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Autore: Alessandro Maggioni – Senior Regional Marketing Manager – EMEA
Nel mondo odierno le aspettative nei confronti di qualsiasi tipo di apparecchiatura sono sempre più alte. Ovunque siano ubicate – nelle fabbriche, nelle abitazioni o a bordo dei veicoli – l’esigenza è controllare tali apparecchiature con elevati livelli di precisione.
La spinta verso un’automazione sempre maggiore dei compiti svolti dalle apparecchiature richiede solitamente un movimento fisico, spesso facilitato dalla disponibilità di almeno un motore. I motori sono presenti in robot, ascensori, automobili e in numerosi altri tipi di apparecchiature. Per garantire praticità e sicurezza, queste applicazioni basate su motori richiedono un controllo preciso e, come pre-requisito, la possibilità di determinare una posizione assoluta.
Nel caso del controllo motore, la precisione si basa sul rilevamento accurato e affidabile della posizione del motore che, a sua volta, dipende dal tipo di sensore utilizzato. Le moderne apparecchiature utilizzano sensori di posizione induttivi che garantiscono livelli di accuratezza nel rilevamento della posizione.
Tecnologia degli encoder
Storicamente, il metodo preferito per rilevare la posizione del motore prevedeva il ricorso a encoder magnetici oppure ottici. Entrambe queste tipologie di encoder sfruttano la correlazione esistente tra le variazioni della posizione del motore e la sua velocità.
Attualmente sono disponibili e vengono utilizzati parecchi tipi di encoder magnetici. Nonostante alcune differenze (tra cui dimensioni e peso), il loro principio di funzionamento si basa sulle variazioni di uno stesso fenomeno: i magneti sono attaccati a una parte in movimento del motore e nel momento in cui questi magneti si muovono rispetto a un rilevatore magnetico, il campo magnetico varia in maniera proporzionale al loro movimento.
In base al tipo di encoder magnetico utilizzato, la risoluzione disponibile, che a sua volta influenza la precisione, varierà e, in alcuni casi, può risultare piuttosto bassa, dell’ordine di poche centinata di PPR (Pulse Per Revolution). L’accuratezza degli encoder magnetici può essere migliorata aumentando la precisione in fase di lavorazione, anche se ciò comporta inevitabilmente un incremento dei costi.
Numerose applicazioni industriali che prevedono l’uso di motori potrebbero essere soggette a elevati livelli di interferenze elettromagnetiche (EMI) che hanno un effetto negativo sui sensori magnetici, rendendoli inaffidabili se non addirittura inutilizzabili. Anche le temperature estreme possono penalizzare l’accuratezza di questi sensori.
Gli encoder ottici, che rappresentano una tecnologia alternativa, creano e successivamente rilevano impulsi luminosi. In questo caso, il motore è equipaggiato con una griglia a forma di disco caratterizzata dalla presenza di settori trasparenti e settori opachi. Quando la griglia gira, la luce può passare attraverso i settori trasparenti, creando una serie di impulsi luminosi. Tali impulsi vengono rilevati da un fotodiodo che permette di determinare in modo semplice la velocità di rotazione e la posizione del motore.
Poiché gli encoder ottici sfruttano esclusivamente la luce, non sono influenzati dalle interferenze EMI o dai campi magnetici. Tuttavia, le loro prestazioni possono essere compromesse dalla presenza sul disco di contaminanti ambientali come sporcizia, fuliggine o persino umidità che causano l’oscuramento delle sezioni trasparenti. Anche le temperature estreme possono influenzare negativamente il funzionamento di questo tipo di encoder.
Sebbene siano costosi, gli encoder ottici possono garantire un’elevata risoluzione e un’eccellente accuratezza, a patto che vengano installati correttamente. L’accuratezza, tuttavia, tende a diminuire quando vengono utilizzati a velocità elevate.
Sensori induttivi basati sulla corrente
Un’altra tipologia di sensori impiegati per rilevare la posizione del motore è rappresentata dai sensori di tipo induttivo. Anche se questi sensori utilizzano magneti per poter operare, non si basano sulle variazioni del campo magnetico, bensì utilizzano la corrente indotta per determinare il funzionamento del motore.
Nei sensori magnetici, un dispositivo di rilevamento magnetico rileva la rotazione degli ingranaggi. Quando un ingranaggio ruota, i denti passano davanti al sensore, creando in tal modo un flusso magnetico che, a sua volta, induce nel sensore una tensione. Il monitoraggio di questa tensione consente di determinare con precisione velocità e direzione della rotazione.
Si tratta di una tecnologia ampiamente collaudata che viene utilizzata da parecchi decenni. I sensori induttivi sono abbastanza semplici e, di conseguenza, robusti e affidabili. Inoltre, sono insensibili a vibrazioni, variazioni di temperatura e all’azione degli agenti contaminanti ambientali.
I sensori induttivi sono stati ampiamente utilizzati nelle applicazioni automotive, grazie alle loro caratteristiche di elevata affidabilità e basso costo. Le recenti innovazioni hanno contribuito a migliorare questa tecnologia.
Sensore di posizione rotativo a doppia induzione
Il sensore rotativo basato sulla tecnologia a doppia induzione (dual inductive) è un nuovo tipo di sensore utilizzato per determinare la posizione del motore basato sui sensori induttivi tradizionali. Questo dispositivo sviluppato da onsemi è basato su una coppia di schede PCB (Printed Circuit Board). La prima è un rotore con una coppia di induttori stampati mentre la seconda è uno statore che include induttori stampati e un encoder integrato ad alte prestazioni. Questo nuovo sensore di posizione a doppia induzione soddisfa le esigenze delle moderne applicazioni, assicurando un funzionamento ad alta velocità abbinato a elevati livelli di accuratezza.
Denominato NCS32100, questo dispositivo è caratterizzato da una risoluzione pari a 20 bit nel caso di encoder monogiro, valore che aumenta a 24 bit per encoder multigiro. Esso utilizza un sensore da 38 mm e garantisce un’accuratezza migliore di +/-50 arcsec fino a una velocità di 6000 RPM. NCS32100 può operare a velocità decisamente superiori, che arrivano a un massimo di 100.000 RPM, anche se ciò comporta una leggera riduzione dell’accuratezza. Essendo un encoder assoluto (e non di tipo incrementale), NCS32100 può fornire i dati di posizione anche quando il rotore non è in movimento.
Fig. 1 – Il sensore di posizione rotativo NCS32100 di onsemi
Il modulo NCS32100 integra un microcontrollore embedded (MCU) basata sul core M0−ARM® con il relativo firmware. Poiché l’elaborazione del segnale avviene a bordo del dispositivo, NCS32100 fornisce informazioni precise relativamente a velocità e posizione. Grazie all’elevato livello di flessibilità e alle numerose opzioni di configurazione, è possibile connettersi a differenti modelli di sensori induttivi.
Dal punto di vista meccanico, l’approccio non è complesso e richiede un numero ridotto di componenti. Anche sotto il profilo elettrico non sussistono problemi, in quanto sono richiesti solamente due condensatori esterni per il bypass e la sintonizzazione.
Al pari di altri sensori induttivi, NCS32100 è affidabile, robusto e sicuro da utilizzare. Anche il setup e l’utilizzo sono molto semplici grazie alle funzionalità di tipo “plug&play”, alla facilità di calibrazione e alla presenza di funzionalità avanzate di diagnostica e di correzione degli errori.
NCS32100 di onsemi è stato espressamente concepito e progettato per l’utilizzo in applicazioni industriali complesse. In grado di assicurare una sensibile riduzione del costo complessivo rispetto a encoder ottici simili, NCS32100 può essere usato per sostituire o aggiornare gli attuali encoder ottici di fascia medio/alta in applicazioni quali azionamenti industriali, sistemi per l’automazione di fabbrica e in numerosi altri macchinari industriali.
Oltre alla precisione, le moderne applicazioni richiedono l’affidabilità sul lungo periodo. Il nuovo sensore di posizione rotativo a doppia induzione di onsemi assicura semplicità, ridotto numero di componenti e una maggiore durata operativa.
