Encoder — Sensori dell'angolo di rotazione

Il posizionamento in vari tipi di apparecchiature industriali viene fornito utilizzando dispositivi dall'aspetto semplice: encoder (o in altre parole, sensori angolari).

Gli encoder vengono utilizzati per convertire il movimento lineare o rotatorio in un segnale digitale binario. Un encoder è un dispositivo il cui albero è collegato all'albero rotante dell'oggetto in studio e fornisce il controllo elettronico dell'angolo di rotazione di quest'ultimo. Secondo il principio di funzionamento, gli encoder sono divisi in ottici e magnetici.

Sull'albero dell'encoder ottico è presente un disco con finestre intermittenti lungo il perimetro, contro il quale sono presenti un LED e un fototransistor, che assicurano la formazione di un segnale di uscita sotto forma treni di impulsi rettangolari con una frequenza proporzionale sia al numero di finestre che alla velocità di rotazione del disco/albero. Il numero di impulsi indica l'angolo di rotazione.

Gli encoder ottici sono disponibili come encoder incrementali e assoluti.

Gli encoder incrementali hanno un disco intermittente con molte finestre della stessa dimensione del raggio base e due letture optoaccoppiatori, che consente di fissare sia l'angolo di rotazione che il senso di rotazione dell'albero.Sul raggio extra del disco è presente un'unica finestra di interruzione e un corrispondente fotoaccoppiatore che definisce la posizione di partenza (home).

Coppia negativa - Gli encoder incrementali forniscono una lettura relativa dell'angolo di rotazione, le cui informazioni non vengono salvate quando la rotazione viene interrotta. I loro vantaggi includono la semplicità del design (e, di conseguenza, il basso costo) ad alta risoluzione e alta frequenza operativa.

Gli encoder incrementali con maggiore durata sono focalizzati sulle applicazioni industriali - nell'ingegneria meccanica, nei laminatoi, nella costruzione navale, nel tessile, nelle calzature, nella lavorazione del legno. Per tali encoder, i parametri decisivi sono la risoluzione dell'angolo di rotazione, la capacità di lavorare ad alte frequenze, un alto grado di protezione per resistere alle condizioni dell'ambiente difficile.

Un disco con linee o tacche che interrompono il raggio luminoso verso il sensore ottico. Un circuito elettronico rileva l'interruzione del raggio e genera impulsi di uscita digitali dall'encoder.

Disco di codifica: un dispositivo per convertire gli spostamenti angolari dell'albero in forma digitale. Un'immagine geometrica di un codice digitale viene applicata al disco di codifica. I simboli dei bit di codice vengono applicati su una traccia concentrica e i bit meno significativi (meno significativi) si trovano più vicino alla periferia.

A seconda del metodo di lettura del codice (contatto, fotoelettrico, elettromagnetico, induttivo, elettrostatico, ecc.), l'immagine geometrica del codice è costituita da elettricamente conduttivo ed elettricamente isolato, trasparente e opaco, magnetico e non magnetico, ecc.

I più diffusi erano la codifica dei dischi con varietà di codice binario, che escludono il verificarsi di errori quando si attraversano i confini di sezioni discrete separate, quando alcuni bit possono essere letti su un lato del confine e altri sull'altro (a causa di un'installazione imprecisa di dispositivi rimovibili oa causa di un codice di lettura non simultaneo durante la rotazione del disco. Questi codici includono il cosiddetto codice Fau (codice Barker) e il codice Reflex (codice Grey).

Alcuni encoder rotativi ottici utilizzano un disco encoder riflettente. Questo disco ha sezioni alternate che assorbono o riflettono la luce e la sorgente luminosa insieme al ricevitore si trovano su un lato del disco. Se c'è solo una sorgente luminosa e un ricevitore, la sequenza di impulsi dal sensore consente di scoprire di quanti passi ha ruotato il disco rispetto alla sua posizione precedente.

Un sensore non può indicare la direzione di rotazione, ma se si aggiunge una seconda coppia sorgente-ricevitore, sfasata di 90 rispetto alla prima, il microcontrollore sarà in grado di determinare la direzione di rotazione del disco in base alla differenza di fase tra il polso si allena.

Va ricordato che qualsiasi sistema che rileva la rotazione relativa del disco ma non può misurarne la posizione angolare assoluta è un encoder incrementale.

Un encoder assoluto ha un disco discontinuo con finestre concentriche di diverso raggio le cui dimensioni relative sono determinate dal codice binario e che vengono lette simultaneamente, fornendo un segnale di uscita codificato per ogni posizione angolare (codice Gray, codice binario...).

In questo caso è possibile ottenere dati sulla posizione istantanea dell'albero senza contatore digitale o tornare alla posizione iniziale, poiché l'uscita ha una parola codificata — «n bit», protetta da disturbi elettrici.

Gli encoder assoluti vengono utilizzati in applicazioni che richiedono l'archiviazione dei dati di input per lungo tempo, ma sono più complessi nel design e più costosi.

Gli encoder assoluti con interfaccia bus di campo dispongono di un'interfaccia di uscita per la comunicazione bus di campo secondo gli standard CANopen, ProfiBus, DeviceNet, Ethernet, InterBus e utilizzano un codice binario per determinare l'angolo di rotazione. Le suddette interfacce di comunicazione sono programmabili secondo una serie di parametri: ad es. senso di rotazione, risoluzione degli impulsi per giro, baud rate.

Gli encoder montati sull'albero motore forniscono in modo efficace un controllo preciso del posizionamento. Tali encoder sono solitamente prodotti nella versione «a foro» e particolari accoppiamenti sono elementi importanti della loro progettazione, che consentono di compensare il gioco dell'albero motore.

Il posizionamento nelle condizioni di cui sopra fornisce in modo più efficace un encoder magnetico, in cui la conversione dello spostamento angolare dell'albero in un segnale elettronico viene eseguita senza contatto in base all'effetto Hall, non è correlata alla rotazione del chopper ottico all'interno sensore e consente l'elaborazione del segnale con velocità fino a 60.000 giri/min.

In un codificatore magnetico, la rotazione ad alta velocità di un albero esterno, su cui è fissato un magnete cilindrico permanente, viene rilevata da un sensore Hall combinato su un singolo cristallo semiconduttore con un controller di elaborazione del segnale.

Quando i poli del magnete permanente ruotano sul microcircuito con Sensore Hall il vettore di induzione magnetica variabile induce la tensione di Hall, che contiene informazioni sul valore istantaneo dell'angolo di rotazione dell'albero. Il microcontrollore fornisce una rapida conversione della tensione di Hall nel parametro dell'angolo di posizionamento.

La possibilità di tale conversione senza collegamento meccanico diretto del magnete e degli elementi del sensore Hall è il principale vantaggio degli encoder magnetici, fornisce loro un'elevata affidabilità e durata e consente loro di lavorare in modo efficiente in applicazioni ad alta velocità relative all'automazione industriale, alla stampa, alla lavorazione dei metalli , misurazione e strumenti di misurazione.