I resolver sono ottimi. Gli encoder sono ottimi. Ma quale è il dispositivo migliore? La risposta è che dipende dall’utilizzo che se ne vuole fare. Questo articolo spiega il funzionamento, esamina i punti di forza e di debolezza di ciascun dispositivo e propone anche alcune alternative.
Che cosa è un resolver?
Un resolver è un trasformatore elettrico utilizzato per misurare l’angolo di rotazione. La maggior parte dei resolver hanno l’aspetto di un motore elettrico – con avvolgimenti in rame sullo statore e un rotore di metallo lavorato. L’accoppiamento induttivo tra gli avvolgimenti del trasformatore varia in funzione dell’angolo. Pertanto, se si eccita il trasduttore di posizione angolare con un segnale in corrente alternata e si misura la tensione degli avvolgimenti del trasformatore, si ottiene un segnale elettrico in corrente alternata la cui ampiezza è proporzionale all’angolo.
Anche se sono disponibili molti tipi diversi, un tipico resolver ha tre avvolgimenti – un avvolgimento primario e due secondari. Questi avvolgimenti sono realizzati con filo di rame e di solito sono formati sull’elemento stazionario del resolver – lo statore. L’avvolgimento primario viene utilizzato come input per il segnale di azionamento in c.a. e ciascun avvolgimento secondario viene utilizzato come avvolgimento di pick-up o di ricezione. Nel diagramma riportato di seguito, il rotore è costituito da un materiale come il ferro o l’acciaio ed è disposto in modo tale da accoppiare quantità variabili di energia nei secondari a seconda del suo angolo di rotazione. Nel diagramma riportato di seguito, l’uscita dai secondari sarà sotto forma di onda sinusoidale e cosinusoidale. Di conseguenza il rapporto dei segnali varia in base all’angolo.
Un resolver è un trasformatore elettrico utilizzato per misurare l’angolo di rotazione
I resolver hanno una solida reputazione in termini di affidabilità e sono spesso la scelta automatica per le applicazioni ad alta affidabilità o correlate alla sicurezza. Un problema comune è che molte schede tecniche dei resolver specificano una risoluzione infinita. Mentre questo teoricamente potrebbe essere vero, in pratica non lo è mai, perché la maggior parte dei moderni sistemi di controllo verrà convertito in un segnale digitale con una risoluzione finita. L’effettiva risoluzione sarà determinata dalla qualità del circuito di conversione da analogico a digitale.
Questo porta a una considerazione sottile ma alquanto importante, vale a dire che per progettare un sistema basato su resolver occorre una certa competenza specialistica. Questo perché si richiede un circuito separato per l’eccitazione e l’elaborazione del segnale. I resolver hanno anche fama di essere pesanti, ingombranti e costosi. Per molte applicazioni convenzionali non rappresentano una soluzione economicamente consona e, in generale, vengono utilizzati solo in quei settori nei quali l’impiego di capitale è secondario rispetto alle caratteristiche tecniche e alle prestazioni, come il settore aerospaziale e della difesa.
Che cosa è un encoder ottico?
Un encoder rotativo, chiamato anche encoder ad albero, è un dispositivo che converte la posizione angolare o il movimento in un codice analogico o digitale.
Ci sono due tipi principali: assoluto e incrementale (relativo). L’uscita degli encoder assoluti indica la posizione corrente dell’albero, rendendoli dei trasduttori angolari. L’uscita degli encoder incrementali fornisce informazioni sul moto dell’albero, che normalmente vengono ulteriormente elaborate altrove in dati come velocità, distanza, giri/min e posizione.
Gli encoder possono utilizzare diverse tecniche di rilevamento ma la più comune è quella ottica. Negli encoder ottici, una sorgente emette una luce su o attraverso un disco rotante contrassegnato in modo tale che la luce vi passi attraverso o venga bloccata. Il sensore ottico rileva il passaggio della luce e genera un corrispondente impulso elettrico. La scale ottiche possono essere disposte come una serie di segni da utilizzare per la misurazione dell’angolo o del movimento. La scala dei segni può essere molto fine – fino ai micron.
Gli encoder ottici utilizzano un sensore ottico e un disco ottico per misurare l’angolo.
Trenta anni fa, la maggior parte delle applicazioni utilizzavano i resolver piuttosto che gli encoder ottici. Oggi la situazione è invertita. Un fattore importante è che il mercato è stato sommerso da una miriade di encoder prodotti da una grande varietà di costruttori. A differenza dei resolver, gli encoder ottici non richiedono alcuna elettronica separata. Le loro misurazioni sono immediatamente utilizzabili da un sistema di controllo nell’ospite. Pertanto sono più facili da specificare e implementare.
La loro principale debolezza è che, semplicemente, non sono in grado di funzionare bene negli ambienti particolarmente difficili ad elevato rischio di vibrazioni, urti, presenza di corpi estranei o temperature estreme. Vi è poco o nessun avviso di guasto imminente.
Che cosa è un encoder induttivo?
In questi ultimi anni sta incontrando un buon successo una nuova generazione di dispositivi – gli encoder induttivi. L’encoder induttivopuò essere considerato un ibrido tra un resolver e un encoder ottico. Gli encoder induttivi (o Incoder) utilizzano gli stessi principi di fisica dei resolver ma sono meno costosi, più leggeri, più compatti e più accurati. Ma soprattutto, sono anche più facili da usare perché richiedono solo l’alimentazione in corrente continua e producono un segnale digitale che rappresenta un angolo assoluto – come un encoder ottico assoluto. Le esigenze in termini di competenza tecnica vengono eliminate poiché gli encoder induttivi non richiedono una circuiteria di elaborazione elettronica separata – tutti i componenti elettronici necessari sono integrati nello statore dell’encoder induttivo. Ciò significa che gli Incoder hanno tutti i vantaggi di un resolver ma nessuno dei loro svantaggi.
Poiché gli encoder induttivi non utilizzano delicati componenti ottici, non sono suscettibili ai corpi estranei e non operano soltanto su gamme di temperature limitate. In effetti, in alcuni casi le versioni personalizzate sono state utilizzate a temperature elevatissime, fino a +230° Celsius, e bassissime, fino a -170° Celsius.
Esempi di encoder induttivi
Al posto dei tradizionali avvolgimenti in filo di rame dei resolver, gli Incoder utilizzano schede a circuito stampato come componenti principali. Come nei resolver ci sono uno statore e un rotore, ma poiché non è richiesto il posizionamento preciso dello statore e del rotore, non vi è alcuna necessità di cuscinetti.
Poiché gli Incoder utilizzano schede a circuito stampato al posto degli avvolgimenti di filo, essi sono in grado di offrire una precisione estrema. Un’accuratezza inferiore a <1 arco-minuto è molto comune come pure risoluzione e ripetibilità inferiore a 1 arco-secondo. La progettazione di base di un Incoder consente anche di poterli facilmente personalizzare per adattarsi ai requisiti di una particolare applicazione.
Gli Incoder sono disponibili in un’ampia gamma di dimensioni, fino a 600 mm di diametro e sono stati ampiamente utilizzati in diverse macchine utensili, sospensioni cardaniche e apparecchiature nel settore aerospaziale, della difesa e dei dispositivi medicali.
