Encoder incrementali

Per valutare i segnali degli encoder incrementali è sempre necessaria un'unità di valutazione esterna, come un contatore.

• Se si vuole registrare l'angolo, il numero di impulsi deve essere contato da un'unità di valutazione. Se l'angolo deve essere registrato, le informazioni degli incrementi devono essere valutate. Ad esempio, se l'encoder incrementale fornisce 360 ppr, 1° corrisponde esattamente a un impulso.
• Per la misura della velocità angolare (variazione dell'angolo per unità di tempo), si calcola il numero di impulsi per unità di tempo.

In generale, ci sono alcuni aspetti da considerare quando si valutano i segnali, vedi Valutazione dei segnali incrementali.

Esistono diversi principi di sensori che possono essere utilizzati per implementare gli encoder incrementali. Il più comune è probabilmente il rilevamento optoelettronico, utilizzato negli encoder ottici. Un'altra possibilità è il rilevamento magnetico. Anche gli encoder Hall sono disponibili con uscite incrementali. MEGATRON utilizza solo moderni sensori di Hall a gradiente.

Breve spiegazione del metodo trasmissivo:
La luce viene collimata (parallelizzata) e fatta passare attraverso la ruota di codifica. La ruota assicura che le aree chiare e scure sui rilevatori si alternino periodicamente. Il segnale dei due fotorivelatori è normalmente sfasato di 90°. Di conseguenza, il senso di rotazione può essere determinato dalla sequenza dei segnali o dalla loro distanza nel segnale di uscita.
La struttura varia a seconda dei requisiti. Ad esempio, elementi aggiuntivi nella progettazione del sensore generano un impulso di riferimento che genera un segnale su un terzo canale solo una volta per giro. Questo riferimento consente di calcolare l'angolo assoluto. Ciò significa che il numero di impulsi viene contato a partire dal riferimento. Se il conteggio viene perso a causa di un'interruzione dell'alimentazione, l'angolo di riferimento può essere utilizzato per recuperare le informazioni sull'angolo assoluto.

Le ruote di codifica sono realizzate in diversi materiali, solitamente metallo, vetro o plastica. La plastica è utilizzata principalmente per gli encoder a basso costo. Le ruote di codifica in metallo sono molto robuste. Se si confronta il metallo con il vetro o la plastica, non è possibile ottenere risoluzioni ottiche così elevate a parità di diametro con il metodo trasmissivo. Con il metodo a riflessione, la struttura incrementale viene stampata sulla ruota di codifica ed è possibile ottenere strutture più fini.

I segnali a onda quadra del "Canale B" si trovano o 90° avanti o 90° indietro rispetto ai segnali del "Canale A". Il fatto che il segnale del "Canale A" sia 90° avanti o 90° indietro rispetto al segnale del "Canale B" dipende dal prodotto ed è specificato nella scheda tecnica. Nella maggior parte dei casi, insieme all'indicazione del senso di rotazione, è presente un'illustrazione della funzione di uscita del segnale che mostra la sequenza dei segnali dei canali.

Esempio:
Nell'illustrazione a destra, il senso di rotazione è definito CW (orario). Quando l'encoder è visto frontalmente (con l'estremità dell'albero dell'encoder rivolta verso l'osservatore) e l'albero dell'encoder è ruotato in senso orario, l'uscita del segnale del "Canale B" è ritardata di 90° rispetto all'uscita del "Canale A". Se invece l'albero viene ruotato in senso antiorario, il segnale del "Canale B" sarà in anticipo di 90° rispetto al segnale del "Canale A".

Questa relazione può essere utilizzata in un'unità di valutazione per rilevare il senso di rotazione. Il numero di impulsi, la lunghezza degli impulsi e il periodo della traccia A e della traccia B sono identici. Quando si sostituisce un encoder con un altro modello, queste caratteristiche sono decisive, poiché non è necessario modificare la programmazione dell'unità di valutazione se le sequenze di segnali dei prodotti da scambiare sono identiche.

Spesso è possibile selezionare una traccia aggiuntiva come opzione, la cosiddetta traccia indice o "traccia Z". L'uscita della traccia Z fornisce un segnale di indice sotto forma di un singolo impulso quadrato per ogni giro completo dell'albero (360°).

Il segnale di indice ha due funzioni principali:

• Come riferimento di zero: Dopo un periodo di assenza di tensione, l'impulso di indice può essere utilizzato per spostarsi verso un punto zero definito.
• Come impulso di riferimento: in particolare per gli encoder che operano a velocità molto elevate, l'impulso di riferimento ha una funzione di controllo come impulso di conteggio separato per una corsa/giro completo.

Caso di studio:
Si controlla se il numero di impulsi di conteggio "normali" tra due impulsi di indice consecutivi corrisponde al numero previsto. Ad esempio, se si utilizza un encoder con specifiche di 16000 impulsi/giro e l'unità di valutazione conta meno di 16000 impulsi per giro completo, si è verificato un errore.

Esempio:
Se la scheda tecnica dell'encoder incrementale indica una risoluzione di 1024 ppr, con la valutazione dei bordi questa sarà quattro volte superiore, ossia 4096 segnali per giro per canale. La valutazione dei bordi appena descritta è chiamata anche "segnale di quadratura con informazioni direzionali". La valutazione dei bordi può essere basata, ad esempio, sul circuito integrato LS7083 offerto da MEGATRON.

Esempio di descrizione del campo di tolleranza della durata di un quarto di periodo

Un incremento, e quindi un periodo, è idealmente costituito da quattro componenti del segnale equidistanti (C/4). Poiché nella pratica un periodo del segnale non è diviso in quattro parti uguali, viene descritto il possibile rapporto e quindi la banda di tolleranza delle quattro parti di un periodo del segnale (T) tra loro. Il termine seguente descrive che un quarto del periodo del segnale può variare di un dodicesimo del periodo del segnale:

\(S1,S2,S3,S4 = \frac {C} {4} \pm \frac {C} {12})

Esempio di descrizione di un campo di tolleranza di mezzo periodo

Un incremento, e quindi un periodo del segnale, è idealmente costituito da due componenti del segnale equidistanti (C/2). Poiché un periodo del segnale non è sempre costituito esattamente da due coppie di onde di uguale lunghezza, viene descritto il possibile rapporto tra le due coppie di onde di un periodo del segnale (T). Il termine seguente descrive che metà periodo o metà periodo del segnale o metà lunghezza d'onda possono variare di più/meno un dodicesimo dell'ideale.

\(P = \frac {C} {2} \pm \frac {C} {12}})

Descrizione del possibile sfasamento tra i canali A e B

Idealmente, lo sfasamento tra i canali A e B è esattamente di 90° (novanta gradi). I 90° sono indicati dalla relazione C/4. Quindi un quarto di periodo del segnale corrisponde a 90°. L'errore in questo caso può essere ± C/24, cioè più-meno un ventiquattresimo. Un ventiquattresimo corrisponde a 360°/24, che corrisponde a un possibile errore di fase di più-meno 15°. Pertanto, il rapporto degli incrementi tra i canali A e B può essere compreso in un intervallo di 90° ±15° e il riferimento di fase tra i canali A e B può essere compreso in un intervallo di 75°...105°.

\(Ф = \frac {C} {4} \pm \frac {C} {24})

Descrizione della banda di tolleranza della lunghezza dell'impulso di indice (canale Z)

L'impulso di indice viene emesso una volta ogni 360° quando l'albero viene azionato in modo continuo in una direzione. Un periodo corrisponde a C. La rappresentazione C/4 significa che l'impulso di indice è idealmente lungo ¼ di un periodo del segnale. La larghezza dell'impulso dell'indice può discostarsi dall'ideale, cioè dalla lunghezza di un quarto di periodo del segnale (=C/4), di più/meno un dodicesimo di periodo del segnale.

Ciò significa che la larghezza dell'impulso dell'indice può variare tra 1/3 (=C/3) e 1/6 (=C/6) di un periodo del segnale.

\(Po = \frac {C} {4} \pm \frac {C} {12}})

In questo metodo, il sistema ottico dell'encoder non viene utilizzato come in un encoder ottico incrementale convenzionale, per cui si verificano bruschi cambiamenti di stato tra la trasmissione e l'interruzione della trasmissione, o la riflessione e l'interruzione della riflessione. Al contrario, la transizione tra la trasmissione e la riflessione massima è il più possibile uniforme. La transizione regolare si traduce in una funzione sinusoidale del segnale. Per produrre un segnale coseno sono necessari un secondo LED e un fototransistor. I segnali seno e coseno vengono poi digitalizzati. Di solito si utilizza una frequenza di campionamento continua.

Esempio:
Se si utilizza una ruota di codifica da cui si ottengono 8 periodi sinusoidali, ciò corrisponde a una risoluzione di 3 bit. Tuttavia, se questo segnale sinusoidale viene campionato con 10 bit, la risoluzione (di digitalizzazione) è di²¹³ bit, che equivale a una risoluzione di 8192 ppr. Il vantaggio del principio è quindi evidente.

Sono disponibili anche encoder ottici e magnetici con uscita analogica, che forniscono segnali analogici sinusoidali e cosenoidali. Con questo tipo di encoder è possibile effettuare un'interpolazione successiva.

Le caratteristiche dei segnali incrementali (high-low, on-off, logica booleana) li rendono particolarmente adatti all'uso nei circuiti digitali. Molte serie di encoder incrementali offrono quindi interfacce che consentono una facile integrazione in tali reti di circuiti:

• OC (collettore aperto)
• Uscita di tensione standard o TTL (logica a transistor)
• PP (Push Pull)

Con il circuito a collettore aperto è solitamente necessario collegare una resistenza di pull-up tra la tensione di alimentazione e le uscite di segnale A, B e Z dell'encoder (collettore). In questo modo si garantisce che i livelli possano essere rilevati dall'unità di valutazione come livelli bassi e alti. Un valore tipico per una resistenza di pull-up può essere di 4,7 kOhm. La tensione massima del collettore dipende dal transistor utilizzato e di solito è specificata nel datasheet dell'encoder. Poiché supera i 50 V, i segnali incrementali con livelli di segnale molto elevati possono essere trasmessi su lunghe distanze. A causa della variabilità della tensione di collettore, è possibile anche la conversione di livello.