Come utilizzare gli encoder rotativi per convertire rapidamente la rotazione meccanica in segnali digitali

Di Art Pini

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Nell'era digitale, la misurazione della rotazione di un albero meccanico su un motore o una manopola di strumento rotante deve essere rapida ed efficiente. Metodi analogici come potenziometri e interruttori rotanti stanno lasciando il passo a encoder rotativi che digitalizzano direttamente il movimento rotatorio, ma i progettisti devono comprendere le differenze tra i vari tipi di encoder e interpretare accuratamente le loro uscite digitali.

Questo articolo illustrerà il ruolo degli encoder rotativi e il loro funzionamento. Spiegherà poi come interpretare i loro segnali prima di presentare soluzioni di encoder e la loro applicazione nel mondo reale.

Il ruolo degli encoder rotativi

Gli encoder rotativi sono un tipo di sensore che misura la rotazione di un albero meccanico. Se ad esempio si tratta dell'albero di un motore, gli encoder ne leggono la posizione angolare o la velocità di rotazione. Potrebbero anche leggere la posizione angolare di un quadrante, di una manopola o di un altro controllo elettronico su uno strumento o sul pannello frontale di un apparecchio, in sostituzione di potenziometri e interruttori rotanti.

Prendiamo il caso del controllo con timer su un apparecchio. Ai vecchi tempi dell'analogico, per rilevare la posizione di quel controllo si sarebbe usato un resistore variabile o un potenziometro. Ma con i progetti di oggi basati su microprocessore, gli ingressi digitali generati da un encoder rotativo sono più efficienti.

Gli encoder possono essere utilizzati nei sistemi di controllo anche per indicare se un componente meccanico si muove correttamente in risposta a un comando. Gli encoder forniscono il rilevamento necessario al microprocessore di controllo, a prescindere da dove si trovi il sistema di controllo, in un'automobile o in un dispositivo robotico. Soluzioni più datate come i potenziometri monogiro rilevano meno di una rotazione completa dell'albero, mentre gli encoder rotativi possono rilevarla per intero senza interruzioni.

Gli encoder rotativi convertono questi spostamenti meccanici in segnali elettrici che possono essere inviati a un processore che li interpreterà. In base alle uscite elettriche dell'encoder, è possibile derivare il senso di rotazione, la posizione angolare e la velocità di rotazione. Le uscite digitali degli encoder rotativi rendono questa operazione molto più semplice rispetto ai potenziometri.

Come funzionano gli encoder rotativi

Esistono due tipi principali di encoder: incrementali e assoluti. L'encoder incrementale legge le variazioni di spostamento angolare, mentre l'encoder assoluto legge l'angolo assoluto dell'albero codificato. Gli encoder si basano su tre tecnologie comuni; ottica, meccanica e magnetica.

Gli encoder ottici sono costruiti usando un disco con segmenti traslucidi e opachi disposti per lasciar passare la luce in determinate aree. Usando un LED e dei fotodiodi sui lati opposti del disco (Figura 1), i fotodiodi rilevano la luce che attraversa il disco ed emettono forme d'onda impulsive che corrispondono alla sequenza dei segmenti traslucidi e opachi del disco.

Immagine di dischi ottici incrementali e assoluti

Figura 1: Esempi di dischi ottici incrementali e assoluti Il disco incrementale genera due segnali a onda quadra con una differenza di fase di 90° tra loro. Il disco assoluto emette i dati in codice binario. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il disco assoluto in Figura 1 ha quattro uscite che forniscono un codice binario univoco per ogni segmento sul disco, in questo caso sedici (Tabella 1). L'alternativa al codice binario è il codice Grey, un codice binario in cui i termini binari adiacenti differiscono solo per una transizione a bit singolo.

Numero di segmento Intervallo del settore (gradi) Codice binario
0 360/0 - 22,5 0000
1 22,5 - 45 0001
2 45 - 67,5 0010
3 67,5 - 90 0011
4 90 - 112,5 0100
5 112,5 - 135 0101
6 135 - 157,5 0110
7 157,5 - 180 0111
8 180 - 202,5 1000
9 202,5 - 225 1001
10 225 - 247,5 1010
11 247,5 - 270 1011
12 270 - 292,5 1100
13 292,5 - 315 1101
14 315 - 337,5 1110
15 337,5 - 360/0 1111

Tabella 1: I sedici stati binari per un encoder assoluto a quattro bit. (Tabella per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il pattern generato dal disco incrementale è costituito da due onde quadre con una differenza di fase di 90° e viene detto uscita in quadratura. Si può utilizzare anche un pattern a fila singola e due sensori fotoelettrici spostati di una distanza equivalente allo spostamento di fase di 90°.

Le uscite degli encoder incrementali in quadratura sono generalmente dette "A" e "B". L'encoder può anche includere un terzo impulso, una volta per impulso rotazionale, detto impulso di indicizzazione, per fornire un riferimento fisico noto. Combinando l'impulso di indicizzazione alle uscite in quadratura, si può calcolare l'orientamento assoluto dell'albero.

Con due uscite con uno spostamento di fase di 90° è possibile rilevare non solo la rotazione angolare ma anche la sua direzione (Figura 2).

Immagine dei segnali in quadratura che determinano la direzione di marcia del disco dell'encoder

Figura 2: La relazione di fase tra i segnali in quadratura determina la direzione di marcia del disco dell'encoder. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Quando l'albero dell'encoder ruota in senso orario, la forma d'onda A porterà alla forma d'onda B. Se la direzione di rotazione è antioraria, il segnale B porterà al segnale A.

Con i due segnali in quadratura è possibile risolvere quattro stati per ciclo. Gli stati all'interno di un singolo ciclo sono A = 1 e B = 0, A = 1 e B = 1, A = 0 e B = 1 e infine A = 0 e B = 0. Ciò significa che la risoluzione angolare di un encoder con uscita in quadratura è quattro volte quella degli impulsi nominali per rivoluzione (PPR).

La visualizzazione e misurazione delle uscite in quadratura di un encoder ottico su un oscilloscopio mostrano la relazione di fase tra le uscite (Figura 3). Nella traccia superiore viene mostrato il segnale A, mentre in quella inferiore viene mostrato il segnale B. Il parametro di fase P1 dell'oscilloscopio è impostato per misurare la differenza di fase tra i segnali A e B. La differenza di fase media tra i due segnali è di 90,4°.

Immagine delle uscite in quadratura di 512 impulsi per rivoluzione

Figura 3: Le uscite in quadratura di un encoder ottico a 512 impulsi per rivoluzione che mostrano le relazioni di fase tra le uscite A e B del segnale (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

In questo esempio è stata presa solo l'uscita A singola perché l'encoder è stato usato come tachimetro, per misurare la velocità di rotazione di un motore. La frequenza del segnale A è misurata come 28,87 kHz utilizzando il parametro P2 dell'oscilloscopio. Questa frequenza viene convertita nella velocità dell'albero dividendo per i 512 impulsi per rivoluzione (PPR) e moltiplicando per 60 per leggere la velocità angolare dell'albero in rivoluzioni al minuto (RPM), letta nel parametro P3 come 3383 RPM.

Sulla base di questi numeri, i 512 PPR di questo encoder forniscono una risoluzione base di 0,7 gradi. Interpretando gli stati A/B, è possibile ottenere 0,175˚.

Gli encoder ottici offrono il vantaggio di avere la risoluzione più alta fra tutti i tipi di encoder. Hanno costi idonei per applicazioni di fascia bassa poco costose, ma possono essere ingombranti.

Gli encoder meccanici utilizzano un disco rotante che contiene anelli concentrici identici ai pattern utilizzati negli encoder ottici. Gli anelli hanno un pattern di aree conduttive e isolate. I contatti striscianti stazionari scorrono sul disco rotante stabilendo un contatto con ogni anello e fungono da interruttori. Quando passano su una superficie conduttiva del disco, il contatto viene stabilito. Quando passano su una superficie isolata, il contatto viene interrotto. In questo modo, si crea un pattern digitale per ogni anello.

Un problema che può verificarsi con gli encoder meccanici è il rumore causato dal rimbalzo dei contatti. Per eliminarlo si può utilizzare il filtraggio passa-basso oppure un software per rilevare lo stato dell'uscita dopo che il rumore prodotto dal rimbalzo si è attenuato.

In genere, gli encoder meccanici sono i meno costosi. Vengono usati come dispositivi di interfaccia utente sui pannelli elettronici in sostituzione dei potenziometri.

Gli encoder rotativi magnetici usano un magnete circolare multipolo. I poli magnetici nord e sud alternati vengono rilevati da sensori a effetto Hall o magneto-resistivi e generano uscite elettriche in quadratura mentre il magnete gira. Sia gli encoder magnetici che quelli ottici sono senza contatto e possono essere utilizzati a velocità superiori e per tempi più lunghi rispetto agli encoder meccanici a contatto.

Uso degli encoder rotativi

La natura elettromeccanica dell'encoder rotativo richiede che si interfacci con dispositivi meccanici o con l'utente. Quando gli encoder servono da interfacce di controllo su dispositivi elettronici, utilizzano un albero pieno e in genere sono montati su un pannello di controllo tramite un'apposita boccola e la relativa minuteria.

I progettisti possono scegliere ad esempio dei fermi per produrre un "clic" meccanico quando l'encoder viene ruotato e avvisare così gli utenti che l'albero dell'encoder si sta muovendo. Possono anche scegliere un interruttore a contatto momentaneo che viene attivato premendo l'albero dell'encoder.

Gli encoder destinati a essere montati su macchine rotanti come motori o servo hanno alberi cavi o ciechi (Figura 4).

Schema di encoder configurati con albero cavo o cieco

Figura 4: Gli encoder configurati con albero cavo o cieco sono destinati a motori o ad altre macchine elettromeccaniche. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Un encoder ad albero cavo montato sull'albero di un motore o su un dispositivo meccanico simile. Questo assicura che venga montato concentricamente con il dispositivo da monitorare ed elimina la possibilità di disallineamento asimmetrico o angolare. Gli alberi ciechi sono alberi cavi con una profondità limitata, utilizzati per montare l'encoder all'estremità di un albero motore.

Scelta e applicazione dell'encoder

La scelta di un encoder rotativo dipende dai requisiti applicativi e dall'ambiente, oltre che dai vincoli di costo.

291V1022F832AB di CTS Electronic Components è un encoder incrementale ottico con una risoluzione angolare di 8 PPR che funziona con un'alimentazione a 5 V (Figura 5). La serie 291 supporta risoluzioni PPR tra 4 e 64 e permette di scegliere tipi di alberi e lunghezze, fermi e un interruttore integrato. L'encoder ha una durata di rotazione nominale che può arrivare a 3 milioni di cicli.

Immagine di CTS 291V1022F832AB con la tipica boccola filettata, rondella di tenuta e controdado

Figura 5: CTS 291V1022F832AB con la tipica boccola filettata, rondella di tenuta e controdado, destinato all'uso come controllo montato a pannello. (Immagine per gentile concessione di CTS)

Gli encoder ottici della serie 291 di CTS sono ideali per applicazioni di controllo di strumenti tra cui apparecchiature medicali e di laboratorio, di comunicazione, industriali, HVAC, trasporto, sicurezza, audio e home entertainment.

EMS22Q51-D28-LT4 di Bourns Inc. è un encoder magnetico incrementale da 32 a 256 PPR che funziona con un'alimentazione di 5 o di 3,3 V. Fa parte della serie EMS22Q di encoder senza contatto che supporta una risoluzione angolare da 32 a 256 PPR. Come gli encoder precedenti, ha diverse configurazioni di albero e boccola, ma la sua durata nominale di rotazione è di soli 50 milioni di cicli. Questi encoder sono ideali per ambienti industriali gravosi con temperature estreme, umidità e contaminazione di particelle.

Inoltre, come per molti encoder, la connessione e l'uso del dispositivo sono semplici e diretti (Figura 6).

Schema dei dettagli dei pin dell'encoder EMS22Q51-D28-LT4 di Bourns

Figura 6: I dettagli dei pin dell'encoder EMS22Q51-D28-LT4 (riquadro sulla sinistra) e il diagramma a blocchi mostrano quanto sia semplice collegare a un microcontroller un encoder magnetico incrementale senza contatto da 256 PPR. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

La serie EMS22Q ha sei pin. Uno per l'alimentazione, uno per la terra, uno per chip-select attivo basso che va al microcontroller o al microprocessore, un pin indice e due pin dei dati (A e B). Nella Figura 7 è raffigurata l'uscita in quadratura risultante.

Immagine di EMS22Q che produce un'uscita in quadratura

Figura 7: EMS22Q produce un'uscita in quadratura con un intervallo PPR tra 32 e 256. (Immagine per gentile concessione di Bourns Inc.)

I progettisti di dispositivi per applicazioni a basso costo e hobbistiche possono fare buon uso di un encoder meccanico come EN11-HSM1AF15 da 20 PPR di TT Electronics. Questo encoder fa parte della serie EN11 che offre una risoluzione angolare di 15 o 20 PPR, diverse lunghezze di alberi e boccole, interruttori opzionali e configurazioni di fermo. Funziona con un'alimentazione a 5 V, costa circa un decimo del prezzo degli encoder ottici e ha una durata di rotazione di 30.000 cicli.

Conclusione

Gli encoder rotativi rispondono all'esigenza di rilevare e digitalizzare in modo rapido ed efficiente la rotazione angolare di un controllo del pannello utente, di un braccio robotico o di un albero motore rotante. Gli encoder incrementali o assoluti rappresentano un'interfaccia necessaria con i microprocessori o i microcontroller per il rilevamento e il controllo dei componenti dei sistemi elettromeccanici.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Art Pini

Arthur (Art) Pini è un autore che contribuisce ai contenuti di Digi-Key Electronics. Art ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso il City College di New York e un master in ingegneria elettrotecnica presso la City University di New York. Ha oltre 50 anni di esperienza nell'elettronica e ha lavorato in ruoli chiave di ingegneria e marketing presso Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek e Nicolet Scientific. È interessato nella tecnologia di misurazione e ha una vasta esperienza con oscilloscopi, analizzatori di spettro, generatori di forme d'onda arbitrarie, digitalizzatori e contatori.

Informazioni su questo editore

Editori nordamericani di Digi-Key