Come scegliere tra encoder indipendenti e feedback motore integrato

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Un approccio alternativo è quello di utilizzare servomotori o motori passo-passo controllati da feedback che combinano la propulsione e il feedback di posizione in una singola unità. In questo caso, il feedback integrato del motore è fornito da un "kit" o un encoder modulare montato all'interno o immediatamente adiacente all'alloggiamento del motore, con movimenti rotatori misurati direttamente dall'albero motore. Questa può essere una soluzione efficiente per i sistemi di controllo del movimento industriale alimentati da motori elettrici, in quanto riduce la necessità di trasduttori di posizione separati.

Gli encoder autonomi sono una soluzione eccellente per le macchine che utilizzano motori primari non elettrici come quelli pneumatici o idraulici. Poiché i dispositivi autonomi possono essere installati vicino all'estremità operativa del macchinario - non solo su un motore - possono evitare la perdita di accuratezza posizionale che potrebbe verificarsi quando la potenza di un motore viene trasmessa attraverso lunghi treni di ingranaggi, cinghie o altri meccanismi. Gli encoder autonomi possono anche essere utilizzati con un gruppo a filo o una ruota di misurazione per fornire misure di movimento lineare.

Con molte diverse configurazioni meccaniche e interfacce di comunicazione disponibili, i progettisti sono quasi certi di poter trovare dispositivi che soddisfano i loro requisiti. Per esempio, per gli ambienti difficili, gli encoder autonomi sono disponibili con alloggiamenti e guarnizioni per impieghi gravosi che forniscono un grado di protezione fino a IP69k. Queste unità sono protette contro la polvere, l'acqua e persino contro le soluzioni di pulizia aggressive e i getti ad alta pressione utilizzati nei sistemi di lavaggio a pressione per le attrezzature di trasformazione alimentare o farmaceutica.

Semplicità dell'encoder di feedback del motore integrato In contrasto con gli encoder standalone, che sono confezionati come unità autonome, gli encoder "kit" o modulari sono progettati per essere incorporati o fissati all'alloggiamento di un motore, misurando il movimento rotatorio direttamente dall'albero motore. L'integrazione dell'encoder di feedback di posizione con il motore elimina la necessità di un albero separato dell'encoder, di un cuscinetto e di una guarnizione, così che gli encoder in kit per il feedback integrato del motore possono essere più compatti e meno costosi delle loro controparti indipendenti. Questa disposizione riduce anche il numero di componenti separati nella macchina.

Un servomotore è tipicamente un motore brushless dc (BLDC) che ha un encoder integrato per il feedback di posizione. Qui, il feedback serve a due scopi: monitorare la posizione rotativa dell'albero del motore e fornire un segnale di commutazione per controllare la corrente che scorre negli avvolgimenti dello statore del motore.

Gli encoder del kit possono anche essere utilizzati con i motori passo-passo, fornendo un feedback di posizione ad anello chiuso. Questo migliora la precisione eliminando gli errori di posizionamento dovuti a passi saltati. (Questo può diventare un problema significativo a velocità più elevate, quando la coppia in uscita dai motori passo-passo è ridotta e la probabilità di passi mancati aumenta) Una grande attrazione dei motori passo-passo è il loro costo relativamente basso, specialmente se paragonato ai servomotori di fascia alta. Gli encoder ottici incrementali poco costosi possono migliorare l'accuratezza del posizionamento verificando che un movimento di passo sia stato completato. Per le applicazioni di controllo della posizione più esigenti, gli encoder assoluti magnetici multigiro economici possono essere una scelta migliore poiché questi forniscono al controllore un quadro completo della posizione rotatoria dell'albero del motore, compreso il numero di rotazioni che sono state completate.

Diverse tecnologie di misurazione sono utilizzate per gli encoder, sia standalone che in kit. (I produttori a volte offrono gli stessi componenti di misurazione sia nei loro encoder autonomi che in quelli in kit. In questo caso, i prodotti in kit o modulari sono, in effetti, versioni disaggregate dei progetti standalone)

Encoder ottici: sono disponibili in una gamma di configurazioni e livelli di prestazioni. Nella fascia alta, i sistemi di misura ottici assoluti di precisione possono avere un'accuratezza di +/- 0,02 gradi e un'eccellente risposta dinamica. Questi sono adatti per servomotori avanzati e applicazioni di controllo della posizione di precisione

Mentre gli encoder ottici possono offrire una precisione eccellente, i loro componenti interni sono vulnerabili alla contaminazione da polvere, olio e condensa. Inoltre, per ottenere la massima precisione, i dischi di codice e gli array di fotorecettori devono essere allineati in modo molto preciso, rendendo queste unità vulnerabili a urti e vibrazioni.

Encoder magnetici: hanno un piccolo magnete permanente attaccato all'albero rotante. Il campo magnetico da questo è misurato da una serie di sensori a effetto Hall la cui uscita è elaborata e filtrata da un software che gira su un piccolo microprocessore integrato nel dispositivo. Il risultato è una buona risoluzione e risposta dinamica in unità robuste e compatte (fino a 22 mm di diametro).

Gli encoder magnetici possono essere installati nelle normali condizioni di fabbrica, poiché possono tollerare disallineamenti moderati tra l'albero e il modulo di misurazione. Inoltre, gli encoder magnetici sono disponibili con capacità di misurazione multigiro, con contatori di rotazione alimentati dalla tecnologia di raccolta dell'energia Wiegand. Questa elegante soluzione elimina la necessità di batterie di riserva, o il complesso sistema di dischi di codice spesso utilizzato negli encoder ottici multigiro.

Encoder in kit ad albero cavo: Gli encoder in kit descritti sopra sono spesso montati sul retro o sull'estremità non motrice del motore (vedi figure 2 e 3). In alcuni casi, può essere utile posizionare gli elementi di misura della rotazione all'estremità di trasmissione di un motore. Gli encoder ad albero cavo, che hanno una grande apertura centrale, possono essere installati intorno all'albero motore o in altre posizioni nella trasmissione. Questo può essere vantaggioso quando il sistema di azionamento include riduttori che amplificano la coppia. Il montaggio di un encoder ad albero cavo all'estremità di uscita di un gruppo di azionamento eviterà gli errori di posizionamento causati dal gioco nel treno di ingranaggi.

Encoder senza cuscinetti: sono un concetto relativamente nuovo. Questi mantengono il robusto alloggiamento degli encoder autonomi, ma con la parte rotante del sistema di misurazione (ad esempio, un magnete permanente per gli encoder magnetici) collegato direttamente all'albero della macchina ospite. Questa disposizione elimina i cuscinetti e le guarnizioni dell'albero degli encoder stand-alone convenzionali, risparmiando spazio e riducendo i costi. Il guscio esterno protegge gli elementi di misurazione dai danni fisici.

Gli encoder stand-alone sono disponibili con una vasta gamma di opzioni di interfaccia di comunicazione, che vanno dalle connessioni analogiche e digitali punto a punto, attraverso soluzioni fieldbus, fino ai sistemi industriali Ethernet. Ciò rende possibile l'integrazione di questi dispositivi in un'ampia varietà di sistemi di controllo, dai semplici controlli del movimento su un asse ai complessi sistemi di automazione della produzione multiparametrici. Gli encoder con interfacce di comunicazione avanzate possono anche essere dotati di capacità autodiagnostiche che semplificano la manutenzione e la risoluzione dei problemi.

I sistemi integrati di controllo del motore (servomotori, motori passo-passo controllati da feedback) spesso richiedono controlli in tempo reale. Per questo motivo, questi sistemi di solito utilizzano layout di cablaggio punto-punto (motore-controllore) che evitano i ritardi di latenza che possono verificarsi nei sistemi fieldbus o Ethernet dove i canali di comunicazione sono condivisi da più dispositivi. Sono disponibili diversi protocolli di comunicazione proprietari, ma per molti utenti, le suite di protocolli open-source SSI e BiSS forniscono una soluzione affidabile e conveniente.

SSI (Serial Synchronous Interface) e BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) sono interfacce digitali che possono supportare comunicazioni dirette tra motori e PLC o altri controllori. Le connessioni SSI offrono una buona velocità (velocità di clock fino a 2 MHz), un'alta risoluzione, un cablaggio flessibile e una comunicazione affidabile fino a qualche centinaio di metri (anche se i baud rate sono ridotti per distanze maggiori). I protocolli SSI forniscono il rilevamento degli errori di base (filo rotto, corto circuito, coerenza dei dati). BiSS è una versione avanzata di SSI che supporta le comunicazioni in tempo reale tra dispositivi di controllo e sensori/attuatori in servomotori, robot e altri sistemi di automazione. L'interfaccia permette anche al controllore di impostare i parametri operativi nei dispositivi slave. Ci sono diverse varianti di BiSS, tra cui BiSS C (comunicazioni continue) e BiSS Line (progettato per configurazioni che combinano l'erogazione di potenza e la trasmissione di dati in un unico cavo). Gli standard di interfaccia SSI e BiSS open-source non sono proprietari, con licenze senza costi.