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Encoder incrementali e assolutiNote introduttive

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Encoder incrementali e assolutiNote introduttive

ENCODER INCREMENTALI ED ASSOLUTI NOTE INTRODUTTIVE

Estratto Tesi di Laurea Ing. Andrea Riba (Pinerolo-TO) 2

1. INTRODUZIONE

Un encoder è essenzialmente un trasduttore di posizione angolare oppure lineare di tipoelettromeccanico in grado di fornire come grandezza di uscita un segnale elettrico di tiponumerico oppure analogico.A seconda che la posizione venga determinata ricorrendo ad un sistema di misuraangolare (mediante accoppiamento sull’albero del dispositivo) oppure in modo lineare (adesempio in una barra ottica oppure mediante opportuno accoppiamento ingranaggio-cremagliera/ filo) si parla di encoder rotativo oppure lineare.

L’encoder come dispositivo trasforma quindi un movimento meccanico in una grandezza dinatura differente che risulta essere sempre una tensione oppure una corrente a secondadell’interfaccia di uscita integrata all’interno dell’encoder stesso.

Si definisce ENCODING il processo di trasformazione del movimento meccanico che attuala rotazione dell’albero dell’encoder in valori digitali/analogici.

Questo processo di codifica è di tipo discreto (quantizzato), cioà la posizione dell’alberodell’encoder viene rilevata secondo passi discreti definiti dalla RISOLUZIONE dell’encoderstesso. A seconda del modello di encoder si possono avere risoluzioni da un minimo di 1impulso/giro fino a 360000 impulsi/giro.La risoluzione dell’encoder definisce quindi la massima precisione ottenibile sulla misuradell’angolo giro.

Il mondo degli encoder generalmente si suddivide in due grandi famiglie:

• encoder incrementali• encoder assoluti (monogiro/multigiro, programmabili)

Il principio di funzionamento su cui si basa ogni singola famiglia è il medesimo, mal’informazione di posizione viene presentata all’utente in due modi differenti. Nel caso degliencoder incrementali si ha un treno di impulsi (rettangolare oppure sinusoidale) cherappresenta il passaggio da una posizione dell’albero a quella immediatamente adiacentesecondo la risoluzione dell’encoder stesso; nel caso degli encoder assoluti in uscita si hauna stringa di bit (codice di uscita) che rappresenta in modo univoco la posizionedell’albero dell’encoder, inoltre tale posizione viene mantenuta (memoria) anche adencoder spento, questa è la caratteristica principale tra le due famiglie di encoder.

2. STRUTTURA DI UN ENCODER

Il sistema fisico che attua la conversione meccanica-elettrica è costituito nella sua essenzadai seguenti particolari:

• Led emettitore• Disco + collimatore (anche detto reticolo)• Sistema ricevente• Condizionamento del segnale• Interfaccia di uscita



Nel caso degli encoder rotativi il metodo utilizzato per generare tipicamente gli impulsi inuscita consiste nel modulare in modo opportuno un fascio di luce emesso da un diodo led1

a semiconduttore (GaAsAl) raccogliendo la luce modulata mediante un dispositivofotosensibile che può essere un fotodiodo oppure un fototransistor.

Per modulare la luce in modo sincrono con il movimento dell’albero dell’encoder si usa undisco di materiale plastico, metallico oppure vetroso sul quale sono riportate, secondotecniche differenti illustrate in seguito, una o più corone circolari concentriche diviseciascuna in un certo numero di settori chiari e scuri alternati fra loro, si veda ad esempio lafig. 1 in cui si è rappresentato un possibile esempio di disco incrementale a 15impulsi/giro2.La luce modulata dal disco, nelle caso delle alte risoluzioni, viene ancora filtrata da uncollimatore posto nelle immediate vicinanze del sistema ricevente al fine di conferire alsistema una migliore qualità del segnale luminoso che deve essere trasdotto.

Fig. 1 Esempio di struttura di un disco incrementale da 15 ppr

La luce generata dal diodo emettitore viene quindi interrotta dalle finestre create sullasuperficie del disco, filtrata dal collimatore ed infine raccolta dal sistema ricevente cheattua la conversione ottica-elettrica.

Poiché la luce, che in uscita dal diodo emettitore ha una emissione stazionaria nel tempo,viene modulata dalla rotazione del disco, al lato ricevitore si ottengono degli impulsi di luceaventi frequenza pari a:

(1)

1 In certi casi la sorgente di luce è una lampadina a filamento.2 Il numero totale di settori diviso per 2 determina la risoluzione del disco.

T

Tacca di zeroTacca informazione incrementale

utogirierisoluzionf min/60

=



La (1) è relazione fondamentale che consente di determinare la frequenza massima deisegnali generati in uscita da un generico encoder rotativo in base al numero di giri,espressi al minuto primo, effettuati dall’albero dell’encoder stesso.

Il sistema ricevente, a seconda della risoluzione dell’encoder, viene realizzato secondodue strutture differenti:

• singolo ricevitore• doppio ricevitore o tecnica differenziale

La tecnica di lettura a doppio fotoricevitore, anche detta lettura differenziale, impiegandodue ricevitori per canale consente prestazioni in termini di stabilità del segnale di uscita(jitter) e risposta in frequenza notevolmente migliori rispetto al primo tipo di sistema. Oltrea ciò si ottiene anche una maggiore immunità del segnale di uscita alle variazioni dellatensione di alimentazione rendendo tale tecnica ideale nei sistemi elettricamente ostili (adesempio nel caso del rilevamento di posizione di motori). Si ha anche una maggiorerobustezza del sistema di lettura alla deriva dei parametri a motivo delle variazioni ditemperatura e per l’invecchiamento dei componenti optoelettronici.

I segnali rilevati dal sistema ricevente (di tipo singolo oppure differenziale) possono esserepresentati immediatamente allo stadio di uscita oppure squadrati e presentati all’interfacciadi uscita.Nel primo caso si parla di encoder ad uscita sinusoidale mentre nel secondo di uscita adonda quadra.

Il segnale ad onda rettangolare viene ricavato dal segnale in uscita al sistema riceventemediante squadratura ricorrendo ad un circuito denominato classicamente trigger diSchmitt in grado di conferire all’encoder una certa immunità ai disturbi meccanici,vibrazioni, indesiderate presenti all’albero dell’encoder e sovrapposte al normale motorotativo che deve essere rilevato e trasdotto dall’encoder stesso.

Il segnale rettangolare generato in uscita ha sempre duty-cycle3 pari al 50 % questo pergarantire la massima immunità ai disturbi sui segnali prodotti dall’encoder.

3. COSTRUZIONE DEL DISCO

Il disco dell’encoder può essere costruito utilizzando sostanzialmente materiali delseguente tipo:

• Plastica• Vetro• Metallo

3 Si definisce duty-cycle, indicato con D, di un’onda rettangolare il rapporto tra l’intervallo di tempo in cuil’impulso è alto ed il periodo dell’onda stessa. Il duty-cycle è un numero reale positivo compreso sempre tra0 ed 1.



Il disco in plastica presenta le seguenti caratteristiche:

• infrangibile (resistente alle sollecitazioni meccaniche come urti e vibrazioni);• temperatura di utilizzo medio/alta;• risoluzioni medio/basse;• costi contenuti.

Il disco in vetro ha invece le seguenti proprietà:

• Delicato, non adatto in ambienti meccanicamente ostili;• adatto per le alte temperature;• altissima risoluzione;• costo elevato.

Infine il disco in metallo si usa per risoluzioni basse, generalmente inferiori ai 100 ppr epresenta il costo minore.

Il confine tra l’uso di un tipo di disco piuttosto che un altro è determinato da due fattori:

• dimensione del disco e relativa risoluzione;• precisione del processo di incisione fotografica.

Nel caso del disco in plastica si deposita l’emulsione e si espone il tutto ai raggi U.V.polimerizzando le regioni di interesse, si ha in sostanza un processo del tutto analogo adun normale sviluppo fotografico.Nel caso dei dischi in vetro si parte da una lastra di vetro sulla quale, mediantedeposizione metallica secondo riporto elettrochimico, si crea uno strato uniforme dimateriale metallico (ad esempio Cromo). In seguito si creano le finestre medianteevaporazione del metallo oppure secondo incisione galvanica (si ha in sostanza unprocesso di rimozione selettiva simile a quello usato nella fabbricazione dei circuitiintegrati).

Il processo relativo ai dischi in vetro consente di ottenere finestre con larghezze minimepari a 2 µm contro i 10 µm ottenibili dal processo fotografico, inoltre nel caso dei dischi invetro le finestre risultanti hanno una definizione nettamente migliore (righe rettilinee) il cherende questo tipo di processo l’unico praticabile per ottenere dischi ad altissimarisoluzione.

In definitiva quindi, all’aumentare della risoluzione, si possono seguire due stradedifferenti: lavorare a parità di larghezza di finestra aumentando il diametro del disco equindi le dimensioni finali dell’encoder, oppure ridurre la larghezza delle finestre passando,se è il caso, dal disco in plastica a quello in vetro.Questo passaggio comporta anche diversità nel tipo di applicazione dell’encoder stesso,infatti un disco un vetro richiede maggiori cure e meno sollecitazioni di un disco in plastica.Questo in definitiva porta a concludere come la scelta di un tipo di encoder piuttosto cheun altro non debba essere fatta solo in base al tipo di risoluzione, ma dipenda anche da uncerto numero di condizioni al contorno relative all’applicazione e all’ambienteelettrico/meccanico in cui l’encoder dovrà trovarsi ad operare.



erisoluzion⋅=

2360α

4. ENCODER INCREMENTALI

La famiglia degli encoder incrementali rappresenta la maggior parte degli encoder presentisul mercato.

Quando l’alberino dell’encoder viene ruotato di una angolo pari a:

(2)

in uscita all’encoder viene generato un impulso (rettangolare oppure sinusoidale) ditensione avente ampiezza minima e massima variabile a seconda del modello di encoderpreso in considerazione (in particolare in base al tipo di elettronica di uscita).

Per comprendere l’origine della (2) si consideri ad esempio il disco rappresentato nellafig. 1, da questa è possibile osservare come per una risoluzione da 15 impulsi/giro sidebba avere un numero pari a 30 divisioni (tra finestre chiare e scure) disegnate sullasuperficie del disco stesso, da ciò si comprende la presenza del coefficiente 2 presente adenominatore della (2).

Poiché un encoder incrementale è destinato a rilevare una posizione angolare o unavelocità di rotazione di un albero, è logico che debba presentare in uscita almeno unsegnale che, sottointeso, risulta sempre un treno di impulsi rettangolari aventi frequenza fespressa dalla (1). In questo caso si parla di encoder monodirezionale.

Avendo un solo segnale non è possibile discernere il senso di rotazione dell’alberodell’encoder, infatti sia che questo ruoti in senso orario che antiorario ad ogni passoelementare viene emesso un singolo impulso.

Per determinare il senso di marcia è necessario disporre di due segnali sfasati tra di loro di90 °, e cioè, come si usa dire, in quadratura. In questo caso infatti, andando a leggerecontemporaneamente entrambi i segnali, è facile capire se si tratta di rotazione orariaoppure antioraria. In questo caso si parla di encoder bidirezionale.

Canale A

Canale B

Fig. 2 Rotazione albero oraria.



Canale A

Canale B

Fig. 3 Rotazione albero antioraria.

L’encoder incrementale, per sua natura, rileva la differenza tra due posizioni successivefornendo un numero di impulsi pari all’incremento avvenuto dalla posizione iniziale aquella finale.Ne discende una incapacità intrinseca di distinguere valori angolari assoluti, in altre parolea pari numero di impulsi generati possono corrispondere posizioni angolari differenti.Per aiutare in questo senso l’utilizzatore si fornisce un segnale di riferimento tramite ilquale è possibile (mediante PLC) ricavare un informazione assoluta. Il segnale inquestione, fornito in aggiunta ai due canali già menzionati, si denomina sincronismo ocanale Zero (CHZ).

Il segnale di zero presenta un impulso al giro secondo tre diverse possibilità:

• sincronizzato con il canale A (larghezza 180 ° elettrici);• sincronizzato con il canale B (larghezza 180 ° elettrici);• sincronizzato con A&B (larghezza 90 ° elettrici).

La tempistica di sincronizzazione è visualizzata nella fig. 4.

Fig. 4 Segnali in uscita ad un encoder incrementale, rotazione albero antioraria.



5. RISOLUZIONE DI UN ENCODER INCREMENTALE

La risoluzione di un encoder incrementale può essere facilmente aumentata utilizzando latecnica della moltiplicazione elettronica che prevede sostanzialmente la moltiplica per x2oppure x4 della risoluzione base.

Questo sistema si basa sull’utilizzo dei fronti di salita o discesa di uno o entrambi i canaliin uscita all’encoder. Come svantaggio è possibile perdere il duty-cycle dei segnali che inalcuni casi non potrà più essere pari al 50 % ma minore.

La moltiplica x2 si ottiene considerando i fronti di salita e di discesa di uno solo dei duecanali e generando per ogni fronte un impulso di durata fissa (pari a circa metà del periododella frequenza massima che si vuole generare). Un altro modo usato per realizzare lamoltiplica x2 consiste nell’effettuare l’XOR dei due canali, in questo modo si ha la formad’onda presentata nella fig. 5 in cui, come si nota, il duty-cycle risulta ancora pari al 50 %.Nel caso della moltiplica x4 si deve generare un impulso per ogni fronte di salita e discesapresente su entrambi i canali.

I segnali presenti in uscita con queste due tecniche sono visibili nelle figg. 5 e 6.

Canale A

Canale B

x2

Fig. 5 Moltiplica elettronica x2, segnale generato con XOR dei due canali.

Canale A

Canale B

x4

Fig. 6 Moltiplica elettronica x4, duty-cycle risultante diverso dal 50%.

Queste soluzioni rendono l’encoder monodirezionale, per i bidirezionali si deve aggiungereun’elettronica che fornisca un segnale di direzione, si vedano le figg. 7 e 8 per le possibilitecniche comunemente utilizzate.



Fig. 7 Segnale con moltiplica ed indicazione del senso di rotazione.

Fig. 8 Segnale con moltiplica ed indicazione del senso di rotazione.

6. TECNICHE DI MONTAGGIO

Esistono differenti tecniche di montaggio, le più comuni per encoder ad albero sporgentesono le seguenti:

• Montaggio Servo (fori di servizio lato albero).• Montaggio Graffe (consente l’orientamento dell’encoder).• Montaggio Servo-Graffe (combinazione dei due modi precedenti).• Flangia quadra.• Flangia REO 444.• sistemi di natura mista tra i precedenti

Nel caso degli encoder ad albero cavo (cieco o passante) si hanno le seguenti possibilità:

• Grani di fissaggio.• Collarino di fissaggio.• Pinza mandrino.

Nel caso degli encoder ad albero sporgente non si hanno particolari avvertenze a partequella di utilizzare giunti elastici di accoppiamento, fig. 9, qualora si debbano sopportareintense sollecitazioni impulsive sull’albero dell’encoder e si debbano compensare ledilatazioni termiche dei materiali (importante nel caso di dischi in vetro) oppure si richiedaun accoppiamento tra alberi di diametro differente. In ogni caso è sembre bene tenerepresente che il sistema di montaggio non deve risultare un insieme rigido.

CCW

CW

CCW

CW



Fig. 9 Modelli di giunti elastici in alluminio e materiale plastico.

Nel caso degli alberi cavi la situazione è differente e presenta un maggior numero diproblemi.Gli encoder albero cavo hanno un neo caratterizzato dal gioco, sempre presente, tral’albero di cui si vuole rilevare la posizione e l’albero cavo dell’encoder. Questo giococausa una eccentricità tra questi due enti meccanici generando vibrazioni che vengonotrasmesse al sistema di lettura dell’encoder ed in particolare al disco causando unaumento del jitter sovrapposto ai segnali di uscita (minimizzabile adottando la tecnica dilettura differenziale).

Le tre tecniche di montaggio sopra elencate cercano, in una certa misura, di ovviare aquesto problema e risultano come compromesso tra il costo finale dell’encoder e leprestazioni da esso garantite.

La tecnica meno costosa, ma che da le prestazioni più scadenti è il sistema che fa ricorsoai grani di fissaggio (in genere tre grani disposti a 120°). Il motivo per cui non è possibileadottare questa soluzione su encoder ad alta risoluzione è dovuta alla difficoltà dicentraggio, mediante chiusura dei grani, dell’albero rotante con l’albero dell’encoder.Questo produce un inevitabile errore di concentricità con conseguente vibrazionedell’albero dell’encoder ed i problemi di cui si è già detto sopra.Va da se che come sistema di fissaggio risulta certamente economico ed è per questo cheviene usato su encoder a risoluzione bassa, dove l’incidenza del jitter non pregiudica inmodo significativo la qualità dei segnali di uscita.

Una soluzione più costosa, ma certamente migliore della precedente, prevede l’impiego diun collarino di fissaggio che blocca l’albero dell’encoder con l’albero rotante di cui si vuolerilevare lo spostamento angolare. In questo caso si ha una superficie di contatto e non piùsolo tre punti.Ovviamente si ha un accoppiamento migliore, ma si deve comunque prestare attenzioneal fatto che l’albero internamente all’encoder risulta libero e di conseguenza potrà avereuna certa eccentricità e quindi creare vibrazioni all’intera struttura. In ogni caso il problemaè meno sentito che nel caso della chiusura mediante grani.

La tecnica migliore fra le tre presentate, ma senza dubbio la più onerosa in termini di costoe costruzione, risulta il bloccaggio tramite pinza a mandrino, in questo caso si massimizzala superficie di contatto tra l’albero dell’encoder e l’albero di misura.

In teoria, seguendo questo modo di pensare, la tecnica migliore in assoluto dovrebbeessere quella adottata nelle macchine utensili in cui si ha un accoppiamento tra i due



alberi di tipo conico, in questo caso il sistema risulta autocentrato, ma attualmente, almenonel campo degli encoder, non si hanno realizzazioni di questo tipo ed il motivo èrappresentato dalla difficoltà insita nel sistema destinato ad aprire la connessione tral’albero dell’encoder e l’albero di cui si vuole misurare la posizione.

Per compensare i differenti coefficienti di dilatazione termica ed evitare sollecitazioni sugliorgani meccanici a contatto si utilizzano delle molle di fissaggio aventi il compito diassorbire le variazioni di posizione tra l’encoder e l’apparato ad esso collegato per effettodella temperatura.

7. ELETTRONICA DI USCITA

L’encoder è un sistema versatile dal punto di vista dell’utente ed a tale scopo forniscedifferenti interfacce di uscita a seconda del tipo di impiego a cui è destinato, in sostanza sihanno le seguenti tipologie:

• NPN (normale o open collector) fig. 10• PNP (normale o open collector) fig. 11• PUSH-PULL fig. 12• LINE-DRIVER (PUSH-PULL COMPLEMENTATO) fig. 13

Per tutte le tipologie è possibile avere la versione protetta contro il corto circuito sia verso ilpotenziale di riferimento che verso l’alimentazione.L’uscita più utilizzata nel campo dei controllori programmabili (PLC) è il tipo PNP, meno laNPN, le rimanenti PUSH-PULL e LINE-DRIVER sono utilizzate qualora si abbiano notevolidistante (dell’ordine dei 100 m) tra l’uscita dell’encoder ed il sistema di elaborazione edanche nel caso in cui l’ambiente in cui l’encoder si trovi a lavorare siaelettromagneticamente ostile (EMI).

L’uscita open-collector (da evitare quando possibile) ha l’unico vantaggio di consentirel’interfacciamento dell’uscita dell’encoder con sistemi funzionanti a tensione differente.

Per quanto concerne le distanze massime4, queste dipendono da numerosi fattori:

• elettronica di uscita;• cavo di connessione;• condizioni ambientali (EMI).

In linea di principio, utilizzando cavi con schermatura non inferiore al 90 % si raggiungonole seguenti distanze:

• NPN/PNP (non open collector) <= 10 m• PUSH-PULL <= 50 m• LINE-DRIVER <= 100 m

L’elettronica PUSH-PULL presenta su entrambi i livelli logici del segnale di uscita unaimpedenza di uscita estremamente bassa, quindi consente di avere correnti di uscitaintense su cavi di lunghezza dell’ordine del 50 m senza perdita eccessiva del segnale. 4 Oltre il quale il segnale risulta così distorto da causare errori in fase di ricezione.



L’elettronica LINE-DRIVER, riunisce i vantaggi della configurazione PUSH-PULL con ivantaggi offerti dalla trasmissione differenziale, in questo modo si ottiene una maggioreimmunità ai disturbi di modo comune che possono essere presenti sui conduttori relativi alpotenziale di riferimento (0 Volt).

Fig. 10 Elettroniche NPN (normali e open collector)

Fig. 11 Elettroniche PNP (normali e open collector)

Fig. 12 Elettroniche PUSH-PULL e PUSH-PULL protetta.

Fig. 13 Elettronica LINE-DRIVER o PUSH-PULL complementata.



8. ENCODER ASSOLUTI

Per quanto concerne il sistema ottico e l’elettronica di uscita sono sostanzialmente simili aimodelli incrementali, la differenza fondamentale si ha nel disegno del disco ed in un mododi trasmissione dei dati detto SSI.

Un encoder assoluto ricorda sempre la posizione dell’albero indipendentemente dal fattoche l’encoder risulti alimentato oppure spento. In altre parole al posto di avere sul disco unsemplice reticolo in corrispondenza di ogni canale si ha una serie di finestre disposte inmodo da fornire in uscita all’encoder un codice numerico, oppure analogico, univoco inbase all’angolo di rotazione dell’albero stesso.Un esempio di disco è visibile nella fig. 14.

Fig. 14 Esempio di disco per encoder assoluto (codice GRAY a 4 bit).

In sostanza la disposizione delle finestre consente la formazione di un codice numerico ilcui valore dipende strettamente dalla posizione dell’albero.

Per associare ad ogni posizione angolare un valore numerico univoco esistono differentipossibilità, ma tutte quante si basano sul fatto che i segnali rilevati dal sistema di letturapossono assumere solo due livelli “0” ed “1”.

Questo definisce univocamente un sistema di codifica in base 2 o binario per il quale sonopossibili appunto solo due cifre ed in particolare 0 ed 1.

Il primo codice che si potrebbe utilizzare è il codice binario naturale, questo modo diformare il codice sul disco comporta però alcuni problemi in fase di lettura del codicestesso. Tali problemi sono associati alle ambiguità che nascono in corrispondenza deifronti di commutazione dei bit di codice. Il tutto si comprende osservando che nel codicebinario tra due codici adiacenti è possibile che si verifichino cambi di stato in più di un bit.Poiché il sistema non si può adattare istantaneamente al cambio di stato è possibile chealcuni bit commutino più velocemente di altri raggiungendo prima lo stato finale. In questocaso si creano dei codici intermedi che provocano, senza prendere i dovuti accorgimenti,errori di lettura.

Asse di lettura del codice



A tale scopo si utilizzano altri tipi di codici che, per la loro natura, prevedono nel passaggiotra codici contigui, il cambio di stato di un solo bit. In questo modo si eliminano leambiguità di lettura sopra descritte rendendo il sistema più stabile. Uno tra questi tipi dicodici è rappresentato dal codice Gray, Gray eccesso 3, Gray troncato al centro5 chepossono essere usati in alternativa rispettivamente al codice Binario e BCD.

Qualora invece sia necessario disporre in uscita all’encoder di segnali in codice binario siattua all’interno dell’encoder una conversione Gray-Binario fornendo all’utente due diversisistemi di acquisizione del dato:

• mediante segnale di STROBE• mediante segnale di LATCH

Lo STROBE viene generato dall’encoder ogni qual volta si ha in uscita un dato valido, cioèprivo di alee dovute alla commutazione non sicrona di tutti i bit del codice.

Il LATCH invece viene dato dall’utente e provoca il congelamento dei dati in uscitaall’encoder; una volta dato il comando ed aspettato un periodo di tempo sufficiente a farestabilizzare i dati di uscita e possibile effettuare la lettura di questi ultimi.

9. TIPOLOGIE DEGLI ENCODER ASSOLUTI

Un encoder assoluto è quindi, nella sua essenza, un trasduttore di posizione angolare cheassocia ad una particolare posizione dell’albero un codice numerico su n bit.

Il codice prodotto in uscita, sotto forma di informazione seriale sincrona (SSI) oppureparallela, è legato al tipo di risoluzione voluta, e la stima del numero di bit necessari perrappresentare tutto lo sviluppo del codice si effettua semplicemente arrotondando all’interomaggiore il logaritmo in base 2 della risoluzione stessa.

Ad esempio, volendo calcolare il numero di bit necessari per rappresentare unarisoluzione pari 8192 PPR, si avrà6:

log2(8192)=Lg(8192)/Lg2=13 bit

In commercio esistono due grandi famiglie di encoder assoluti:

• Monogiro• Multigiro

Gli encoder assoluti monogiro risultano costituiti da un solo disco, detto disco principale,il quale reca tutte le informazioni necessarie allo sviluppo del codice per la risoluzionevoluta. Quindi volendo un encoder monogiro da 8192 ppr si avrà un unico disco (in vetrooppure plastica a seconda della risoluzione e del diametro) con inciso un codice Gray a13 bit. 5 Si ha anche il codice Gray troncato ai lati, in questo caso si ha un unico salto di codice in cui non vale più laregola che caratterizza il codice Gray, per tutto il resto del codice la regola viene mantenuta.6 in cui si ricorda che Lg(x) è il logaritmo in base 10 di x (questo calcolo serve per determinare il log2utilizzando il Lg normalmente disponibile sulle calcolatrici scientifiche più diffuse).



La tecnologia spinge verso la miniaturizzazione dei dispositivi ed in questa corsa, incontinua evoluzione, rientrano anche gli encoder. Questo, come visto, significa avere deilimiti tecnologici sulla massima risoluzione ottenibile ragionando a parità di diametro deldisco.Per comprendere quanto sopra basta pensare ad esempio ad un disco da 56 mm didiametro avente risoluzione 8192 ppr, questo significa avere una risoluzione angolare paria:

alpha=360/(2 * 8192)=0° 1’ 19.1”

cioè 1’ su 360°.In altre parole, se si considera la sezione rettificata del disco, questa risulta pari a:

2*pi*R=2 * 3.141592654 * 28=175.93 mm

mentre la singola riga incisa sul disco e relativa all’LSB deve avere uno spessore pari a:

175.93/(2 *8192)=0.01 mm

Questo esempio illustra in modo chiaro il problema delle alte risoluzioni risolvibile anchenel caso degli encoder assoluti in due modi:

• adottando dei dischi di diametro maggiore;• realizzando strutture più complesse impieganti dischi di servizio

La prima strada ovviamente è la più semplice, ma porta a dispositivi aventi dimensionitanto maggiori quanto più la risoluzione è alta, la seconda soluzione porta allo sviluppodella seconda famiglia di encoder cioè dei modelli multigiro.

Gli encoder multigiro risultano costituiti da un disco detto ancora disco principale e da unaserie di dischi, in genere di dimensioni minori del principale, denominati satelliti. Per ognigiro del disco principale i satelliti si spostano di una frazione di angolo giro in relazione altipo di moltiplica voluta.

Ad esempio volendo una moltiplica per 16 si può allestire un disco satellite riportante uncodice Gray a 4 bit, equivalente a 16 codici. Ovviamente si dovrà anche dotare il tutto diuna opportuna serie di ingranaggi che sia in grado di tradurre una rotazione completa deldisco principale in un angolo pari ad 1/16 dell’angolo giro sul disco satellite.

Da ciò si capisce come risulti relativamente semplice estendere la profondità di codicedell’encoder, dotando lo stesso di un numero maggiore di dischi satelliti innestati uno incascata all’altro.

Seguendo questa filosofia, risulta semplice verificare come un encoder assoluto multigirocon risoluzione pari a 8192 x 4096 ppr possa essere realizzato, secondo quanto detto,utilizzando un disco principale da 8192 ppr e 3 dischi satelliti7, posti in cascata, ognuno da4 bit. In questo modo il primo satellite effettua un giro ogni 16 del disco principale,

7 Come si potrà capire da quanto esposto in seguito questo numero non è vincolante, anzi, in linea teorica, il numero deidischi satellite potrebbe essere anche infinito.



raggiungendo una profondità di codice pari a 8192 x 16 = 131072 codici. Il secondosatellite, fa un giro completo ogni 16 del primo satellite, quindi ogni 16x16 giri del discoprincipale quindi raggiungendo una profondità di codice pari a 8192 x (16 x 16)= 8192 *256 = 2097152 codici. Infine il terzo satellite, analogamente a quanto accadeva per ilsecondo, effettua un giro completo ogni 16 giri del secondo satellite, quindi ogni 16 x 16 x16 = 4096 giri del disco principale, raggiungendo così una profondità di codice pari a 8192x 4096 = 33554432 codici il che equivale ad uno sviluppo di 25 bit (13 bit del discoprincipale + 12 bit dei tre dischi satelliti).

Questo ragionamento si può estendere facilmente al caso di risoluzioni decimali, in questocaso risulta infatti sufficiente adottare dischi satelliti di tipo decimale oppure elaboraretramite sistemi a microprocessore il codice mappando la risoluzione base in quella voluta.

La meccanica (ruote dentate) dei satelliti ha ovviamente del gioco che si ripercuote sullaprecisione dei codici letti dal sistema ottico, questi errori si possono eliminarecompletamente (se l’entità del gioco rientra entro certi valori) con particolari circuitielettronici.

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Per il Medio Oriente, l’Africa e altri paesi dell’Europa orientale,Tel: +31 (0) 23 568 13 22 www.eu.omron.com

Automazione e azionamenti• PLC - Controllori programmabili • Reti• HMI - Terminali di comando • Servosistemi • Inverter • Software

Componenti industriali• Pulsanti e indicatori • Microinterruttori • Finecorsa • Relè per circuito stampato • Relè statici• Relè per impieghi generali • Zoccoli • Contattori, partenza motore • Temporizzatori • Contatori• Unità di collegamento • Posizionatori angolari • Regolatori di livello • Regolatori di processo• Termoregolatori • Strumenti di misura digitali • Alimentatori switching

Sensori e componenti per la sicurezza• Sensori fotoelettrici • Sensori di prossimità • Sensori di spostamento • Encoder• Unità di controllo per sensori • Sistemi di visione • Sistemi di identificazione • Finecorsa di sicurezza• Relè e moduli di sicurezza • Barriere fotoelettriche di sicurezza • Pulsanti di emergenza

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