Per il controllo del movimento di precisione, un encoder è un componente essenziale che traduce il movimento meccanico in segnali elettrici. Utilizzati in molte applicazioni (apparecchiature di automazione, controllo dei processi industriali, robotica, ecc.), gli encoder forniscono dati su posizione, velocità, distanza e direzione. Sul mercato sono disponibili tre principali tecnologie di encoder: magnetica, ottica e capacitiva. Questo articolo descrive i principi di funzionamento di ciascuna tecnologia ed evidenzia alcuni vantaggi intrinseci della tecnologia capacitiva.
Caratteristiche delle tecnologie di encoder primarie
Encoder magnetici
L'encoder magnetico, costituito da un disco magnetizzato rotante con poli alternati e da un sensore ad effetto Hall o magnetoresistivo, rileva le variazioni nei campi di flusso magnetico. L'encoder magnetico è robusto, resiste bene agli urti e alle vibrazioni e non è influenzato dall'ingresso di olio, sporcizia e umidità. Per contro, è suscettibile alle interferenze magnetiche causate dai motori elettrici e ha una gamma di temperatura di esercizio limitata. Sebbene siano stati molto migliorati, gli encoder magnetici offrono generalmente una risoluzione e una precisione inferiori rispetto agli encoder ottici e capacitivi.
Encoder ottici
Rispetto a un encoder magnetico, un encoder ottico offre una risoluzione più elevata e una maggiore precisione. L'encoder ottico è costituito da una sorgente luminosa a LED (normalmente a infrarossi) e da fotorilevatori situati sui lati opposti del disco dell'encoder, in vetro o plastica. Il disco dell'encoder contiene una serie di linee o slot trasparenti e opachi alternati. Quando il disco gira, il passaggio di luce on/off attraverso queste finestre fornisce i tipici impulsi in quadratura A e B ad onda quadra. Sebbene gli encoder ottici abbiano dominato il mercato del controllo del movimento per decenni, questi dispositivi presentano anche svantaggi intrinseci. Poiché sono basati su una "linea di vista", gli encoder ottici sono particolarmente sensibili a polvere, sporco e olio. I dischi ottici sono solitamente costruiti utilizzando vetro o plastica, per questo tendono a subire danni dovuti a vibrazioni e temperature estreme e sono soggetti a contaminazione durante il processo di assemblaggio su motore. Inoltre, quando è in funzione, l'encoder ottico consuma corrente fino a 100 mA e la sua durata è limitata dal LED.
Codificatori capacitivi
Un codificatore capacitivo è composto da tre componenti principali: un rotore, un trasmettitore fisso e un ricevitore fisso. Il rotore contiene uno schema sinusoidale. Mentre ruota, il segnale di riferimento ad alta frequenza del trasmettitore viene modulato in modo prevedibile. Il codificatore rileva le variazioni di capacità-reattanza sulla scheda del ricevitore e le traduce in incrementi di movimento rotatorio utilizzando un algoritmo di demodulazione.
Dischi di encoder capacitivi, ottici e magnetici a confronto
Vantaggi degli encoder capacitivi
Derivati dagli stessi principi utilizzati per i calibri digitali, gli encoder capacitivi vantano ottimi precedenti da quando CUI Devices ha lanciato gli encoder di prima generazione, nel 2006. La serie AMT si è dimostrata estremamente affidabile e precisa, risolvendo molti problemi applicativi riscontrati nelle tecnologie ottiche e magnetiche. Un encoder capacitivo è più robusto di un encoder ottico perché tollera vari contaminanti ambientali come polvere, sporco e olio. Gli encoder capacitivi, inoltre, resistono molto meglio a vibrazioni e temperature estreme. Poiché non integrano LED, hanno una durata maggiore, un ingombro ridotto e un consumo di corrente inferiore (da 6 a 18 mA) rispetto a un encoder ottico. Immuni alle interferenze magnetiche e al rumore elettrico, sono resistenti quanto un encoder magnetico, ma assicurano una maggiore precisione e una risoluzione più elevata.
Poiché sono digitali, gli encoder capacitivi offrono anche una maggiore flessibilità, consentendo agli utenti di modificare la risoluzione. Con altre tecnologie, la risoluzione è determinata dal disco dell'encoder. Ciò significa che un encoder ottico o magnetico deve essere sostituito ogni volta che è necessaria una risoluzione diversa. Le risoluzioni programmabili disponibili con gli encoder capacitivi, oltre ad essere utili per l'ottimizzazione del sistema, in particolare quando si progetta il circuito di controllo PID, possono ridurre le attività di gestione dell'inventario perché un modello può essere utilizzato per più applicazioni. La tecnologia capacitiva consente inoltre di impostare digitalmente l'impulso di riferimento e l'allineamento dell'encoder per la commutazione BLDC, mentre le funzionalità diagnostiche integrate permettono ai progettisti di accedere a dati di sistema preziosi per una rapida risoluzione dei problemi sul campo.
Tecnologie di encoder a confronto. Vantaggi e svantaggi
Decidere tra pro e contro
Indipendentemente dai requisiti di sistema, un encoder capacitivo è un'alternativa versatile, economica e affidabile alle tecnologie di rilevamento ottico o magnetico. Gli encoder capacitivi, oltre a offrire prestazioni migliori in termini di precisione e affidabilità, praticamente con qualsiasi condizione ambientale, grazie alla tecnologia digitale assicurano programmabilità e funzionalità diagnostiche avanzate, pur rimanendo compatibili con le funzionalità degli encoder tradizionali.