con quelli di encoder non capacitivi.

La versatilità di un encoder costruito da un trasduttore capacitivo e un'interfaccia elettrica ASIC personalizzata, viene illustrata da AMT11 di Same Sky (Figura 4). Caratterizzata da un diametro di 37 mm e da un profilo di soli 10,34 mm, questa compatta unità funziona con un'alimentazione di +5 V. L'encoder è disponibile con uscite in quadratura (a 90°) CMOS compatibili, che forniscono la posizione oltre che in versioni con uscite di tipo "line driver" differenziali, compatibili dal punto di vista elettrico con i tradizionali segnali degli encoder ottici o magnetici. L'encoder fornisce inoltre un'ampia gamma di risoluzioni programmabili, comprese tra 48 e 4.096 impulsi per giro, oltre a un impulso di indicizzazione per rotazione. Sono disponibili opzioni a orientamento radiale o assiale dei connettori in funzione del tipo di applicazione e funzionamento nell'intervallo di temperatura compreso tra -40 e +105 °C, per garantire una maggiore durata.

Figura 4: Encoder AMT11 di CUI Devices.

Un possibile svantaggio associato all'uso degli encoder di tipo capacitivo, tipico peraltro di qualsiasi trasduttore elettronico e dei relativi circuiti, è la sensibilità a fenomeni di rumore elettrico e a interferenze elettromagnetiche (EMI). Un'accurata progettazione del circuito di interfaccia ASIC e un'accurata regolazione degli algoritmi di demodulazione dell'encoder permettono di attenuare problematiche di questo tipo. La presenza di un circuito ASIC offre ai progettisti l'opportunità di integrare a bordo funzioni diagnostiche per verificare le prestazioni del meccanismo dell'encoder e del circuito ASIC stesso, conferendo un grado di "intelligenza" più elevato all'encoder e all'intero sottosistema.

Grazie alla disponibilità di encoder ampiamente collaudati sul campo, basati sui principi del rilevamento capacitivo, il progettista non è più costretto a scegliere tra la maggior affidabilità offerta dagli encoder magnetici o la migliore accuratezza tipica degli encoder ottici. L'encoder capacitivo è in grado di assicurare elevati livelli di accuratezza e affidabilità, oltre ad altri vantaggi in termini di montaggio meccanico, gestione dell'inventario, scelta della velocità di rotazione, azzeramento della lettura e dissipazione di potenza, pur garantendo la completa compatibilità con le uscite standard.

Appendice 1: Alcune considerazioni sui progetti "senza sensori"

Unitamente all'adozione su larga scala dei motori BLDC, un numero crescente di progetti è di tipo "senza sensori", ovvero non prevede l'uso di un encoder che indica la posizione dell'albero. Questi motori sono controllati mediante numerosi algoritmi, tra cui il controllo a orientamento di campo (FOC) o controllo vettoriale.

Sebbene l'eliminazione dell'encoder appaia decisamente interessante in teoria, il controllo di tipo FOC presenta numerosi svantaggi: esso non garantisce il livello di precisione tipico di un progetto basato su sensori, può "perdere" la posizione, con conseguente necessità di un reset, può dare adito all'insorgere di problemi in qualche punto del momento torcente e richiede una notevole mole di elaborazione da parte del processore di sistema. Quindi viene solitamente impiegato dove non è richiesto un elevato livello di precisione e di coerenza della misura della posizione dell'albero e della velocità, come nel caso degli elettrodomestici (lavastoviglie, asciugatrici). Per un gran numero di applicazioni industriali, invece, il "costo" apparente dell'encoder è ampiamente giustificato se rapportato alle esigenze in termini di prestazioni richieste.

Appendice 2: Dal calibro all'encoder rotativo

Il rilevamento di tipo capacitivo è solitamente impiegato per i commutatori di tipo tattile, dove il dito dell'utente svolge il ruolo della seconda armatura del condensatore. Ogni variazione di capacità è rilevata dal circuito di interfaccia, in modo da emulare il funzionamento di un tradizionale pulsante elettromeccanico. Essi sono spesso utilizzati in applicazioni quali ascensori e attraversamenti pedonali. I commutatori di tipo tattile sono particolarmente resistenti alla sporcizia, all'acqua e a un uso improprio, grazie all'assenza di parti interne in movimento e al fatto che la sola parte esposta è una piccola linguetta metallica incassata nella superficie di montaggio.

L'uso del rilevamento capacitivo non è limitato ai commutatori on/off (sia come unità singola che come array) e il diffuso calibro digitale ne è un classico esempio. Circa 30 anni fa Ingvar Andermo, un ingegnere elettrico presso l'istituto di ricerca IM di Stoccolma, stava lavorando a un'applicazione per la lettura di banconote utilizzando la tecnologia capacitiva. C.E. Johansson contattò Andermo per lo sviluppo di un calibro digitale che utilizzasse la tecnologia magnetoresistiva, ma Andermo ritenne quell'approccio troppo complicato e decise di sfruttare la sua esperienza nel campo del rilevamento capacitivo.

Il primo calibro prodotto da Johansson (Jocal) fece il suo debutto durante un'esposizione a Chicago nel 1980. Più tardi Johansson cedette la tecnologia in licenza alla giapponese Mitutoyo che alcuni anni dopo commercializzò il suo primo calibro digitale, da allora venduto in tutto il mondo in milioni di unità.

Figura 5: Calibro digitale Mitutoyo.

Andermo ha infine collaborato con CUI Devices, l'azienda di Tualatin in Oregon, allo sviluppo degli encoder capacitivi della serie AMT, che utilizzano la medesima tecnologia applicata in questo caso alla misura della rotazione ad alta velocità. Tre sono gli elementi fondamentali: un trasmettitore ad alta frequenza, un rotore sul quale è inciso un pattern metallico sinusoidale e un ricevitore. Il rotore è situato tra le due schede trasmettitore e ricevitore. Quando il rotore gira, il pattern di metallo sinusoidale modula il segnale ad alta frequenza in una maniera prevedibile. La scheda ricevitore legge queste modulazioni e un circuito ASIC di tipo proprietario le traduce in incrementi del movimento rotatorio, con una risoluzione massima di 4.096 impulsi per giro.