Valutare i pro e i contro delle tecnologie degli encoder

Gli encoder rotativi sono componenti chiave nel ciclo di retroazione per il controllo del movimento di molte applicazioni, tra cui apparecchiature di automazione industriale e controllo di processo, robotica, dispositivi medici, energia, aerospaziale e altre. In quanto dispositivi che traducono il movimento meccanico in segnali elettrici, gli encoder forniscono agli ingegneri dati essenziali, come la posizione, la velocità, la distanza e la direzione, che possono essere utilizzati per ottimizzare le prestazioni del sistema complessivo.

Ottica, magnetica e capacitiva rappresentano le tre principali tecnologie degli encoder a disposizione di un ingegnere, ma decidere quale tecnologia sia la più adatta all'applicazione finale richiede diverse considerazioni. Per aiutare in questo processo di selezione, questo articolo fornirà una panoramica delle tecnologie degli encoder ottici, magnetici e capacitivi, delineando al contempo i pro e i contro di ciascuna.

Panoramica sulla tecnologia degli encoder

Encoder ottici

Per molti anni gli encoder ottici sono stati la scelta preferita dal mercato del controllo del movimento. Sono costituiti da una sorgente luminosa a LED (tipicamente a infrarossi) e da fotorilevatori posti sui lati opposti di un disco encoder. Questo disco in plastica o vetro contiene una serie di linee o fessure trasparenti e opache alternate. Durante la rotazione del disco, il percorso della luce viene interrotto dalle linee o dalle fessure alternate sul disco, che a loro volta producono i tipici impulsi a onda quadra A e B in quadratura, utilizzati per determinare la rotazione e la velocità dell'albero.

Figura 1: Tipici impulsi di quadratura A e B di un encoder ottico, incluso un impulso di indicizzazione (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Anche se ampiamente utilizzati, gli encoder ottici hanno diversi inconvenienti. In ambienti polverosi e sporchi, come molte applicazioni industriali, i contaminanti possono accumularsi sul disco e impedire il passaggio della luce LED al sensore ottico. Questo inficia l'affidabilità e la precisione degli encoder ottici, poiché il disco contaminato può causare impulsi in quadratura sporadici o del tutto assenti. Anche i LED hanno una durata limitata e prima o poi si esauriranno, causando il guasto dell'encoder. Inoltre, il disco in vetro o plastica è soggetto a danni dovuti a vibrazioni o temperature estreme, che ne limitano il raggio d'azione utile nelle applicazioni più difficili; il suo montaggio sui motori può richiedere molto tempo ed è passibile di un aumentato rischio di contaminazione. Infine, a risoluzioni più elevate gli encoder ottici possono consumare fino a 100 mA di corrente, con un ulteriore impatto sulla loro utilità in dispositivi mobili o alimentati a batteria.

Encoder magnetici

Strutturalmente simili agli encoder ottici, gli encoder magnetici utilizzano un campo magnetico invece di un fascio di luce. Al posto della rotellina ottica scanalata, gli encoder magnetici hanno un disco magnetizzato con poli alternati che ruota su una serie di sensori a effetto Hall o 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. Gli encoder magnetici hanno il vantaggio di essere molto più durevoli e resistenti agli urti e alle vibrazioni rispetto agli encoder ottici. Se gli encoder ottici vengono meno di fronte ai contaminanti come polvere, sporcizia e olio, gli encoder magnetici non ne sono influenzati, il che li rende adatti agli ambienti difficili.

Tuttavia, gli encoder magnetici sono fortemente interessati dalle interferenze magnetiche causate dai motori elettrici, in particolare dai motori passo-passo, e soffrono della deriva di posizione causata dalle variazioni di temperatura. Inoltre, sono meno indicati delle alternative ottiche e capacitive perché hanno una risoluzione e una precisione relativamente più basse.

Encoder capacitivi

Le tre componenti principali di un encoder capacitivo sono un rotore, un trasmettitore fisso e un ricevitore fisso. 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. Il movimento del rotore e il suo andamento sinusoidale fissato all'albero del motore producono un segnale unico ma prevedibile che viene interpretato dall'ASIC integrato nell'encoder per calcolare la posizione dell'albero e la direzione di rotazione .

Figura 2: Un confronto tra i dischi degli encoder (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Vantaggi di un encoder capacitivo

Gli encoder capacitivi sono stati adattati in base agli stessi principi utilizzati per sviluppare il calibro digitale Vernier, portando a una soluzione che supera molti dei difetti degli encoder ottici e magnetici. La serie di encoder AMT di Same Sky implementa questa tecnologia su base capacitiva che ha dimostrato un'elevata affidabilità e precisione. Senza bisogno di LED o di una linea di vista, gli encoder capacitivi funzionano come previsto anche in presenza di contaminanti ambientali come polvere, sporcizia e olio che invece inficiano gli encoder ottici. Sono anche meno sensibili alle vibrazioni rispetto al disco in vetro di un encoder ottico, così come alle temperature estreme, alte o basse che siano. Come già detto, senza i LED che possono bruciare, gli encoder capacitivi hanno una durata maggiore rispetto alle controparti ottiche. Questo si traduce in un contenitori di dimensioni più compatte e in un consumo di corrente inferiore, da 6 a 18 mA, nell'intero intervallo di risoluzione, fatto che li rende più adatti per le applicazioni alimentate a batteria. Le interferenze magnetiche e il rumore elettrico che danno problemi agli encoder magnetici sono meno problematici per gli encoder capacitivi, che risultano più robusti rispetto agli encoder magnetici, oltre ad avere una maggiore precisione e un'alta risoluzione.

Flessibilità e programmabilità sono altri vantaggi chiave offerti dalla natura digitale degli encoder capacitivi. Poiché la risoluzione di un encoder ottico o magnetico è determinata dal disco dell'encoder, si deve utilizzare un nuovo encoder ogni volta che è richiesta una risoluzione diversa. Questo può far lievitare i tempi e i costi durante la progettazione e la produzione. Con una gamma di risoluzioni programmabili, gli encoder capacitivi eliminano al progettista la necessità di sostituire l'encoder ogni volta che è richiesta una nuova risoluzione, riducendo le scorte a magazzino e semplificando la messa a punto di un anello di controllo PID e l'ottimizzazione del sistema. In fatto di commutazione BLDC, gli encoder capacitivi offrono allineamento digitale e l'impostazione di un impulso di indicizzazione, un compito ripetitivo e dispendioso in termini di tempo per gli encoder ottici. Le capacità diagnostiche incorporate offrono ai progettisti un ulteriore accesso ai dati di sistema utilizzati per l'ottimizzazione o la risoluzione dei problemi sul campo.

Figura 3: Confronto tra gli indicatori di prestazioni chiave delle tecnologie capacitiva, ottica e magnetica (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Soppesare tutte le opzioni

Temperatura, vibrazioni e contaminanti ambientali sono fattori importanti per un encoder in molte applicazioni di controllo del movimento. Gli encoder capacitivi hanno dimostrato di poter superare queste sfide, fornendo ai progettisti una soluzione affidabile, precisa e flessibile rispetto alla tecnologia ottica o magnetica. La natura digitale degli encoder capacitivi li rende adatti all'epoca moderna delle applicazioni per Internet delle cose (IoT) e IoT industriale (IIoT), con l'aggiunta di programmabilità e di capacità diagnostiche.