Opzioni per un encoder rotativo: assoluto o incrementale?

Di Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control presso CUI Inc.

L'encoder rotativo è una soluzione collaudata e diffusa per misurare la velocità, la direzione di movimento o la posizione di un albero rotante. Sono disponibili diversi tipi, i due principali sono l'encoder assoluto e l'encoder incrementale. Come funzionano? Quali sono le differenze? E come scegliere il tipo giusto per una data applicazione?

Principi di funzionamento dell'encoder

Come suggerisce il nome, un encoder assoluto emette direttamente la posizione esatta dell'albero che sta misurando. Ogni punto di rotazione ha un valore di posizione univoco, o parola dati, che è codificato su un disco che ruota con l'albero. Il numero di codici univoci sul disco determina la precisione (risoluzione) con cui può essere espressa la posizione. L'encoder, non appena viene acceso, legge il codice tramite un sensore ottico capacitivo o magnetico e genera un'uscita valida. Non occorre stabilire un riferimento o ruotare l'albero, perché il sensore possa determinare la posizione. Inoltre può tenere traccia della posizione anche in caso di interruzione temporanea della corrente.

Lo schema del disco dell'encoder assoluto presenta un codice univoco per ogni posizione

Figura 1: Il disco dell'encoder assoluto presenta un codice univoco per ogni posizione, pertanto l'uscita è valida da subito. Il numero di codici determina la risoluzione dell'encoder. (Immagine per gentile concessione di CUI Inc.)

La risoluzione dell'encoder è espressa in bit che corrispondono al numero di parole dati univoche per una rivoluzione. Gli encoder assoluti sono disponibili nella versione monogiro e multigiro. La versione monogiro fornisce i dati sulla posizione su una rivoluzione completa di 360° e questa lettura si ripete per ogni rivoluzione dell'albero. La versione multigiro ha un contatore di giri che consente all'encoder di inviare non solo la posizione dell'albero ma anche il numero di rivoluzioni.

Gli encoder incrementali, invece, operano generando impulsi mentre l'albero ruota. L'uscita è solitamente composta da due onde quadre fuori fase di 90° e per tracciare o contare questi impulsi servono circuiti aggiuntivi.

Immagine di un encoder incrementale che genera forme d'onda impulsive

Figura 2: Un encoder incrementale genera forme d'onda impulsive fuori fase di 90°. (Immagine per gentile concessione di CUI Inc.)

La risoluzione di un encoder incrementale è espressa come numero di impulsi per rivoluzione (PPR), che equivale al numero di impulsi alti generati da una delle uscite a onda quadra. Per maggiori informazioni sull'argomento, leggere il blog di CUI sui PPR.

Esaminando la Figura 2, si può vedere che ci sono solo quattro stati di uscita distinti e ripetuti. Per questo motivo, per fornire informazioni di posizionamento significative un encoder incrementale deve referenziare una posizione fissa nota. Questa posizione fissa è l'impulso di indicizzazione dell'encoder. La posizione assoluta dell'albero viene quindi calcolata rilevando la variazione incrementale relativa della rotazione rispetto all'impulso di indicizzazione. Questo processo di referenziazione è necessario ogni volta che si accende l'encoder o dopo una temporanea perdita di alimentazione, quindi prima di poter conoscere la posizione occorre ruotare l'albero. Questo processo è più lento di quello di un encoder assoluto che non richiede alcuna rotazione iniziale per trasmettere la posizione.

Assoluto e incrementale: criteri di selezione

Gli encoder assoluti sono più complessi dei tipi incrementali e quindi, in genere, sono più costosi. Anche se la differenza di prezzo sta sparendo, per il semplice monitoraggio della velocità, della direzione o della posizione relativa in genere si preferisce ricorrere a un encoder incrementale. D'altro canto, in alcune situazioni è preferibile un encoder assoluto.

Un importante punto di forza dell'encoder assoluto è la capacità di conservare la posizione dell'albero, per cui i dati della posizione sono disponibili da subito, senza attendere il ritorno alla posizione iniziale o il completamento di una sequenza di calibrazione. Questo consente al sistema di avviarsi più rapidamente o di riprendersi da un'interruzione di alimentazione, anche se la posizione dell'albero è cambiata mentre l'encoder è rimasto spento.

Un'altra ragione per scegliere un encoder assoluto è quando le informazioni sulla posizione servono subito all'avvio, prima dell'attivazione o del movimento di qualsiasi meccanismo. Ad esempio, un albero potrebbe ruotare nella direzione sbagliata rispetto alla posizione iniziale e questo potrebbe danneggiare l'apparecchiatura o rappresentare un pericolo per l'utente.

Inoltre, poiché un encoder assoluto fornisce la posizione reale in tempo reale, un sistema digitale può eseguire il polling dell'encoder tramite un bus di comunicazione centrale per acquisire la posizione con una latenza minima. Tracciare in modo continuo la posizione con un encoder incrementale è più difficile perché di solito è richiesto un circuito esterno per tracciare tutti gli impulsi usando la decodifica in quadratura. Questo sovraccarica il sistema host, specialmente nei casi in cui si devono monitorare più encoder.

Immagine di encoder assoluti che generano una "parola" digitale univoca per ogni posizione della ruota dei codici

Figura 3: Encoder assoluti che generano una "parola" digitale univoca, equivalente alla risoluzione dichiarata, per ogni posizione della ruota dei codici. (Immagine per gentile concessione di CUI Inc.)

Un ulteriore vantaggio è che l'utilizzo di un encoder assoluto contribuisce a ridurre la suscettività del sistema al rumore elettrico. A differenza degli encoder incrementali di conteggio degli impulsi, gli encoder assoluti consentono al sistema di leggere un codice - di cui vengono controllati eventuali errori - da un'uscita binaria, o digitalmente su un bus seriale, per calcolare la posizione.

Inoltre, combinare più di un encoder assoluto nello stesso sistema è più semplice rispetto agli encoder incrementali. Ne sono esempi tipici l'automazione di fabbrica o i robot multiasse. Il monitoraggio delle uscite di più encoder incrementali può diventare complesso e richiedere una potenza di elaborazione significativa, mentre le letture dei singoli encoder assoluti sono più facili da interpretare, specie quando possono essere collegati a un bus di comunicazione centrale.

Opportunità per gli encoder assoluti

A questo punto le differenze principali tra encoder assoluti e incrementali dovrebbero essere chiare. Vediamo alcune aree di applicazione in cui vengono in genere utilizzati gli encoder assoluti.

Tra queste, la robotica è un'area in rapida espansione che sta entrando in numerosi settori, dall'assistenza sanitaria - come la chirurgia a distanza che fa affidamento su grandi quantità di informazioni posizionali precise per monitorare e controllare i bracci dei robot chirurgici - a casi di uso industriale come l'assemblaggio, la saldatura, la verniciatura a spruzzo automatizzati e altri ancora. Guardando al futuro, le possibilità per i robot domotici sono particolarmente interessanti perché questi apparecchi trarranno vantaggio dalla velocità e facilità d'uso fornite dagli encoder assoluti.

Dato che le aziende continuano a perseguire la trasformazione digitale e che il divario di prezzo tra gli encoder incrementali e quelli assoluti si sta riducendo, le possibilità di applicazione per gli encoder assoluti sono quasi infinite. Anche i mercati consumer offrono numerose opportunità. Gli encoder assoluti rappresentano un'opzione ad alte prestazioni e sempre meno costosa per i progettisti di apparecchiature, per controllare sia meccanismi come cancelli automatici, giunti cardanici di telecamere, controlli HVAC intelligenti, automazione di fabbrica e sottosistemi motorizzati all'interno dei veicoli.

La scelta dell'ingegnere per la retroazione di posizione

Le differenze in termini di prestazioni, prezzo ed esperienza utente tra encoder assoluti ed encoder incrementali impongono di scegliere il tipo giusto per la progettazione di qualsiasi prodotto nuovo. Con la riduzione del divario di prezzo e l'evoluzione continua delle tecnologie, i vantaggi offerti dagli encoder assoluti rispetto ai tipi incrementali potrebbero farne la prima scelta del progettista per la retroazione di posizione in un numero crescente di settori.

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Jeff Smoot, VP of Apps Engineering and Motion Control presso CUI Inc.

Articolo di Jeff Smoot di CUI Inc.