Spiegazione degli encoder: principi, tipi e applicazioni industriali

Panoramica dell'encoder

Un encoder è un dispositivo elettromeccanico montato su un albero motore che traccia e restituisce la velocità e la posizione del motore emettendo impulsi digitali. Il suo principio di funzionamento fondamentale è il seguente: contando gli impulsi generati dall'encoder, il sistema può calcolare lo spostamento della posizione corrente del motore rispetto all'ultima posizione nota, verificando così se il motore ha raggiunto accuratamente la posizione target.

La struttura di base di un codificatore è costituita da una sorgente luminosa, un disco (disco di codice) con fessure incise lungo il bordo e un ricevitore di luce. Quando il disco del codice ruota insieme all'albero del motore, le fessure tagliano la sorgente luminosa statica continua in una serie di lampi. Il ricevitore di luce rileva questi cambiamenti tra luce e buio e li converte in segnali digitali a impulsi a onda quadra-, che vengono poi inviati al controller principale. Se la risoluzione dell'encoder corrisponde alla risoluzione del passo del motore, l'encoder genererà un impulso corrispondente per ogni passo del movimento del motore.

I. Encoder incrementali

1. Principio di funzionamento e segnali di uscita

Un encoder incrementale funziona generando una serie di impulsi durante il movimento. Il suo disco di codice ha slot distribuiti uniformemente. Quando l'albero ruota, un sensore fotoelettrico fisso rileva i cambiamenti nella luce trasmessa ed emette una sequenza di impulsi continua. Un encoder incrementale standard fornisce in genere due segnali a onda quadra-con una differenza di fase di 90 gradi (canale A e canale B), noti come "segnali in quadratura". La relazione di fase tra questi due segnali viene utilizzata per determinare con precisione la direzione di rotazione.

2. Relatività delle informazioni sulla posizione e problema della-perdita di spegnimento

Viene emesso un encoder incrementalespostamento relativoinformazioni piuttosto che posizione assoluta. Dopo l'accensione del sistema, l'encoder inizia a contare e a emettere impulsi e un contatore o controller esterno accumula questi impulsi per calcolare la posizione corrente. Tuttavia, una volta interrotta l'alimentazione, l'uscita a impulsi si interrompe e se il valore di conteggio memorizzato esternamente non dispone di alimentazione di backup, verrà perso. Una volta ripristinata l'alimentazione, l'encoder non può conoscere automaticamente la posizione corrente dell'albero e il valore di conteggio ricomincerà da zero.

3. Necessità dell'Homing (ritorno al riferimento)

A causa delle caratteristiche sopra indicate, i sistemi che utilizzano encoder incrementali devono eseguire un'operazione di "homing" ogni volta che si avviano o riavviano dopo un'interruzione di corrente. Questa operazione solitamente fa muovere il motore finché non viene attivato un punto di riferimento fisico predefinito, come un interruttore di limite, un interruttore magnetico o l'impulso dell'indice di fase Z-sul disco dell'encoder. Una volta trovato questo punto, il sistema reimposta o imposta il contatore di posizione su un valore noto, che funge quindi da riferimento assoluto per tutti i movimenti successivi.

4. Vantaggi, svantaggi e applicazioni

Vantaggi:Struttura relativamente semplice, basso costo e alta affidabilità.
Svantaggi:Le informazioni sulla posizione vengono perse dopo lo-spegnimento e dipendono da un'operazione di homing; la capacità anti-interferenza è relativamente debole e gli impulsi di rumore potrebbero essere erroneamente conteggiati nella posizione.
Soluzione:Per le applicazioni che richiedono il mantenimento della posizione dopo lo spegnimento-, è possibile utilizzare una batteria di backup per fornire alimentazione al contatore o all'unità di archiviazione.

II. Encoder assoluti

1. Principio fondamentale: codifica unica della posizione assoluta

La caratteristica fondamentale di un encoder assoluto è che ad ogni posizione meccanica sul suo disco di codice viene assegnato uncodice digitale univoco. Ciò si ottiene solitamente producendo più tracce di codice concentriche sul disco (ciascuna traccia rappresenta un bit binario) e utilizzando più sensori fotoelettrici indipendenti. Pertanto, anche da fermo o spento, il segnale in uscita corrisponde direttamente alla posizione angolare assoluta dell'albero.

2. Mantenimento della posizione dopo lo-spegnimento e disponibilità immediata all'accensione-

Poiché le informazioni sulla posizione sono determinate in modo univoco dal modello fisico del disco di codice, un encoder assoluto non perde la posizione dopo lo-spegnimento. Quando il sistema viene riacceso, il controller può leggere immediatamente il codice della posizione assoluta corrente senza eseguire alcuna operazione di homing, ottenendo "accensione-accesa e pronta-all'uso-", che migliora notevolmente l'efficienza e la sicurezza dell'avvio.

3. Tipi di-giro singolo e-multigiro

Encoder assoluti-giro singoloforniscono un valore di posizione univoco entro una rotazione di 360 gradi e sono adatti per applicazioni in cui la corsa è inferiore a un giro.
Encoder assoluti multi-gironon solo fornisce un valore univoco all'interno di un giro, ma registra anche il numero di giri attraverso un cambio interno o un meccanismo di conteggio elettronico. Possono fornire una posizione assoluta globale su più svolte (ad esempio, fino a 4096 svolte) e sono adatti per applicazioni di posizionamento su viaggi lunghi-.

4. Segnali e vantaggi

Codice di uscita:Viene comunemente utilizzato il codice Gray, in cui cambia solo un bit tra posizioni adiacenti, prevenendo efficacemente errori di lettura.
Funzionalità anti-interferenza:La posizione è determinata dalla lettura istantanea del modello del disco del codice, quindi gli impulsi di rumore elettrico occasionali non vengono accumulati, con conseguente forte immunità al rumore.
Elevata sicurezza e flessibilità:La posizione può essere verificata immediatamente all'accensione-, evitando i rischi causati dalla partenza da una posizione sconosciuta; qualsiasi punto può essere utilizzato come riferimento programmabile, rendendo la progettazione del sistema più flessibile.

III. Encoder assoluti meccanici (tipo magnetico)

Si tratta di un nuovo tipo di soluzione di rilevamento della posizione assoluta basata sui principi di rilevamento magnetico, che combina la memoria di spegnimento-con un'elevata tolleranza ambientale.

1. Principio di rilevamento della posizione di svolta singola-

Il suo nucleo è costituito da uno speciale magnete composito montato al centro dell'albero motore (con magnetizzazione bipolare al centro e magnetizzazione multipolare alla periferia) e relativi sensori magnetoresistivi. Il sensore legge ildirezionedel campo magnetico centrale per ottenere un angolo assoluto grossolano (ad esempio, risolto a 180 gradi), e allo stesso tempo rileva ilcambiamenti di fasedel campo magnetico periferico ad alta-densità per ottenere una suddivisione angolare ad alta-risoluzione. Combinando i due, è possibile calcolare la posizione assoluta precisa di un singolo giro-.

2. Principio di rilevamento della posizione a-giri multipli

Per ottenere il rilevamento della posizione assoluta multi-giro, il sistema introduce un treno di ingranaggi di precisione. L'ingranaggio principale è montato sull'albero motore ed è seguito da una serie di riduttori con specifici rapporti dentati. Ogni ingranaggio è dotato del proprio magnete e sensore.

Principio di funzionamento:Quando l'albero motore ruota, ciascun ingranaggio ruota a una velocità diversa. I magneti su questi ingranaggi generano una combinazione unica didifferenze di faselegati alle loro posizioni. Il sistema rileva la fase del flusso magnetico di ciascun ingranaggio e, decodificando questa serie di differenze di fase, può determinare in modo univoco la posizione meccanica assoluta dell'albero motore su un intervallo fino a diverse migliaia di giri.
Caratteristiche del progetto:I conteggi dei denti degli ingranaggi sono appositamente progettati in modo che la combinazione della differenza di fase si ripeta solo dopo aver raggiunto il numero massimo di giri rilevabili (ad esempio, 1800 giri), garantendo così l'unicità del codice di posizione. Gli ingranaggi vengono utilizzati solo per il rilevamento e non trasportano alcun carico di alimentazione. Sono realizzati con materiali in resina auto-lubrificante, garantendo una lunga durata.

3. Vantaggi principali e scenari applicativi

Nessuna batteria, memoria permanente:Le informazioni sulla posizione sono determinate dalle posizioni fisiche degli ingranaggi meccanici e dalla disposizione dei magneti e non vengono mai perse anche in caso di completa interruzione dell'alimentazione.
Elevata tolleranza ambientale:Senza componenti ottici di precisione e un design con rilevamento magnetico completamente chiuso, offre una resistenza di gran lunga migliore alla polvere, alla contaminazione dell'olio, alla condensa, alle vibrazioni e ad alcuni shock termici rispetto agli encoder ottici.
Equilibrio tra costi e affidabilità:Anche se la risoluzione potrebbe non corrispondere a quella degli encoder ottici di livello superiore, la sua struttura robusta, l'elevata affidabilità e il design senza batteria, senza manutenzione e senza manutenzione, lo rendono la scelta ideale per le applicazioni industriali che richiedono durata, sicurezza ed eliminazione della manutenzione della batteria.

IV. Riepilogo e riferimento alla selezione

Conclusione

Per i motori passo-passo ad anello aperto-o i servosistemi standard,encoder incrementalirimangono la scelta principale grazie al loro elevato rapporto costo-beneficio. Nelle applicazioni che richiedono "accensione-e pronto-all'uso-", elevata sicurezza o funzioni di posizionamento complesse,encoder assolutisono indispensabili. Tra le soluzioni assolute,encoder assoluti meccanicifornire agli ingegneri una potente alternativa in grado di semplificare la progettazione del sistema e migliorare l'affidabilità a lungo-termine, grazie alla lorobatteria-memoria permanente liberaEeccellente durabilità industriale.