Encoder assoluti

• Che cos'è un encoder assoluto?
• Programmazione del segnale degli encoder assoluti
• Encoder a effetto Hall
• Sensori di Hall a gradiente
• Risoluzione
• Velocità di aggiornamento e frequenza di campionamento
• Accuratezza - Linearità assoluta
• Encoder assoluto monogiro e multigiro

Gli encoder assoluti offrono un'ampia gamma di opzioni per la visualizzazione dei valori angolari misurati come funzione di segnale elettrico in uscita. L'elettronica di molti encoder è programmabile e consente di personalizzare le forme d'onda in uscita. L'esempio seguente mostra la programmazione standard di fabbrica di un encoder assoluto analogico:
L'encoder è programmato in senso orario con un segnale di uscita di 0...10 V (quando l'albero ruota in senso orario) e misura un angolo di 0...360°.
Quando è a 0°, emette 0 V. Quando l'albero ruota di 90° in senso orario, fornisce un valore di 90°/360° * 10 V = 2,5 V. Questo valore rimane costante finché l'albero dell'encoder non viene spostato. La figura dell'esempio 1 mostra la curva del segnale di un encoder assoluto di questo tipo.

Il termine "fondo scala" viene spesso utilizzato con l'abbreviazione "F.S." per indicare l'intera scala di uscita del segnale. Nell'esempio precedente, F.S. = 10 V. Senza conoscere la tensione massima, la programmazione può essere effettuata anche utilizzando valori percentuali. Ad esempio, 0° corrisponde a 0% F.S. (0% del valore massimo, cioè 0 V) e 360° corrisponde a 100% F.S. (100% del valore massimo, cioè 10 V). In questo modo, la funzione di uscita di un segnale può essere descritta con precisione senza l'uso di un grafico:

0° = 0% F.S.
90° = 100% F.S.
180° = 100% F.S.
270° = 0% F.S.
360° = 0% F.S.

L'effetto Hall è un fenomeno per cui si genera una tensione elettrica in un conduttore portatore di corrente (elemento di Hall) quando questo si trova in un campo magnetico esterno.
L'effetto è mostrato nel diagramma a fianco e può essere spiegato come segue: Quando la corrente scorre attraverso un conduttore elettrico, i portatori di carica (elettroni) si muovono attraverso il conduttore. Se viene applicato un campo magnetico supplementare, ad esempio da un magnete esterno, i portatori di carica vengono deviati perpendicolarmente alla direzione della corrente. Questa forza è chiamata forza di Lorentz: Essa devia i portatori di carica quando si muovono e quando viene applicato un campo magnetico esterno. Gli elettroni si accumulano ora ai bordi del conduttore. La separazione delle cariche crea una tensione aggiuntiva perpendicolare alla direzione della corrente, chiamata tensione di Hall.

In linea di principio, i campi magnetici esterni possono interferire con la tecnologia Hall se non si prendono precauzioni. Oggi si utilizzano i cosiddetti sensori di Hall a gradiente, che sono in gran parte insensibili a tali interferenze.
Il principio di questa particolare variante consiste nel posizionare due o più sensori di Hall uno vicino all'altro. Il magnete di misura, molto vicino a questi due sensori, crea una differenza nei segnali dei due sensori perché la curvatura del campo è relativamente forte. Tuttavia, un campo esterno di disturbo, che di solito ha una leggera curvatura, viene "visto" da entrambi i sensori allo stesso modo. Se si valuta solo la differenza tra i due sensori (il gradiente), si percepisce praticamente solo il magnete di misura e il sistema di misura è quindi molto robusto ai campi di interferenza esterni.

Poiché molti encoder Hall sono dotati di circuiti integrati digitali (IC) che inviano sempre i loro segnali con un certo ritardo, nell'applicazione si deve tenere conto della velocità di aggiornamento in millisecondi. La velocità di aggiornamento è il tempo che intercorre tra l'acquisizione del valore misurato e l'emissione del segnale nell'encoder angolare. Di solito è compresa tra 96 µs e 600 µs per gli encoder magnetici con elaborazione digitale del segnale, ma può arrivare a 3 ms per alcuni encoder multigiro.

L'aumento della frequenza di aggiornamento comporta un maggiore consumo di corrente dell'encoder angolare. Alcuni encoder angolari possono essere ordinati anche con una frequenza di aggiornamento ridotta, ad esempio 600 µs invece di 200 µs, per ridurre il consumo energetico. Questi encoder angolari sono quindi particolarmente adatti all'uso in applicazioni alimentate a batteria con un basso consumo energetico.
Se è richiesta una diversa frequenza di aggiornamento dell'encoder angolare, questa deve essere ordinata franco fabbrica. Questa caratteristica non può essere modificata sul campo. La frequenza di aggiornamento non deve essere confusa con la frequenza di campionamento.

Il calcolo della possibile deviazione angolare di un encoder è complesso e dipende da molti fattori, come le influenze ambientali (temperatura), i fattori meccanici (gioco dei cuscinetti), le tolleranze dei componenti elettronici, ecc. Per determinare l'errore angolare di un encoder assoluto in modo affidabile e rapido, si è rivelato pratico un calcolo basato sulla linearità assoluta. La linearità assoluta descrive la massima deviazione percentuale possibile della funzione di uscita del segnale (il risultato della misurazione) da una linea retta ideale. Tuttavia, queste specifiche si applicano alle seguenti condizioni:

• Funzionamento dell'albero in un solo senso di rotazione
• Funzionamento a temperatura ambiente
• Riferimento a un angolo di rotazione elettricamente efficace specificato nella scheda tecnica.
• La linearità assoluta è una considerazione del "caso peggiore".
• In pratica, l'errore angolare effettivo sarà più basso.

Le uscite analogiche sono ancora molto importanti nel mercato degli encoder. Per questo motivo, la maggior parte delle serie viene offerta con queste uscite. Gli encoder assoluti MEGATRON con uscite analogiche sono sempre progettati con tecnologia a 3 fili, a meno che non offrano ridondanza. I due collegamenti per la tensione di alimentazione (VSUP) e il segnale di uscita (OUT) hanno una massa comune. Molti encoder assoluti senza contatto con uscite di segnale ridondanti sono isolati galvanicamente e offrono quindi tensioni di alimentazione, massa e uscite di segnale separate per ciascun ramo di segnale.

Rilevamento esterno della rottura del filo
Per generare un rilevamento esterno della rottura del filo tramite un'unità di valutazione, il segnale di uscita dell'encoder angolare non deve essere nullo durante il funzionamento, indipendentemente dall'angolo, poiché una tensione di uscita di 0 V o una corrente di uscita di 0 mA sono indicatori di una rottura del filo. Per tutti gli encoder assoluti MEGATRON con uscita in corrente, è possibile realizzare un rilevamento esterno della rottura del filo mediante programmazione in fabbrica, poiché l'angolo misurato viene sempre emesso in un intervallo di 4...20 mA.
Per quanto riguarda l'uscita in tensione, nel nostro programma sono presenti serie che offrono questa funzione ex fabbrica. Tuttavia, ciò non è possibile su tutti i modelli. Contattateci se non siete sicuri.

Con l'uscita PWM, l'angolo misurato non è proporzionale all'ampiezza del segnale ma alla larghezza dell'impulso. Il vantaggio rispetto alle uscite in corrente o in tensione è che questa forma di uscita del segnale è in gran parte insensibile alle interferenze elettromagnetiche (EMI), poiché le EMI di solito influenzano l'ampiezza del segnale piuttosto che la frequenza (ad esempio, radio AM/FM). Tuttavia, il segnale deve essere rilevato da un'unità di valutazione esterna progettata per il PWM.
L'ampiezza dell'impulso sugli encoder MEGATRON varia tra il 10% (0% F.S.) e il 90% (100% F.S.). La frequenza portante è di 244 Hz.

I microcontrollori spesso forniscono ingressi per segnali digitali basati sui formati SPI e SSI. Gli encoder assoluti vengono offerti con queste interfacce digitali per garantire un'elevata compatibilità con molti microcontrollori presenti sul mercato. La descrizione dettagliata delle interfacce digitali e delle loro caratteristiche specifiche esula dagli scopi del presente manuale. La spiegazione che segue è pertanto da intendersi solo come una breve panoramica.

L'interfaccia SPI si basa su un protocollo BUS seriale master/slave sviluppato da Motorola. La comunicazione avviene tramite le linee dati:

• MOSI (Master Out → Slave In)
• MISO (Master In ← Slave Out)
• SCK (Serial Clock) (= clock del bus/shift clock)

Oltre a queste tre linee, per ogni slave è necessaria una linea chiamata "Slave Select (SS)" o "Chip Select (CS)". Si noti che questo formato non è adatto alla comunicazione sul campo, poiché la lunghezza del cavo tra master e slave non deve superare 0,6 m. Per ulteriori informazioni sugli encoder magnetici MEGATRON con interfaccia SPI, contattateci.