Che cosa c’è su un disco encoder: traccia incrementale, traccia di zero e tracce assolute

Gli anelli di pattern su un disco encoder si chiamano tracce e ognuno ha il suo compito: la traccia incrementale conta i passi, la traccia di zero fornisce il riferimento, le tracce di commutazione servono il servomotore, le tracce assolute danno direttamente la posizione e l’anello di centraggio aiuta l’allineamento in montaggio. Questo articolo presenta le tracce una per una e confronta i pattern dei dischi incrementali e assoluti.

Guardando un disco encoder controluce si vedono anelli di pattern di finezza diversa: all’esterno linee fittissime, più all’interno alcuni lunghi archi, e un anello con una sola piccola apertura. Ogni anello si chiama “traccia” e ha il suo compito. Riconoscere le tracce è il primo passo per leggere il disegno di un disco encoder.

Figura 1 – Tracce evidenziate una dopo l’altra: a sinistra traccia incrementale, traccia di zero, tracce di commutazione e anello di centraggio di un disco incrementale; a destra tracce in codice Gray e traccia di interpolazione di un disco assoluto.

Traccia incrementale: contare “quanti passi”

La traccia incrementale è un anello di linee equidistanti; il “numero di linee” di un disco si riferisce a essa. Un disco da 2500 linee produce 2500 periodi di segnale per giro.

I canali A e B provengono dalla stessa traccia incrementale: la testina di lettura ha due gruppi di finestre sfalsati di 1/4 di passo, così si ottengono due segnali sfasati di 90°, usati per riconoscere il verso e per la decodifica x4.

La traccia incrementale si mette di solito sull’anello esterno perché il passo vale p = 2πr ÷ N. A parità di numero di linee, più grande è il raggio, più largo è il passo. 2500 linee al raggio di 20 mm danno un passo di circa 50 μm e una larghezza linea di circa 25 μm; spostate al raggio di 10 mm, il passo scende a circa 25 μm, e sia la lavorazione sia la lettura diventano più difficili.

Traccia di zero: un segnale stradale per giro

All’accensione un encoder incrementale non sa dove si trova; può solo contare a partire dalla posizione attuale. La traccia di zero ha un’unica finestra per giro e fornisce un impulso di zero (Z) a ogni giro, che il controllore usa come riferimento per la ricerca dello zero.

La posizione della finestra di zero deve essere allineata con precisione alle linee incrementali, in modo che l’impulso Z mantenga una relazione di fase fissa con i segnali A e B.

Tracce di commutazione: per i servomotori

Dopo l’accensione, l’azionamento di un servomotore brushless deve sapere approssimativamente dove si trovano i poli del rotore per alimentare correttamente gli avvolgimenti. A questo servono le tracce di commutazione, di solito tre anelli U, V e W.

Ogni anello è diviso in segmenti secondo il numero di coppie polari del motore, e i tre canali sono sfasati di 120° elettrici. Per un motore a 4 coppie polari, ogni canale compie 4 periodi per giro e i tre canali sono sfalsati di 120° ÷ 4 = 30° meccanici (vedi Figura 1). Combinati, i tre segnali hanno 6 stati, ciascuno corrispondente a 60° elettrici: abbastanza per avviare il motore, dopodiché la traccia incrementale prende in carico la commutazione precisa.

Anello di centraggio e marcature

L’anello di centraggio è un sottile anello circolare concentrico alle tracce. Non genera segnali e serve solo al montaggio: al microscopio si ruota l’albero e si regola il disco finché l’anello di centraggio non oscilla più. Un’eccentricità di 5 μm al raggio di 20 mm produce con una sola testina un errore di circa 52″, quindi questo passaggio è fondamentale.

Sul disco ci sono inoltre spesso marcature come numero di lotto, verso di rotazione e identificazione del lato graduato, utili per tracciabilità e montaggio.

Disco assoluto: un anello per bit

Un disco assoluto “scrive” la posizione direttamente sul disco. A destra nella Figura 1 ci sono 6 anelli di codice Gray, ciascuno rappresenta un bit; leggendo lungo il raggio una sequenza di 0 e 1 si sa in quale delle 64 celle si trova il disco, ciascuna di 360° ÷ 64 = 5,625°.

Si usa il codice Gray invece del binario normale perché nel codice Gray due celle adiacenti differiscono per un solo bit, quindi anche quando la finestra di lettura cade su un confine tra celle non si leggono valori assurdi. Il bit più significativo sta sull’anello interno e il bit più fine su quello esterno, sempre perché l’anello esterno ha una circonferenza maggiore e il pattern non diventa troppo fine.

Nei dischi assoluti con più bit, di solito non si realizza ogni bit come anello a sé: si determina la posizione grossolana con tracce codificate (o con un’unica traccia a codice pseudocasuale) e poi una traccia di interpolazione esterna genera segnali seno/coseno per interpolare all’interno della cella.

I pattern dei due tipi di disco a confronto:

	Disco incrementale	Disco assoluto
Tracce principali	Traccia incrementale, traccia di zero; per uso servo in più le tracce di commutazione	Più tracce codificate o una traccia a codice pseudocasuale, più una traccia di interpolazione
Dopo l’accensione	Deve ruotare fino allo zero per conoscere la posizione assoluta	Legge direttamente la posizione attuale
Caratteristiche del pattern	Linee fini all’esterno, anelli interni semplici	Ogni anello ha un pattern diverso, disposizione più complessa

Sintesi

La traccia incrementale conta i passi, la traccia di zero fornisce il riferimento, le tracce di commutazione aiutano l’avvio del motore, le tracce assolute danno direttamente la posizione, anello di centraggio e marcature servono montaggio e tracciabilità. Leggendo il disegno di un disco encoder, prima si individua quale traccia è ciascun anello, poi se ne guardano numero di linee, raggio e tolleranze: così è difficile trascurare qualcosa.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0012). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com