Aggiungere intelligenza agli encoder a commutazione

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Gli utilizzatori di encoder sono, non a torto, tradizionalmente restii al cambiamento. Il controllo motori in uno stabilimento o in un’installazione industriale non è un settore in cui trovano posto le innovazioni che, pur affermando di aumentare prestazioni e affidabilità, non sono adeguatamente supportare da una serie di risultati pregressi che ne testimoniano la veridicità. Sebbene gli encoder ottici e magnetici sono utilizzati da parecchio tempo e il loro principio di funzionamento si basa su quello che possono sembrare concetti fisici “tangibili”, gli encoder di tipo capacitivo sfruttano anch'essi principi ampiamenti collaudati e documentati da molti anni di utilizzo sul campo. Questo approccio alternativo al rilevamento del movimento, di natura digitale, permette di ottenere numerosi vantaggi e mette a disposizione dei progettisti che utilizzano encoder a commutazione rotativi un nuovo livello di intelligenza. Gli encoder rotativi sono dispositivi critici in quasi tutte le applicazioni di controllo motore e il loro utilizzo sia va via via diffondendo grazie al ricorso sempre più massiccio a motori senza spazzole in corrente continua che garantiscono numerosi vantaggi in termini di controllo, precisione ed efficienza. Il compito che un encoder è chiamato ad assolvere è relativamente semplice: indicare la posizione dell’albero motore al controllore del sistema. Sfruttando queste informazioni il controllore può commutare in maniera accurata ed efficiente gli avvolgimenti del motore nonché determinare velocità, direzione e accelerazione, tutti parametri necessari a un anello di controllo del movimento per mantenere le prestazioni del motore richieste. Gli encoder possono essere realizzati sfruttando diverse tecnologie, che forniscono le uscite digitali standard dei segnali in quadratura A e B oltre, in alcuni modelli, all’uscita indice. Gli encoder a commutazione forniscono anche le uscite U, V e W (delle fasi di commutazione).


Tecnologie per la realizzazione degli encoder
Gli encoder possono essere realizzati impiegando tre differenti tecnologie: ottica, magnetica o capacitive. L’approccio di tipo ottico, in sintesi, prevede l’uso di un disco dotato di fessure e di un Led e una serie fototransistori posizionati ai lati opposti del disco. Quando il disco ruota, il percorso luminoso è interrotto e gli impulsi risultanti indicano la direzione e la rotazione dell’albero. Sebbene economico ed efficiente, un encoder rotativo difetta in termini di affidabilità a causa di due fattori. In primo luogo agenti contaminanti come sporcizia, polvere e olio possono interferire con il percorso luminoso mentre in secondo luogo i Led hanno una durata limitata - solitamente la loro luminosità risulta dimezzata nel giro di pochi anni – e alla fine si bruciano. La costruzione di un encoder magnetico è analoga a quella di un encoder ottico ad eccezione del fatto che in questo caso si utilizza un campo magnetico invece di un fascio luminoso. Al posto del disco ottico dotato di fessure vi è un disco magnetizzato che gira su una serie di sensori magnetoresistivi. Ogni rotazione del disco produce una risposta da parte di questi sensori che viene inviata a un circuito di front end per il condizionamento dei segnali al fine di determinare la posizione dell'albero. Caratterizzato da una durata elevata, l'encoder magnetico non è preciso come quello ottico ed è molto sensibile alle interferenze prodotte dai motori elettrici. Il terzo approccio, quello di tipo capacitivo, garantisce tutti i vantaggi senza evidenziare nessuno degli svantaggi tipici dei due tipi di encoder appena descritti. Un encoder di tipo capacitivo sfrutta il medesimo principio del collaudato, economico e preciso calibro a corsoio digitale. Il rilevamento capacitivo prevede l'uso di due pattern di strisce o linee, uno dei quali collocato sull'elemento fisso e l'altro sull'elemento in movimento, in modo da creare un condensatore variabile configurato come una coppia trasmettitore/ricevitore. Nel momento in cui l'encoder ruota un Asic conta le variazioni delle linee ed esegue l'interpolazione necessaria per individuare in modo preciso la posizione dell'albero e la direzione di rotazione in modo da generare le uscite in quadratura standard, oltre alle uscite di commutazione fornite da altri encoder per il controllo dei motori Bldc. Un encoder di tipo capacitivo non prevede la presenza di parti soggette ad usura e il suo comportamento non è influenzato da sporcizia, polvere e olio, elementi sempre presenti in un ambiente industriale: tutto ciò garantisce una maggiore affidabilità intrinseca rispetto a un encoder di tipo ottico. Gli encoder capacitivi assicurano inoltre prestazioni superiori grazie alle loro caratteristiche di controllo digitale, tra cui la possibilità di regolare la risoluzione dell'encoder , eliminando quindi la necessità di ricorrere a un encoder contraddistinto da una risoluzione Impulsi per rivoluzione) maggiore o minore.

Encoder innovativi
La nuova serie AMT31 di CUI è composta da encoder capacitivi di nuova generazione che forniscono i segnali in quadrature A e B, un segnale indice oltre ai segnali di commutazione U, V e W. Sono previsti 20 livelli di risoluzione programmabili in un range compreso tra 48 e 4096 PPR, oltre alla possibilità di gestire motori con sette coppie di poli, in numero variabile da 2 a 20. Gli encoder della serie AMT31 sono dotati di mozzo di bloccaggio che semplifica l'installazione, funzionano con una tensione di 5V e richiedono una corrente di alimentazione di soli 16 mA. I vantaggi derivati dall'uso di un encoder capacitivo non sono solo quelli legati alle migliori prestazioni, alla maggiore flessibilità e all'elevata affidabilità sia sul breve sia sul lungo periodo. A differenza degli encoder magnetici e ottici, la sua uscita digitale assicura numerosi vantaggi in tutte le fasi di utilizzo dell'encoder, dalla sviluppo del prodotto all'installazione fino ad arrivare alla manutenzione. La ragione è abbastanza semplice. L'uscita di un encoder ottico o magnetico è funzionale ma sostanzialmente "stupida" e non offre agli utenti alcun vantaggio in termini di flessibilità, analisi e operatività. Un encoder capacitivo, per contro, è un dispositivo di natura digitale e integra un Asic e un microcontrollore per fornire funzionalità aggiuntive e incrementare le prestazioni. Un'uscita intelligente contribuisce a modificare e migliorare le modalità di utilizzo del dispositivo, pur garantendo la più completa compatibilità con le uscite standard di un tradizionale encoder.

I vantaggi degli encoder capacitivi
Sono notevoli i miglioramenti resi possibili dalla presenza, negli encoder della serie AMT 31, di un Asic e di un microcontollore. La natura digitale degli encoder capacitivi di CUI consente di effettuare l'azzeramento in modo semplice e veloce grazie alla funzionalità "One Touch". Il processo è molto semplice: si blocca l'albero nella posizione desiderata fornendo energia alle fasi del motore interessate e si comanda l'encoder a zero in questa posizione. Il tempo totale richiesto è dell'ordine di 1 o 2 minuti e non è necessario il ricorso a strumenti specifici. Per contro, l'azzeramento necessario per allineare meccanicamente i segnali di commutazione con gli avvolgimenti del motore utilizzando un encoder magnetico oppure ottico è un compito complesso, che richiede più fasi e può risultare talvolta frustrante. Esso prevede il bloccaggio del motore, l'allineamento fisico, e la successive inversione del moto (back-driving) e contempla il ricorso a un oscilloscopio per visualizzare la forza controelettromotrice (back-EMF) e le forme d'onda dell'encoder per assicurare un corretto allineamento dell'attraversamento dello zero. Si tratta di un processo iterativo e le varie fasi devono essere solitamente ripetute per garantire una regolazione e una verifica più accurate: l'intero ciclo di lavorazione può richiedere un tempo compreso tra 15 e 20 minuti per motore. Inoltre, le funzionalità digitali dei controllori della serie AMT consentono di migliorare il processo di progettazione del sistema, garantendo una maggiore flessibilità, oltre alla possibilità di effettuare la diagnostica e di valutare le prestazioni del motore e del relativo controllore. In particolare, poiché un solo encoder capacitivo è in grado di supportare un'ampia gamma di risoluzione e di valori di coppie dei poli, i progettisti possono sfruttare la risoluzione programmabile per regolare in maniera dinamica risposta e prestazioni dell'anello di controllo Pid nelle fasi sviluppo dell'algoritmo e del controllore senza dover procedere all'installazione e all'acquisto di un nuovo encoder. L'intelligenza integrata negli encoder della serie AMT consente di effettuare, per la prima volta, operazioni di diagnostica direttamente a bordo per un'analisi dei guasti sul campo più rapida. All'encoder può essere richiesto se il suo funzionamento è corretto oppure se esistono malfunzionamenti imputabili a disallineamenti meccanici sull'asse o ad altri problemi. Il progettista può quindi determinare in tempi brevi se l'encoder funziona correttamente o meno e cercare altrove l'origine del problema, escludendo in tal modo l'encoder quale possibile causa. Gli ingegneri, inoltre, possono sfruttare questa funzionalità per adottare misure preventive, eseguendo ad esempio una sequenza di test "encoder good" prima di far girare l'applicazione. Tutte queste caratteristiche, che non sono presenti sugli encoder ottici o meccanici, consentono ai progettisti di minimizzare i tempi di fermo macchina e anticipare eventuali problematiche che potrebbero insorgere quando le unità sono sul campo. Infine, l'interfaccia digitale contribuisce anche a semplificare la Bill Of Material. L'encoder può infatti essere personalizzato tramite software in modo da soddisfare specifiche esigenze (in termini di PPR, coppie di poli e direzione di commutazione) per cui non è necessario tenere a magazzino le differenti versioni richieste nel caso di un prodotto che utilizza diversi motori o di differenti prodotti.

Encoder intelligente e interfaccia grafica
Il software AMT Viewpoint basato su PcWindows disponibile per gli encoder capacitive di CUI, oltre ad accelerare la fase di sviluppo, semplifica l'esecuzione di numerose operazioni come ad esempio l'identificazione del numero del modello e della versione. Esso richiede solamente un cavo Usb per l'interfacciamento con l'encoder e utilizza un semplice format seriale per I dati. Questa interfaccia grafica consente all'utilizzatore di personalizzare e adattare l'encoder in base alle esigenze dell'applicazione specifica. La Gui prevede una schermata di impostazione che consente agli utenti di visualizzare le principali temporizzazioni e forme d'onda dell'encoder, con possibilità di effettuare regolazioni in modo automatico nel momento in cui vengono variate le opzioni dell'encoder.
Per programmare l'encoder attraverso questa interfaccia Gui è sufficiente la pressione di pochi tasti e per il completamento di un ciclo sono richiesti solamente una trentina di secondi. Oltre a ciò, l'allineamento e l'azzeramento di un encoder per le diverse modalità operative (segnali A e B, segnale indice o segnali di commutazione) richiedono pochi secondi, un tempo decisamente inferiore rispetto a quello richiesto per il completamento di questi compiti con un encoder non programmabile. In modalità demo, gli utenti possono navigare attraverso la Gui ed effettuare operazioni come se l'encoder sia effettivamente connesso, una metodologia questa estremamente utile per familiarizzare con gli encoder e i tool prima dell'acquisto o dell'utilizzo sul campo. Con la Gui, inoltre, è possibile creare codici ordinabili per versioni specifiche dell'encoder, con possibilità di scelta per quel che concerne tra gli altri il formato d'uscita, l'adattatore del foro e la base di montaggio.

Funzioni intelligenti
I vantaggi dell'encoder basato sulla tecnologia capacitiva vanno ben oltre I miglioramenti in termini di prestazioni e affidabilità. Encoder come quelli della famiglia AMT31 di CUI, grazie all'integrazione di un Asic e di un microcontrollore, mettono a disposizioni funzioni intelligenti che permettono di programmare il set-up e l'installazione, effettuare l'analisi del funzionamento e semplificare la gestione dell'inventario. Quando si abbinano tutte queste caratteristiche con una Gui basata su Pc, quest'ultima mette a disposizione funzionalità sofisticate ma di semplice uso che facilitano tutti gli aspetti legati all'utilizzo dell'encoder - design-in del prototipo, valutazione, debug, installazione e configurazione fino alla diagnostica e alla minimizzazione dell'inventario. Tutti questi vantaggi sono ottenuti con un encoder offerto a un costo del tutto confrontabile con quello dei dispositivi di tipo tradizionale, in grado di fornire formati e tipologie di uscite standard e contraddistinto da consumi ridotti. Equipaggiati con adattatori in grado di supportare alberi di diverse dimensioni, gli encoder della serie AMT31 sfruttano tutte le potenzialità di un'interfaccia intelligente per offrire vantaggi non ottenibili con gli encoder realizzati con le tecnologie tradizionali.

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