Gli encoder sono i dispositivi di retroazione più ampiamente applicabili per servosistemi industriali ad alta precisione. Apprendi i principi di funzionamento e le applicazioni appropriate per gli encoder lineari, rotanti e sinusoidali, oltre a come mitigare il rumore EMI/RFI per il controllo del servosistema più preciso e affidabile.
Encoder: la scelta di retroazione ad alta risoluzione
Gli encoder sono caratterizzati da tre categorie di base: rotanti o lineari; incrementali o assoluti; e se il segnale è generato da mezzi ottici, magnetici o di contatto. Gli encoder non a contatto sono più comuni dei dispositivi a contatto, e in questa categoria ci concentreremo sugli encoder ottici, che sono più comuni e precisi rispetto a quelli magnetici.
Quando gli encoder ottici sono apparsi per la prima volta, sono stati lodati per la loro capacità di offrire alta accuratezza in applicazioni sia a bassa che ad alta velocità. Tuttavia, le versioni iniziali erano a volte considerate inaffidabili. Gran parte del problema era semplicemente dovuta a un'applicazione errata: se installate su attrezzature industriali pesanti, le vibrazioni e la temperatura a volte danneggiavano l'elettronica fragile e i dischi di codifica in vetro.
Le versioni odierne sono più robuste, con elettronica e ottiche meglio protette. Tuttavia, per la maggior parte i produttori consigliano ancora di selezionare encoder ottici per applicazioni industriali più leggere, dove sono esposti a temperature inferiori a 90 ºC e vibrazioni inferiori a 20 G.
Encoder lineari
Gli encoder lineari contengono una pista lineare e una testina di lettura, e sono solitamente utilizzati con sistemi che tracciano il movimento lineare, come le fasi X-Y e le tabelle di posizione. La pista lineare può variare in lunghezza da pochi centimetri a diversi metri. È incisa con graduazioni che vengono scansionate dalla testina di lettura mentre i componenti di motion si muovono. La testina di lettura rileva più canali per fornire dati sulla posizione e sulla direzione. Gli encoder con uscite sinusoidali utilizzano circuiti di interpolazione aggiuntivi per migliorare elettronicamente la risoluzione.
Per attrezzature che richiedono una risoluzione particolarmente elevata, gli encoder lineari sono la scelta migliore nella loro categoria. Le risoluzioni fino a 0,1 micron sono comuni, con alcuni sistemi che offrono risoluzioni fino a 20 nanometri. L'accuratezza, tipicamente 20 micron per metro, può diminuire linearmente lungo la distanza di percorrenza della pista. Tuttavia, questo può essere compensato con la correzione dell'errore di inclinazione per portare qualsiasi errore al di sotto di 5 micron per metro.
Le macchine che operano ad alte velocità utilizzano encoder lineari perché questi dispositivi di solito funzionano a velocità superiori rispetto ad altri dispositivi di retroazione. Il fattore principale che può potenzialmente limitare la velocità è se il circuito di conteggio elettronico può tenere il passo.
Encoder ottici rotanti
Gli encoder ottici rotanti sono composti da una sorgente di luce, un disco di codice rotante e un rilevatore di luce. Il disco ha delle fessure o delle graduazioni che lo dividono in aree di scuro e chiaro equidistanti. Queste marcature sono spesso chiamate linee, da cui l'unità di misura: linee per rivoluzione (LPR). Questa misura indica la risoluzione o la granularità di un encoder.
L'accuratezza per gli encoder è definita come più (+) o meno (–) un dato numero di linee o conteggi. È importante notare che l'accuratezza e la risoluzione sono attributi diversi, anche se spesso sono correlate. Con gli encoder, all'aumentare della risoluzione di conteggio, aumenta anche l'accuratezza all'interno di un numero specifico di conteggi. Questo è in contrasto con i resolver, dove l'aumento della risoluzione attraverso una maggiore interpolazione - 16 bit rispetto a 12 bit, per esempio - non aumenta l'accuratezza. In effetti, è piuttosto comune che i sistemi di resolver abbiano un'accuratezza 100 volte inferiore alla risoluzione.
Man mano che i componenti connessi di un encoder ruotano, il rilevatore di luce registra il modello on-off della luce che passa attraverso il disco. Il rilevatore converte questo schema on-off in un segnale digitale elettronico che assomiglia a onde quadre. Tipicamente, due file di fessure o marcature sono sfalsate di un mezzo della loro larghezza o di un quarto di un ciclo completo (90 gradi elettrici), generando due segnali elettrici noti come Canale A e Canale B. Questo sfalsamento consente al controllo di determinare la direzione di rotazione dell'albero: un'informazione importante per l'azionamento durante l'avvio e un'informazione essenziale per i servosistemi che forniscono motion bidirezionale.
Invece di utilizzare solo due canali, alcuni encoder utilizzano canali aggiuntivi per tracciare la posizione dell'albero o per contribuire all'immunità ai disturbi. Questi canali includono quelli che vengono definiti come canali indice e complementari. Un altro modo per monitorare la posizione dell'albero è aggiungere un canale di commutazione o equivalente Hall. Questi rappresentano l'allineamento all'EMF posteriore di fase A, fase B e fase C (note anche come U, V e W) del motore.
A seconda di come l'encoder conta i canali A e B, la risoluzione può aumentare di quattro volte. Questa capacità si verifica quando il circuito di conteggio tiene traccia dei fronti sia di discesa che di salita di entrambi i segnali, noto anche come rilevamento in quadratura. L'aumento della risoluzione aumenta la ripetibilità del sistema. L'alta risoluzione consente anche un guadagno maggiore per gli anelli di posizione e velocità, assicurando una larghezza di banda completa del sistema.
Le risoluzioni degli encoder da 50 a 5.000 linee per rivoluzione sono standard tra la maggior parte dei fornitori, ma sono disponibili conteggi di linee fino a 100.000. Nelle applicazioni ad alta precisione, la precisione del sistema è influenzata da errori provenienti da altre fonti, come l'errore cumulativo della madrevite, l'espansione termica o il backlash del dado. Gli encoder lineari possono superare queste sfide.
Encoder sinusoidali
Gli encoder sinusoidali si trovano all'estremità alta della gamma dei dispositivi di retroazione, con costi elevati, alta accuratezza e alta precisione. Sono simili agli encoder incrementali, tranne per il fatto che i canali dati A e B vengono tipicamente inviati al controller come onde sinusoidali di un volt picco-picco invece di onde quadre.
Il vantaggio è che questi dispositivi possono interpolare ogni onda sinusoidale completa, aumentando la risoluzione del sistema e fornendo più informazioni al controller di velocità. Questo riduce gli errori di troncamento e quantizzazione, consentendo guadagni di anello più elevati.
Gli encoder sinusoidali possono raggiungere oltre 2 milioni di conteggi per rivoluzione, ovvero circa 0,62 arcosecondi di risoluzione. Tale capacità è ben adatta ad applicazioni che richiedono alta precisione o hanno carichi ad alta inerzia.
Come altri encoder, gli encoder sinusoidali possono avere anche tracce di commutazione, tracce di emulazione Hall o canali sinusoidali ausiliari chiamati C e D, che forniscono la posizione assoluta all'interno di una rivoluzione. I canali C e D sono simili ai segnali seno e coseno utilizzati nei resolver.
Una variazione degli encoder sinusoidali è l'encoder sinusoidale multigiro. Le versioni multigiro sono implementate utilizzando una trasmissione meccanica interna, un sensore Wiegand o un meccanismo di backup a batteria. Questo fornisce una posizione assoluta su molte rivoluzioni del dispositivo. Questi encoder possono fornire fino a 8192 passi per rivoluzione e fino a 8192 rivoluzioni dell'albero, fornendo un totale di 26 bit di risoluzione assoluta prima dell'interpolazione.
Gli encoder sinusoidali offrono alta precisione, risoluzione e accuratezza per applicazioni che vanno dalla registrazione ad alta velocità al rivestimento di film e controllo della rete. Gli encoder sinusoidali si adattano anche alle operazioni a bassa velocità dove una rotazione fluida è fondamentale. Aiutano i sistemi di motion a raggiungere alti guadagni, rigidità e accuratezza di posizione di livello superiore nei tavoli rotanti, nelle macchine di assemblaggio a indicizzazione e negli azionamenti rotanti.
Silenziare il rumore
I dispositivi di retroazione possono emettere segnali elettrici o ottici. Un vantaggio dell'utilizzo di linee di trasmissione ottica per i segnali di retroazione è che sono immuni ad ambienti ad alta rumorosità o interferenze elettromagnetiche/interferenze a radiofrequenza (EMI/RFI) che potrebbero altrimenti interferire con segnali puliti e distorcere i dati inviati all'azionamento, compromettendone la capacità di fornire un controllo di alta qualità su posizione, velocità e coppia.
Quando si inviano segnali elettricamente, potrebbero essere necessari amplificatori o dispositivi di condizionamento del segnale per modificare segnali rumorosi. I dispositivi di retroazione più recenti utilizzano circuiti integrati per convertire e interpolare i segnali in forme d'onda più robuste che non vengono danneggiate dal rumore e che non diminuiscono mentre si propagano attraverso il cavo fino all'azionamento.
Ulteriori informazioni
Assicurati di leggere tutti e tre i nostri post sul blog Dispositivi di retroazione sui criteri di selezione di alto livello, sui sensori a effetto Hall e sui resolver, oltre agli encoder lineari, rotativi e sinusoidali che abbiamo trattato qui per acquisire familiarità con questo argomento cruciale del motion. Contatta un ingegnere Kollmorgen per discutere della tua applicazione specifica e ricevere informazioni sulla migliore tecnologia servo-loop adatta alle tue esigenze.
