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Encoder magnetici
L’encoder magnetico utilizza magneti multipolari e sensori magnetici per convertire lo spostamento rotativo o lineare in un segnale elettrico. Offre resistenza a olio, polvere e vibrazioni, un ampio intervallo di temperatura e grandi tolleranze d’installazione; per questo è un dispositivo di feedback di posizione molto diffuso in automazione industriale, automotive e macchine pesanti, robotica e attrezzature per esterni.
Che cos’è un encoder magnetico (What is a Magnetic Encoder)
Un encoder magnetico è un sistema di sensori che misura posizione e velocità sfruttando la variazione periodica del campo magnetico. L’architettura tipica comprende un magnete (anello/nastro multipolare, o magnete magnetizzato radialmente/assialmente) e una testina di lettura (chip sensore magnetico con circuito di condizionamento). All’interno di un traferro specificato, la testina rileva due segnali approssimati sin/cos variabili con lo spostamento; dopo il front-end analogico e la interpolazione/decodifica si ottengono uscite incrementali A/B/Z, sin/cos 1 Vpp (oppure interfaccia a corrente 11 µApp) o posizione assoluta tramite SSI/BiSS/SPI/EnDat ecc.
Rispetto agli encoder ottici, quelli magnetici offrono migliore robustezza ambientale, vita utile più lunga e costi inferiori; tuttavia, ai limiti di risoluzione, linearità ed errore di suddivisione (SDE) risultano in genere leggermente inferiori alle soluzioni ottiche high-end.
Principio di funzionamento (Working Principle)
1) Tecnologie di sensing magnetico
- Hall: costo ridotto, tecnologia matura e affidabile; precisione di posizione/angolo intermedia; richiede compensazione della deriva termica.
- AMR (magnetoresistenza anisotropa): sensibilità superiore a Hall e migliore immunità al rumore.
- GMR/TMR (magnetoresistenza gigante/a effetto tunnel): massima sensibilità e basso rumore; supporta risoluzioni elevate e traferri piccoli; TMR ha deriva termica minore ma costo più alto.
- Rilevamento differenziale: canali in fase/controfase che cancellano campi dispersi esterni e derive di modo comune, aumentando l’immunità ai disturbi.
2) Formazione del segnale e calcolo dell’angolo
- Il magnete, polarizzato alternando N/S lungo una circonferenza o una linea, genera un campo periodico; la testina acquisisce due segnali sin/cos. L’angolo può essere calcolato, ad esempio, con:
theta = atan2(V_sin, V_cos) - Interpolazione digitale o PLL suddividono ulteriormente angolo o spostamento; la versione assoluta fornisce un codice univoco mediante codifica mono/multigiro, conteggio ridondante o trame di protocollo.
3) Relazione tra velocità e frequenza (formule in testo)
- Rotativo:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Lineare:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
dove RPM è la velocità di rotazione, pole_pairs il numero di coppie di poli, edges_per_cycle i fronti utili per ciclo elettrico; v la velocità lineare e p il passo polare del nastro magnetico.
Classificazione (Classification)
- Per tipo di moto: encoder rotativi (anello/magnete radiale/assiale, on-axis/off-axis = coassiale/fuori asse) / encoder lineari (nastro/griglia magnetica multipolare).
- Per uscita: incrementali (A/B/Z; TTL/HTL/RS422; sin/cos 1 Vpp, 11 µApp) / assoluti (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; con gateway verso CANopen/EtherCAT ecc.).
- Per magnete: anelli multipolari (montaggio su diametro interno/esterno, passo fisso), magneti magnetizzati radialmente/assialmente (poche coppie di poli, compatti), nastri flessibili (corsa lunga, installazione semplice).
- Per chip sensore: sensori angolari monochip (integrazione AFE + CORDIC/SIN/COS) / architetture discrete (AFE + ADC + MCU/FPGA per interpolazione e codifica).
Uscite e interfacce (Outputs & Interfaces)
| Categoria | Tipo di segnale | Scenario tipico |
|---|---|---|
| Onda quadra incrementale | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Contatori veloci PLC, anelli di velocità/posizione |
| Seno/Coseno | 1 Vpp, 11 µApp | Interpolazione ad alta risoluzione, applicazioni a basso SDE |
| Seriali assolute | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Posizione assoluta, conteggio multigiro, diagnostica |
| Bus/Ethernet industriale | CANopen, EtherCAT, PROFINET (tramite modulo interfaccia) | Sincronizzazione multi-asse, lunghe distanze, diagnostica online |
Specifiche chiave (Key Specifications)
| Indicatore | Intervallo tipico / Note |
|---|---|
| Risoluzione | Rotativo: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR con interpolazione). Lineare: passo scala 5–50 µm, interpolato a 1–5 µm; i migliori arrivano a sub-micron. |
| Precisione angolare | Assoluto rotativo: ±0.05° ~ ±0.5° (dipende da magnete ed eccentricità). |
| Ripetibilità/Jitter | Ripetibilità migliore di ±0.05°; il jitter dipende da SNR e clock di interpolazione. |
| SDE (Sub-Division Error) | Tipicamente migliore di ±0.1° (high-end ≤ ±0.03°); nei lineari espresso in µm. |
| Traferro magnetico | 0.5–2.5 mm (in funzione dell’energia del magnete e dell’array sensore). |
| Passo/Coppie di poli | Anelli comuni con 2–64 coppie; nastri con passo 2–5 mm. |
| Velocità massima | Rotativo > 10 000 RPM; lineare > 3 m/s (secondo interfaccia). |
| Intervallo di temperatura | −40 °C ~ +125/150 °C (grado automotive), richiede compensazione termica. |
| Protezione/contaminanti | IP50–IP67; tollerante a olio, polvere e fluidi refrigeranti. |
| EMC/ESD | Conforme ai requisiti industriali/automotive; progettazione differenziale e schermature sono critiche. |
Nota: le prestazioni reali dipendono congiuntamente dal materiale e dalla qualità di magnetizzazione, da eccentricità/inclinazione, traferro, schermature e algoritmi di compensazione.
Magneti e progettazione meccanica (Magnet & Mechanics)
- Scelta del materiale magnetico: NdFeB (alto prodotto energetico, suscettibile a smagnetizzazione; necessario controllo termico), SmCo (stabilità termica elevata, costo maggiore), ferrite (basso costo, volume elevato).
- Modalità di magnetizzazione: radiale/assiale o multipolare ad anello; la uniformità del passo polare influisce direttamente su linearità e armoniche.
- Errori geometrici: l’eccentricità (runout) introduce errori angolari armonici di 1°/2° ordine; inclinazione/battimento causano squilibrio di ampiezza/fase e distorsione.
- Tolleranza del traferro: troppo ampio riduce l’ampiezza e la SNR; troppo ridotto aumenta il rischio di contatto e disaccoppiamento termico.
- Immunità ai campi dispersi: strutture differenziali, concentrazione di flusso o anelli di schermatura; evitare armoniche dei denti di statore del motore; valutare la Stray-Field Immunity quando necessario.
Sorgenti d’errore e compensazione (Error Sources & Compensation)
- Squilibrio di ampiezza/fase ed ellitticità: riduzione dell’SDE con AGC (controllo automatico del guadagno), equalizzazione di fase e compensazione ellittica.
- Deriva termica: modellazione del coefficiente termico del sensore e della rimanenza del magnete vs temperatura; correzione in linea mediante misura di temperatura.
- Eccentricità/errore di passo polare: linearizzazione LUT in fabbrica o calibrazione in situ (fit multipunto/compensazione armonica).
- Campi dispersi/EMI: instradamento differenziale, trasmissione RS422, schermature e messa a terra a punto unico; aggiungere schermature in ferro dolce se necessario.
- Conteggio multigiro: ritenzione a mancanza di alimentazione tramite energy harvesting/ingranaggi/FRAM/NVRAM con verifiche di coerenza ridondanti.
Confronto con altre tecnologie (Comparisons)
| Tecnologia | Risoluzione/precisione | Robustezza ambientale | Costo | Applicazione tipica |
|---|---|---|---|---|
| Encoder magnetico | ★★★☆ (fino a 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Industria/automotive, ambienti gravosi, lunga vita |
| Encoder ottico | ★★★★★ (livello nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Macchine utensili di precisione, metrologia, semiconduttori |
| Encoder induttivo | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Alte temperature/EMI forte, macchinari pesanti |
| Resolver | ★★☆ (demodulazione analogica) | ★★★★★ | ★★★ | Elevate vibrazioni/temperature, feedback motore |
| Potenziometro | ★ | ★★ | ★ | Basso costo, vita breve/precisione modesta |
Applicazioni (Applications)
- Automazione industriale: trasporto e cinematismi di carico, sistemi ibridi servo/stepper, ascensori e impianti portuali.
- Automotive/trasporti: commutazione e posizione motore, sterzo e pedali, posizione di telaio e sedile (ambiente ISO 26262).
- Robotica e cobot: angolo di giunto, encoder ruota per AGV/AMR, piattaforme mobili outdoor.
- Energie rinnovabili e attrezzature per esterni: solar/wind tracking, valvole e attuatori, macchine per miniere e costruzioni.
Note di installazione e integrazione (Installation & Integration)
- Centratura/coassialità: nei rotativi usare spallamenti/maschere di posizionamento e controllare il runout radiale/assiale; nei lineari garantire la rettilineità del nastro e la stabilità del supporto.
- Impostazione del traferro: attenersi al datasheet con margine su tutto l’intervallo termico; verificare il margine d’ampiezza a SNR minima e velocità massima.
- Cablaggio e terminazione: privilegiare interfacce differenziali RS422 o a corrente; adattamento d’impedenza, schermature e ground a punto unico per evitare loop.
- Parametri di protocollo: lunghezza trama, CRC, temporizzazioni e bit di allarme in SSI/BiSS/SPI/EnDat devono coincidere con il controllore.
- Ridondanza e sicurezza: sugli assi critici impiegare doppio canale/doppio sensore con monitoraggio di coerenza (SIL/PL o ASIL).
Norme e conformità (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (gradi IP) / IEC 60068-2 (vibrazioni/urti/alte-basse T°/umidità)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (immunità/emissioni EMC industriali), ISO 7637 (transitori automotive)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (sicurezza funzionale per macchine/azionamenti/automotive)
- AEC-Q100/Q200 (affidabilità componenti grado automotive per sensori/passivi)
L’elenco effettivo di conformità va adattato al settore e ai requisiti di progetto.
Guida alla scelta (Selection Guide)
- Obiettivi di accuratezza: precisione/linearità angolare, risoluzione, SDE e jitter.
- Tecnologia di sensing: Hall (priorità al costo) / AMR / GMR / TMR (priorità a risoluzione e stabilità termica).
- Soluzione magnete: anello/nastro/magnete singolo; passo polare e dimensioni, materiale e classe termica.
- Interfaccia di uscita: incrementale/sin-cos o SSI/BiSS/SPI/EnDat; necessità di gateway di bus e diagnostica online.
- Ambiente e vita utile: grado IP, olio/polvere/fluidi refrigeranti, immunità ai campi dispersi; per automotive/outdoor considerare requisiti di durabilità automotive.
- Meccanica e traferro: errore di centratura ammesso, finestra del traferro, limite di velocità; attrezzaggi di montaggio e coerenza in produzione.
- Compensazione e calibrazione: supporto a compensazioni termiche/armoniche/linearizzazione LUT; strategia in fabbrica o in situ.
- Sicurezza e ridondanza: livello di sicurezza funzionale, fail-safe e interfacce di monitoraggio guasti.
Glossario (Glossary)
- Passo/coppie di poli (pole pitch/pairs): lunghezza spaziale di un ciclo N-S / numero di coppie.
- SDE (Sub-Division Error): errore di suddivisione; errore periodico residuo dopo l’interpolazione.
- Stray-Field Immunity: immunità ai campi magnetici esterni/dispersi.
- CTE: coefficiente di dilatazione termica; influenza l’accoppiamento termico tra magnete e parti meccaniche.
Conclusione: padroneggiando i principi di sensing magnetico, la progettazione di magnete e meccanica, le interfacce e le strategie di compensazione—e allineandoli agli obiettivi di accuratezza e alle condizioni operative—è possibile ottenere un feedback di posizione affidabile, duraturo e diagnosticabile anche in ambienti gravosi.