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Encoder rotativo
Gli encoder rotativi sono sensori che convertono il movimento di rotazione meccanico in segnali digitali o analogici, ampiamente utilizzati in automazione industriale, robotica, macchine CNC, apparecchiature mediche e sistemi di trasporto. Rilevando lo spostamento angolare, la velocità e la direzione, forniscono un feedback preciso ai sistemi di controllo. Questo articolo spiega in dettaglio la definizione, i principi di funzionamento, le classificazioni, i parametri tecnici, l'analisi comparativa, gli scenari applicativi, le normative e i consigli per la selezione degli encoder rotativi.
Cos’è un encoder rotativo
Un encoder rotativo è un dispositivo di feedback del motore o un sensore di posizione utilizzato per misurare lo spostamento angolare, la velocità e la direzione di rotazione di un albero. La sua funzione principale è convertire il movimento di rotazione in segnali elettrici decodificati da un controller per determinare la posizione attuale e lo stato del movimento del dispositivo. Gli encoder rotativi sono principalmente suddivisi in encoder incrementali, che emettono segnali a impulsi, e encoder assoluti, che forniscono informazioni di posizione uniche.
Principi di funzionamento
Rilevazione ottica
- Utilizza una sorgente luminosa per illuminare un disco a griglia con sezioni trasparenti e opache.
- Quando il disco ruota, un sensore fotoelettrico genera segnali a impulsi.
Rilevazione magnetica
- Impiega sensori magnetoresistivi, effetto Hall o sensori GMR per rilevare i cambiamenti dei poli magnetici.
Rilevazione induttiva/capacitiva
- Le variazioni di induttanza o capacità vengono utilizzate per rilevare lo spostamento angolare, adatte per ambienti difficili (alta contaminazione, vibrazioni).
Logica del segnale di uscita
- Gli encoder incrementali emettono le fasi A e B (quadratura) e una fase Z (impulso di riferimento zero).
- Gli encoder assoluti forniscono segnali unici in codice binario a più bit o codice Gray.
Tipi
✓ In base al segnale di uscita
- Incrementale: emette segnali a impulsi, adatto per la rilevazione della velocità e della direzione.
- Assoluto: fornisce informazioni di posizione uniche, a singolo giro o multi-giro.
✓ In base alla struttura meccanica
- Albero pieno
- Albero cavo passante
- Albero cavo cieco
✓ In base alla tecnologia di rilevazione
- Encoder ottici
- Encoder magnetici
- Encoder induttivi
- Encoder capacitivi
✓ In base ai protocolli industriali e uscita
- TTL/HTL/RS-422
- Sin/Cos
- SSI, BiSS-C, EnDat
- Profibus, Profinet, EtherCAT, CANopen
Specifiche tecniche
| Parametro | Gamma/Dettagli |
|---|---|
| Risoluzione | 1…4.194.304 PPR (incrementale) o 8…24 bit (assoluto) |
| Velocità massima | 3.000…12.000 RPM, modelli speciali fino a ~20.000 RPM |
| Grado di protezione | IP50…IP68 |
| Temperatura operativa | −40 °C…+105 °C |
| Parametri elettrici | 5 V, 10–30 V; corrente di uscita tipicamente < 100 mA |
| Resistenza a vibrazioni/scosse | IEC 60068-2: ~10–20 g (vibrazioni), ~50–200 g (scosse) |
| Interfacce / Uscite supportate | TTL, HTL, RS-422, Sin/Cos, SSI, BiSS-C, EnDat, Profinet, EtherCAT, CANopen |
Vantaggi e limitazioni
Vantaggi:
- Alta risoluzione e ripetibilità.
- Risposta rapida, adatta per il controllo dinamico.
- Ampia scelta di interfacce elettriche e protocolli industriali.
- Buona resistenza alle interferenze elettromagnetiche per ambienti industriali complessi.
Limitazioni:
- I tipi ottici sono sensibili alla contaminazione.
- I modelli ad alta risoluzione possono essere più costosi.
- Alcune tecnologie possono degradarsi a temperature/vibrazioni estreme.
Confronto con altri sensori angolari
| Tipo | Accuratezza | Costo | Resistenza alle interferenze | Flessibilità applicativa |
|---|---|---|---|---|
| Potenziometro | Bassa | Basso | Scarsa | Sistemi semplici |
| Risolutore (resolver) | Media/Alta | Media | Alta | Ambienti ad alta vibrazione e temperatura |
| Encoder rotativo | Alta (fino a 24 bit) | Media/Alta | Alta | Vari sistemi industriali |
Campi di applicazione
- Automazione industriale: feedback del motore, bracci robotici.
- Macchine CNC: feedback della posizione dell'asse del mandrino e dell'alimentazione.
- Robotica: controllo delle articolazioni e feedback del percorso.
- Apparecchiature mediche: rilevazione della rotazione in MRI, scanner CT.
- Elevatori e trasporti: feedback della posizione della cabina e controllo delle porte.
- Energia eolica e solare: angolo delle pale e sistemi di tracciamento solare.
Normative industriali
- IEC 61800-5-2:2016: sicurezza funzionale dei sistemi di azionamento.
- ISO 13849-1:2015: sicurezza dei sistemi di controllo delle macchine.
- IEC 60529:2020: protezione contro l'ingresso (codice IP).
- IEC 60068-2: test ambientali di vibrazione e scosse.
- ISO 9001:2015: sistemi di gestione della qualità nella produzione.
Problemi comuni e risoluzione
| Problema | Possibile causa | Soluzione |
|---|---|---|
| Nessun segnale in uscita | Alimentazione scollegata, errori di cablaggio, danni al sensore | Verificare alimentazione e cablaggio; sostituire componenti danneggiati |
| Fluttuazione o perdita di segnale | Interferenze, invecchiamento del cavo, allentamento meccanico | Verificare messa a terra; sostituire cavi; serrare le parti |
| Errore o fluttuazione dell'uscita | Contaminazione ottica, interferenze magnetiche, invecchiamento elettronico | Pulire componenti ottici; eliminare fonti di interferenza; sostituire componenti |
| Ritardo o perdita di passi | Misconfigurazione del protocollo o incompatibilità | Verificare protocollo; ispezionare cablaggio; aggiornare impostazioni del controller |
Guida alla selezione
- Requisiti dell'applicazione: determinare i parametri di misurazione (posizione, velocità, direzione).
- Tipo di encoder: scegliere incrementale o assoluto (singolo giro/multi-giro).
- Tecnologia di rilevazione: ottica, magnetica, induttiva o capacitiva.
- Risoluzione e segnale: abbinare la precisione del sistema e i requisiti di interfaccia.
- Adattabilità ambientale: verificare grado di protezione IP e resistenza a vibrazioni/scosse.
- Interfaccia meccanica: diametro dell'albero, metodo di montaggio e requisiti di carico.
- Compatibilità di comunicazione: assicurarsi della compatibilità con PLC o controller di movimento.
- Normative di conformità: preferire prodotti conformi a IEC, ISO, UL e altri standard internazionali.
Riferimenti
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- Serie IEC 60068-2
- ISO 9001:2015
Con una comprensione approfondita della struttura, dei principi operativi, dei parametri di prestazione e delle applicazioni degli encoder rotativi, ingegneri e integratori di sistemi possono ottenere una selezione precisa e una corretta integrazione del sistema, ottimizzando le prestazioni del controllo e l'affidabilità del sistema.