Nei sistemi di controllo automatizzati, gli encoder magnetici agiscono come i 'nervi sensoriali' delle apparecchiature, catturando accuratamente ogni dettaglio del movimento. La scelta del tipo giusto è fondamentale per garantire un funzionamento efficiente del sistema.
Nella moderna automazione industriale, nella robotica e nelle apparecchiature intelligenti, gli encoder magnetici sono diventati componenti fondamentali per il rilevamento della posizione grazie ai loro vantaggi unici. Rispetto agli encoder ottici tradizionali, gli encoder magnetici offrono maggiore adattabilità ambientale, maggiore affidabilità e un ingombro ridotto.
Di fronte a diversi requisiti applicativi, gli encoder magnetici hanno sviluppato diversi percorsi tecnici e metodi di classificazione, ciascuno dei quali ha le proprie caratteristiche prestazionali uniche e scenari applicativi adatti.
01 Encoder magnetici: principio di funzionamento e vantaggi tecnici
Gli encoder magnetici sono sensori di posizione basati sul principio dell'induzione magnetica , che misurano lo spostamento rotazionale o lineare rilevando cambiamenti periodici in un campo magnetico.
I componenti di base comprendono tre parti: una scala/anello magnetico, un sensore magnetico e un circuito di elaborazione del segnale.
La scala o anello magnetico ha poli magnetici N/S disposti uniformemente, formando una distribuzione periodica del campo magnetico. Quando si verifica un movimento relativo tra la scala magnetica e il sensore, l'elemento di rilevamento magnetico rileva la variazione del campo magnetico ed emette un segnale elettrico corrispondente, che viene quindi elaborato dal circuito per ottenere informazioni sulla posizione.
Rispetto agli encoder ottici, gli encoder magnetici offrono molteplici vantaggi : maggiore resistenza alla contaminazione e alle vibrazioni; adattamento a un intervallo di temperature più ampio; struttura semplice e costo più basso; capacità di lavorare stabilmente in ambienti industriali difficili.
Queste caratteristiche hanno portato alla diffusa applicazione degli encoder magnetici in campi quali l'automazione industriale, l'elettronica automobilistica e l'aerospaziale.
02 Classificazione per tipo di uscita del segnale: incrementale, assoluta e ibrida
Encoder magnetici incrementali
Gli encoder incrementali emettono segnali impulsivi bifase A e B con una differenza di fase di 90° ; alcuni includono anche un segnale di indice di fase Z (uno per giro).
Contando il numero di impulsi e valutando la sequenza delle fasi A e B, è possibile determinare lo spostamento relativo e la direzione del movimento.
Vantaggi : struttura semplice, basso costo, alta frequenza di risposta.
Svantaggi : le informazioni sulla posizione vengono perse dopo un'interruzione dell'alimentazione, rendendo necessario il re-homing.
Applicazioni : adatto per rotazione continua, controllo della velocità e occasioni con punti di riferimento chiari.
Encoder magnetici assoluti
Ogni posizione di un encoder assoluto corrisponde ad un codice digitale univoco . Conserva le informazioni sulla posizione dopo l'interruzione dell'alimentazione e ottiene immediatamente il valore della posizione corrente all'accensione.
Assoluto a giro singolo : All'interno di un intervallo di 360°, ogni posizione ha un codice univoco; il codice cicla dopo aver superato i 360°.
Assoluto Multigiro : Aggiunge il conteggio dei giri sulla base del giro singolo, ampliando il campo di misura.
Vantaggi : memoria allo spegnimento, nessuna necessità di homing, dati affidabili.
Svantaggi : struttura complessa, costo più elevato.
Applicazioni : campi che richiedono elevata affidabilità, come giunti di robot, macchine utensili CNC e settore aerospaziale.
Encoder magnetici ibridi
Gli encoder ibridi combinano le caratteristiche dei tipi incrementali e assoluti , in grado di fornire sia informazioni sulla posizione assoluta che segnali incrementali ad alta risoluzione.
Questo design bilancia l'affidabilità e la precisione del sistema e sta diventando sempre più popolare nei servosistemi di fascia alta e nelle apparecchiature di misurazione di precisione.
03 Classificazione in base al principio di rilevamento magnetico: effetto Hall, magnetoresistivo
Codificatori ad effetto Hall
In base all'effetto Hall, quando un conduttore percorso da corrente viene posto in un campo magnetico, viene generata una differenza di potenziale in una direzione perpendicolare sia alla corrente che al campo magnetico.
Caratteristiche : Basso costo, buone caratteristiche di temperatura, lunga durata.
Difetti : risoluzione relativamente bassa.
Applicazioni : applicazioni sensibili ai costi come motori automobilistici ed elettrodomestici.
Encoder magnetoresistivi anisotropi (AMR).
Utilizza la caratteristica secondo cui la resistività dei materiali ferromagnetici cambia in un campo magnetico esterno. La sensibilità è diversi ordini di grandezza superiore rispetto agli elementi Hall.
Caratteristiche : Alta risoluzione, ampia risposta in frequenza, caratteristiche di temperatura stabili.
Difetti : Richiede schermatura magnetica, costo più elevato.
Applicazioni : servomotori ad alta precisione, strumenti di precisione.
Encoder magnetoresistivi giganti (GMR) e magnetoresistivi tunnel (TMR).
GMR e TMR sono tecnologie di rilevamento magnetico di nuova generazione, con una sensibilità di un ordine di grandezza superiore a quella dell’AMR.
Caratteristiche : sensibilità ultraelevata, elevato rapporto segnale-rumore, basso consumo energetico.
Difetti : processo complesso, costi elevati.
Applicazioni : campi di altissima precisione come robot industriali di fascia alta e apparecchiature mediche.
04 Classificazione per tipo di struttura: albero pieno, cavo cieco, cavo passante
Encoder magnetici ad albero pieno
Il sensore è collegato in modo fisso all'albero rotante, caratterizzato da una struttura compatta, bassa coppia e basso costo.
Adatto per piccoli motori e micro-robot con vincoli di spazio, ma l'installazione richiede un accoppiamento e richiede un'elevata precisione di allineamento.
Encoder magnetici cavi ciechi (semi-cavi).
L'encoder ha un foro cieco su un lato ed è montato direttamente sull'albero del motore, offrendo facilità di installazione e buona affidabilità.
Questa è la struttura più comunemente utilizzata oggi, poiché bilancia prestazioni e costi, ed è ampiamente utilizzata nei servomotori e nei robot industriali.
Encoder magnetici passanti cavi (albero cavo).
Presentano un foro centrale passante che penetra l'intero encoder , consentendo il passaggio di cavi o di un albero, soddisfacendo particolari esigenze di installazione.
Adatto per strutture meccaniche complesse, come giunti di robot collaborativi e piattaforme girevoli di precisione.
05 Classificazione per grado di precisione: commerciale, industriale, strumentale
Encoder magnetici di livello commerciale
Risoluzione : generalmente inferiore a 12 bit (4096 PPR)
Precisione : ±1° o superiore
Temperatura di funzionamento : da 0°C a +70°C
Applicazioni : elettrodomestici, elettronica di consumo, motori generali
Encoder magnetici di livello industriale
Risoluzione : 12-16 bit (4096-65536 PPR)
Precisione : da ±0,1° a ±0,5°
Temperatura di funzionamento : da -40°C a +85°C
Grado di protezione : generalmente IP54 o superiore
Applicazioni : Automazione industriale, servomotori, utensili elettrici
Encoder magnetici di livello strumentale
Risoluzione : 16-24 bit (65536-16777216 PPR)
Precisione : da ±0,01° a ±0,05°
Temperatura di funzionamento : da -40°C a +110°C
Caratteristiche speciali : Resistenza agli urti, resistenza alle vibrazioni, protezione EMC
Applicazioni : Aerospaziale, misurazioni di precisione, ricerca scientifica di fascia alta
06 Guida alla scelta dell'encoder magnetico
Definire i requisiti dell'applicazione
Tipo di movimento : movimento rotatorio o lineare? Continuo o alternativo?
Requisiti di controllo : controllo della posizione, controllo della velocità o entrambi?
Condizioni ambientali : temperatura, umidità, vibrazioni, interferenze elettromagnetiche?
Determinare i parametri chiave
Risoluzione : selezionare in base ai requisiti di precisione del controllo, non necessariamente maggiore è migliore.
Precisione : considerare il budget complessivo degli errori del sistema.
Frequenza di risposta : deve soddisfare i requisiti di velocità operativa massima.
Interfaccia di uscita : parallela, seriale, bus di campo.
Considerare le condizioni di installazione
Vincoli di spazio : determinare le dimensioni e il metodo di installazione consentiti.
Collegamento dell'albero : considerare i requisiti di allineamento e la comodità di installazione.
Grado di protezione : selezionare la protezione adeguata in base ai contaminanti ambientali.
Valutare i fattori economici
Intervallo di budget : trova un punto di equilibrio tra esigenze di prestazioni e costi.
Costo del ciclo di vita : considerare i costi a lungo termine di manutenzione e sostituzione.
Lead time di fornitura : garantire la stabilità della catena di fornitura.
07 Tipi speciali di encoder magnetici
Encoder magnetici lineari
Utilizzato per la misura dello spostamento lineare , composto da una scala magnetica e una testina di lettura.
Vantaggi : ampio campo di misura, installazione flessibile, forte resistenza alla contaminazione.
Applicazioni : macchine utensili CNC, macchine di misura a coordinate, motori lineari.
Encoder magnetici assoluti multigiro
Utilizza la tecnologia di raccolta dell'energia Wiegand o i meccanismi di trasmissione a ingranaggi per ottenere il conteggio meccanico multigiro.
Caratteristiche : Può mantenere le informazioni sulla posizione su più giri dopo un'interruzione di corrente senza bisogno di una batteria.
Applicazioni : sistemi di passo per turbine eoliche, macchinari portuali, macchinari di ingegneria.
Encoder magnetici a doppia traccia
Hanno due unità di rilevamento magnetico indipendenti che possono emettere due segnali contemporaneamente.
Vantaggi : il design ridondante migliora l'affidabilità; i doppi segnali facilitano la compensazione degli errori.
Applicazioni : sistemi critici per la sicurezza, occasioni speciali che richiedono elevata affidabilità.
Con i progressi nei materiali magnetici, nei circuiti integrati e nelle tecnologie di elaborazione del segnale, gli encoder magnetici si stanno sviluppando verso una maggiore precisione, dimensioni più piccole e maggiore intelligenza.
Tecnologie innovative come i nuovi elementi di rilevamento magnetico TMR, funzioni di autodiagnosi intelligenti e progetti di controllo dell'azionamento integrati stanno espandendo continuamente i confini dell'applicazione degli encoder magnetici.
Nel contesto della futura Industria 4.0 e della produzione intelligente, l'importanza degli encoder magnetici come 'nervi sensoriali' delle apparecchiature diventerà sempre più importante, fornendo capacità di percezione della posizione più precise e affidabili per le apparecchiature intelligenti.
