Cos'è l'encoder?

L'encoder è un trasduttore di spostamento e di velocità che trasforma un movimento meccanico angolare o lineare in una serie di impulsi elettrici digitali. 

Questi impulsi elettrici possono essere utilizzati per controllare gli spostamenti meccanici che li hanno generati e la corrispondente velocità di spostamento, agendo sui dispositivi di attuazione, di qualunque tipo essi siano.

L’encoder è composto da:

Negli encoder vengono utilizzate principalmente due tecniche per il rilevamento del movimento:

Sez. ottico EA 36 SEZ
Sezione encoder ottico 
Sezione encoder magnetico

 Le applicazioni principali di questi trasduttori sono nelle macchine utensili o di lavorazione dei materiali, nei robot, nei sistemi di retroazione su motori, negli apparecchi di misura e di controllo. 

Cos'è l'encoder incrementale?

L’encoder di tipo incrementale, è così definito in quanto segnala gli incrementi (variazioni) rispetto ad una posizione assunta come riferimento, indipendentemente dal verso di rotazione. 
L’encoder incrementale è adatto a rilevare rotazioni, velocità ed accelerazioni basandosi sul conteggio degli impulsi inviati dal sensore all'elettronica in uscita, ma richiede lo zero macchina ad ogni nuovo avvio.

L’encoder incrementale può avere una codifica a 3 canali (A, B, Z) o con fasi di commutazione integrate (effetto Hall).

Incrementale a 3 canali

L’encoder incrementale fornisce normalmente due forme d’onda squadrate e sfasate tra loro di 90° elettrici, definite come canale A e canale B. Con la lettura del solo canale A si riesce a calcolare l’informazione relativa alla velocità di rotazione (numero di impulsi nell’unità di tempo), mentre con la lettura anche del segnale B si riesce a rilevare il senso di rotazione in base alla sequenza degli stati prodotti dai due segnali. È disponibile anche un ulteriore segnale chiamato canale Z o zero, che fornisce una posizione assoluta di riferimento dell’albero encoder.

schema 3 canali

Con fasi di commutazione integrate (fasi ad effetto Hall)

Esistono encoder che integrano altri segnali elettrici disponibili all’uscita detti encoder incrementali con segnali di commutazione integrati, i quali solitamente vengono utilizzati come retroazione a bordo dei motori. Questi segnali supplementari eseguono la funzione di simulazione delle fasi di Hall generalmente presenti nei motori di tipo brushless, realizzati solitamente con sensori magnetici. Negli encoder Eltra tali segnali di commutazione vengono generati otticamente e si presentano sotto forma di 3 onde quadre sfasate tra loro di 120° elettrici. I segnali servono al convertitore che pilota il motore per generare con la corretta fase le tensioni necessarie per porlo in rotazione. Questi impulsi possono essere ripetuti più volte all’interno di un giro meccanico dell’encoder perché dipendono direttamente dal numero di poli del motore collegato.

schema Hall

Per maggiori informazioni, è possibile visualizzare il PDF online.

Cos'è l'encoder assoluto?

L’encoder di tipo assoluto fornisce un valore numerico codificato in maniera univoca per ogni posizione meccanica dell’albero, memorizzando il valore della posizione corrente ed evitando così la perdita di informazioni in caso di riavvio del macchinario o di interruzione dell’alimentazione.

L’encoder assoluto può essere: 

  • monogiro
  • multigiro

Encoder assoluto monogiro

L'encoder assoluto monogiro permette di acquisire una codifica precisa sulla posizione angolare dell’albero a cui è accoppiato anche in caso di mancata alimentazione. Quindi ogni singola posizione grado viene convertita in un codice di precisione proporzionale al numero di bits, in formato Gray o binario.

Encoder assoluto multigiro

L'encoder assoluto multigiro è uno strumento avanzato che permette di estendere in maniera significativa il campo di azione degli encoder. Oltre alla lettura angolare del singolo giro, viene mantenuto anche il conteggio del n° di giri. 

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Cos'è l'encoder ottico?

I modelli di encoder più utilizzati si basano sulla tecnologia ottica (o fotoelettrica) per la rilevazione dei segnali; questa si distingue in due modalità di scansione principali: trasmissiva e riflessiva.

Scansione ottica trasmissiva

Nell'encoder ottico di tipo trasmissivo il sistema di lettura si basa sulla rotazione di un disco graduato con un reticolo radiale formato da linee opache alternate a spazi trasparenti; questo viene illuminato da una sorgente a raggi infrarossi, disposta perpendicolarmente rispetto al sensore. Il disco proietta così la sua immagine sulla superficie di vari ricevitori, opportunamente mascherati da un altro reticolo (collimatore) avente lo stesso passo del precedente. I ricevitori hanno il compito di rilevare le variazioni di luce che avvengono con lo spostamento del disco, convertendole in corrispondenti impulsi elettrici. In un encoder lineare il principio di funzionamento è analogo ma il movimento avviene su un supporto di lettura lineare.

Encoder incrementale ottico Encoder incrementale assoluto
Encoder ottico incrementale     Encoder ottico assoluto

Scansione ottica riflessiva

Il sistema ottico riflessivo si basa anch'esso sulla scansione fotoelettrica di un disco graduato, ma in questo caso la sorgente di luce ed il ricevitore si trovano sullo stesso lato del dispositivo: la sorgente luminosa illumina un disco graduato formato da linee opache alternate a linee riflettenti, dove la luce si riflette e viene letta dal sensore (ricevitore), il quale convertirà le variazioni in corrispondenti impulsi, come nel sistema trasmissivo. Questa tipologia di lettura consente di ridurre le dimensioni del dispositivo garantendo comunque le stesse prestazioni; rappresenta quindi una soluzione ideale per gli ambiti applicativi che richiedono encoder miniaturizzati ed elevata risoluzione.

 

Cos'è l'encoder magnetico?

Gli encoder magnetici utilizzano un sistema di rilevazione dei segnali basato sulla variazione del flusso magnetico generato da un magnete (una o più coppie polari) posto in rotazione di fronte al sensore generalmente fissato all’albero dell’encoder. La variazione del campo magnetico viene campionata dal sensore e trasformata in un impulso elettrico che definisce la posizione; la tipologia di lettura può essere assialeradiale.

Il vantaggio del sistema magnetico è principalmente l’assenza di contatto nella rilevazione, fattore che previene l’usura del dispositivo e risulta quindi vantaggioso dal punto economico, in quanto non richiede manutenzione ed ha una durabilità potenzialmente infinita.

Gli encoder magnetici sono particolarmente adatti all’applicazione in ambienti gravosi che richiedono un’elevata robustezza, velocità e resistenza termica, garantendo al tempo stesso un’affidabilità ottimale nella generazione dei segnali.

EAMW 58 63 sez.

Cos'è il trasduttore lineare?

I trasduttori di tipo lineare hanno la funzione di rilevare la posizione e la velocità dei movimenti meccanici in linea retta.

Anche i trasduttori lineari si differenziano a seconda della tecnica di rilevazione degli spostamenti e possono essere di diversi tipi.

Trasduttore lineare incrementale

Il principio di funzionamento è analogo a quello dell’encoder rotativo incrementale, ma in questo caso il disco è sostituito da una riga graduata sulla quale si alternano zone opache e zone trasparenti. Questi trasduttori vengono impiegati in ambito industriale sulle macchine operatrici automatiche, in abbinamento a sistemi di conteggio, visualizzazione e controllo, per realizzare posizionamenti a programma, avanzamenti a passi predeterminati o più semplicemente visualizzare misure di lunghezza o spessore.

Trasduttore lineare potenziometrico

Questo tipo di trasduttore lineare è costituito da un filo o da uno strato metallico, avvolto su un supporto isolante, e da un contatto mobile in grado di spostarsi lungo il conduttore. Il principio di funzionamento è basato sulla variazione di resistenza in un circuito elettrico determinata dallo spostamento dell’oggetto di cui si vuole misurare la posizione. I potenziometri sono particolarmente adatti ad impieghi in macchine per termoplastici, legno, marmo, lamiera ed in tutte le applicazioni di misure assolute di posizione o di spostamento.

Trasduttore lineare magnetostrittivo

I trasduttori magnetostrittivi utilizzano il principio della magnetostrizione per cui certi materiali si espandono e contraggono quando messi in un campo magnetico alternato. La peculiarità principale di questo principio è l’assenza di contatto elettrico sul cursore, fattore che elimina i problemi di usura o deterioramento, garantendo al tempo stesso elevate prestazioni in velocità e precisione. 

Cos'è il disco di un encoder?

Il disco dell’encoder determina il codice di trasmissione degli impulsi ed è formato da un supporto (il materiale può essere di tipo plastico, vetro o metallico) sul quale vengono impresse o ricavate strisce (o tacche) chiare (trasparenti), alternate a strisce scure (opache).

Negli encoder incrementali le tacche trasparenti si trovano su un’unica corona circolare alternate alle tacche opache; il numero di queste tacche definisce il numero di impulsi, determinando la risoluzione del dispositivo.
Nel sistema incrementale, non esistendo una posizione di riferimento assoluta del segnale di misura, è spesso utilizzata una tacca supplementare detta “impulso di zero” per definire la posizione iniziale in modo univoco.

Disco Encoder Incrementale
Disco incrementale

Negli encoder assoluti le tacche trasparenti ed opache sono disposte su corone circolari e si alternano in modo da codificare la posizione in una configurazione binaria. 
Per evitare errori di lettura, viene utilizzata una variante del codice binario, il codice Gray, il quale ha la particolarità di variare di un’unica cifra binaria da un numero al suo successivo, assicurando quindi un’elevata affidabilità nella generazione e decodificazione del codice.

disco binario

 

Gray

Disco binario a 2 bit Disco Gray a 2 bit

Cos'è l'interfaccia meccanica?

L’interfaccia meccanica è l’insieme di componenti che consentono l’accoppiamento dell’encoder alla macchina o dispositivo di applicazione, ovvero:

  1. Un asse, collegato all’albero della macchina in rotazione, sviluppato a seconda della tipologia di accoppiamento: parti encoder
    albero sporgente,  albero cieco e passante;
  2. Una flangia, che collega e adatta l’encoder al supporto dell’encoder stesso;
  3. L’involucro (o corpo) dell’encoder, che contiene e protegge il disco e i componenti elettronici.

Possono utilizzarsi inoltre dei giunti elastici per la connessione tra albero motore ed encoder.

 

Albero sporgente Albero cieco Albero passante
Albero sporgente Albero cieco Albero passante

Cos'è l'interfaccia elettronica?

L’interfaccia elettronica è l’insieme di componenti in entrata ed uscita che consentono sia l’alimentazione dell’encoder che la trasmissione dei segnali elettrici.

Negli encoder di tipo incrementale, la trasmissione dei segnali in uscita avviene attraverso uno o più canali e può essere di diversi tipi:

    • NPN e NPN open collector
    • PNP e PNP open collector 
    • Push-Pull
    • Line driver

Negli encoder di tipo assoluto la trasmissione dei segnali in uscita può essere parallelaseriale (SSI), o con bus di campo (Eltra utilizza il protocollo PROFIBUS DP).

Quali sono le interfacce elettroniche incrementali?

NPN e NPN open collector

È composta da un transistor di tipo NPN e da un resistore in configurazione pull-up, che fissa la tensione di uscita a quella di alimentazione quando il transistor è in posizione di riposo. Presenta bassi livelli di saturazione verso lo 0 Vdc e praticamente nulli verso il positivo. Il comportamento è influenzato in modo proporzionale dall’aumento della lunghezza del cavo, dalla frequenza degli impulsi da trasmettere e dall’aumento del carico, pertanto l’applicazione ideale dovrebbe tenere conto di queste considerazioni.

La variante open collector differisce per la mancanza del resistore di pull-up, liberando in tal modo il collettore del transistor dal vincolo della tensione d’alimentazione dell’encoder e permettendo così di ottenere segnali di uscita con tensione diversa.

     NPN
NPN OC
Schema NPN Schema NPN open collector

PNP e PNP open collector

Valgono le medesime considerazioni effettuate per l’elettronica NPN. Le differenze sostanziali risiedono nel transistor, che è di tipo PNP; il resistore se presente, è di tipo pull-down collegato quindi tra l’uscita e 0V.

PNP PNP OC
Schema PNP Schema PNP open collector

Push-pull

È impiegata per incrementare le prestazioni rispetto alle elettroniche NPN e PNP. Infatti, le limitazioni maggiori delle elettroniche NPN o PNP, sono imputabili all’impiego del resistore che presenta un’impedenza molto più alta di un transistor in chiusura. Per ovviare a questi inconvenienti nell’elettronica di tipo Push-Pull, si inserisce un altro transistor di tipo complementare, in modo che l’uscita sia a bassa impedenza, sia per commutazioni verso il positivo, sia per quelle verso massa. Questa soluzione incrementa le prestazioni in frequenza, favorendo così lunghi collegamenti e l’ottimale trasmissione dei dati, anche a velocità elevate. I livelli di saturazione dei segnali sono contenuti, ma talvolta più alti rispetto a quelli delle logiche precedenti. L’elettronica Push-Pull è in ogni modo applicabile indifferentemente anche a ricevitori per elettroniche di tipo NPN o PNP ed è compatibile con logica TTL (con alimentazione 5 Vdc).

PUSH PULL
Schema Push-Pull

Line-driver

Essa è usata quando l’ambiente operativo è particolarmente soggetto a disturbi di natura elettrica, o in presenza di distanze tra encoder e sistema di ricezione. La trasmissione e la ricezione dei dati avvengono su due canali complementari, in tale modo si limitano i disturbi, indotti da cavi o apparecchiature adiacenti.
La trasmissione e la ricezione in Line-Driver avvengono in modo “differenziale”, prodotte cioè dalla differenza delle tensioni presenti sui canali complementari, non sensibili a disturbi di modo comune. Questo tipo di trasmissione è utilizzato in sistemi a 5 Vdc ed è conosciuto anche come RS422 compatibile; è disponibile con alimentazioni fino a 24 Vdc dove le condizioni di utilizzo gravose lo richiedono (lunghi cablaggi, disturbi elevati, etc.).

LINE DRIVER
Schema Line-Driver

La protezione attiva

Per proteggere l’encoder da eventuali cortocircuiti, viene impiegato un driver integrato con protezione attiva dello stadio d’uscita, che segue in ogni istante la temperatura raggiunta dall’elemento da proteggere. Questa caratteristica permette alla protezione di essere molto efficace e veloce nell’intervenire su cortocircuiti ripetitivi e permanenti ed è indicata quindi ad un uso gravoso. Essa è disponibile per elettroniche Line-Driver e Push-Pull.

PROTEZIONE USCITA
Schema protezione da cortocircuiti

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Cos'è l'interfaccia parallela?

Gli encoder assoluti monogiro e multigiro ad uscita parallela sono la forma tradizionale di encoder. Essi infatti forniscono in uscita "bit per bit", in formato Gray e binario, i dati relativi alla posizione, in base alla risoluzione adottata dal dispositivo.

Questa forma di trasmissione prevede un filo per ogni bit e all’aumentare della risoluzione del dispositivo si avrà una maggiore complessità di cablaggio. Per questo motivo si sono introdotte anche delle forme di trasmissione del dato in modalità seriale (SSI) o mediante bus di campo (PROFIBUS).

Formato Binario Formato Gray
Schema dato di uscita in formato binario Schema dato di uscita in formato Gray

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Cosa sono il codice binario e Gray?

Gli encoder assoluti sono così definiti in quanto mantengono il valore assoluto della posizione anche dopo interruzioni o assenza di corrente. Per questa ragione è necessario che i dati relativi alla posizione siano sempre disponibili. A tal fine vengono utilizzati dei codici di tipo binario, determinati dalla sequenza di tacche trasparenti e opache del disco, disposte trasversalmente o longitudinalmente rispetto alla direzione del movimento.

Codice binario

Il codice binario puro (o naturale) presenta l’inconveniente di avere più bit che cambiano di stato tra due posizioni. A causa di tolleranze meccaniche e disturbi, è possibile che ci si trovi con un passaggio di posizione in cui i segnali di commutazione non agiscono tutti nello steso momento, originando situazioni intermedie che possono produrre errori nel conteggio della posizione.
Per evitare questo incoveniente e, quindi, per fornire in uscita un codice privo di errori, si utilizza un segnale di sincronismo delle uscite (STROBE).

commutazione segnali

Codice Gray

Nel codice Gray il passaggio da un numero al successivo avviene sempre variando un’unica cifra binaria; le tracce di codice vengono lette trasversalmente rispetto alla direzione di movimento, evitando così errori di codifica causati dalla variazione di più bit tra settori contigui.

 tabella binario Gray

Cos’è l’interfaccia SSI?

La continua evoluzione del mondo dell’automazione ha portato ad una continua e crescente richiesta di precisione. Per soddisfare queste esigenze sono stati realizzati degli encoder assoluti con risoluzioni elevate, i quali però, hanno l’incoveniente di necessitare di un numero di cablaggi crescente con il numero di bit.

Per cercare di ridurre i costi di installazione e semplificare i cablaggi è stata realizzata l’interfaccia seriale sincrona (SSI) che esegue la trasmissione dei dati da un dispositivo periferico ad un’unità centrale utilizzando solamente due segnali (CLOCK e DATO) indipendentemente dal numero di bit dell’encoder.

 SSI

Il valore della posizione viene rilevato dal sistema di lettura encoder ed inviato continuamente in un convertitore parallelo/seriale. Quando il circuito monostabile viene attivato da una transizione del segnale di clock il dato viene memorizzato ed inviato in uscita con la cadenza del segnale di clock stesso.

I segnali di CLOCK e DATO sono trasmessi in modo differenziale (tipo RS422) per aumentare l’immunità ai disturbi e per poter supportare lunghe distanze di trasmissione.

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Cos’è il protocollo Profibus?

Profibus (Process Field Bus) rappresenta uno standard di comunicazione seriale per dispositivi inseriti in reti di automazione (field bus o bus di campo); si tratta di un protocollo aperto, definito tramite la DIN 19245 e divenuto normativa europea EN 50170 volume 2.

Promosso da Siemens, Profibus è molto diffuso in ambito europeo: grazie alla definizione di tre profili di comunicazione distinti, questo bus di campo si adatta alla maggior parte delle esigenze che possono nascere nei sistemi di automazione, partendo dalle applicazioni che richiedono notevole velocità nello scambiare ciclicamente un numero ridotto di bit (Profibus DP) fino ad arrivare alla gestione di comunicazioni relativamente complesse tra dispositivi “intelligenti” (Profibus FMS) o task riguardanti strettamente l’automazione di processo (Profibus PA).

it INTERFACCIA PROFIBUS 140506

Gli encoder Eltra utilizzano la variante DP (Decentralized Periphery), soluzione standard per gestire tramite bus dispositivi che nella maggior parte dei casi sono moduli di I/O, sensori/trasduttori o attuatori ad un basso livello nei sistemi di automazione.

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Come leggere il codice ordinativo Eltra

Proponiamo qui di seguito un esempio di codice ordinativo dei prodotti Eltra con il quale è possibile identificare o verificare le principali caratteristiche del dispositivo.

 Cod.Ord.2

Tutte le varianti disponibili e le caratteristiche meccaniche ed elettroniche specifiche per ogni serie sono indicate nei Datasheet, scaricabili in corrispondenza di ogni prodotto.