How-To, Effettuare misure con encoder di quadratura

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Panoramica su encoder e quadratura

Un encoder è un dispositivo elettromeccanico per la misura del movimento o della posizione. La maggior parte degli encoder utilizza sensori ottici per trasmettere segnali elettrici sotto forma di treni di impulso in grado di essere trasformati in movimento, direzione o posizione.

Gli encoder rotanti sono utilizzati per la misura del moto rotante di un albero. La figura 1 mostra i componenti fondamentali di un encoder rotante, composto da un LED, un disco, un rilevatore ottico sul lato opposto del disco. Il disco, montato sull’albero rotante, legge una matrice di aree trasparenti e opache, stampate sul rotore. Quando il disco ruota, le aree opache bloccano la luce, in cambio, le aree trasparenti ne consentono il passaggio. Questo genera delle onde quadre che possono essere interpretate come posizione o movimento. Gli encoder hanno in genere da 100 a 6.000 aree per giro. Questi encoder sono in grado di fornire una risoluzione di 3,6 gradi per l'encoder con 100 aree e 0,06 gradi per l'encoder a 6.000 aree.

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Gli encoder lineari funzionano secondo lo stesso principio degli encoder rotanti.Al posto del disco rotante, è presente una pista stazionaria opaca con fessure trasparenti lungo la superficie e il rilevatore LED è alloggiato sulla parte mobile.

 

Figura 1. Componenti dell’encoder ottico

Non è possibile utilizzare un encoder dotato di un solo insieme di impulsi in quanto non riesce ad indicare la direzione della rotazione. Utilizzando due piste con settori posizionati a 90 gradi e fuori fase (Figura 2), è possibile ottenere dai due canali di output dell'encoder di quadratura sia la posizione che la direzione della rotazione. Se A precede B, ad esempio, il disco ruota in senso orario. Se B precede A, invece, il disco ruota in senso antiorario. Quindi, monitorando sia il numero degli impulsi che la relativa fase dei segnali A e B, è possibile tracciare la posizione e la direzione della rotazione.

 

Figura 2. Segnali di output A e B dell’encoder di quadratura

Inoltre, alcuni encoder di quadratura includono un terzo canale di output – chiamato zero o segnale di riferimento – che fornisce un impulso singolo per giro. È possibile utilizzare quest’impulso singolo per determinare in maniera precisa la posizione di riferimento. Nella maggior parte degli encoder, questo segnale viene definito come Z-Terminal o index.

Sinora, questo documento ha fatto riferimento solo a ciò che viene definito encoder di quadratura incrementale single-ended. Essi vengono definiti single-ended poichè i segnali A e B sono entrambi messi a terra, quindi esiste un solo cavo (o punto) per segnale. Un altro tipo di encoder diffuso è l'encoder differenziale che dispone di due linee per ogni segnale A e B. Le due linee per il segnale A sono A’ e A, e le due linee per il segnale B sono B’ e B. Questo tipo di configurazione si definisce push-pull poiché tutte le quattro linee forniscono sempre una tensione nota (sia 0 V che V_cc). Quando A si trova a tensione V_cc, A’ è 0 V , e quando A è 0 V, A’ si trova a tensione V_cc. Nel caso di encoder single-ended, A può presentare un tensione pari a V_cc oppure flottante. Gli encoder differenziali vengono spesso utilizzati in ambienti elettricamente rumorosi in quanto le misure differenziali proteggono l’integrità del segnale.

Gli encoder incrementali consentono di misurare solo i cambi di posizione (dai quali è possibile determinare velocità e accelerazione), ma non è possibile determinare la posizione assoluta di un oggetto. Un terzo tipo di encoder, chiamato encoder assoluto, è in grado di determinare la posizione assoluta di un oggetto. Questo tipo di encoder, alla stregua dell’encoder incrementale, dispone anch’esso di aree opache e trasparenti alternate, ma si differenzia dal fatto che utilizza più aree formanti dei cerchi concentrici sulla ruota dell’encoder come il bersaglio del gioco delle freccette. I cerchi concentrici partono dal centro della ruota dell'encoder e man mano ci si sposta verso l’esterno, il cerchio successivo raddoppia il numero di aree rispetto al cerchio precedente. Il primo anello, quello più interno, è dotato di un'area trasparente e una opaca. Il secondo anello, ha due aree trasparenti e due opache e il terzo anello ne ha quattro di ciascuna tipologia di area. Se un encoder è costituito da 10 anelli, l’anello più esterno presenta un numero di aree pari a 512; mentre in un encoder con 16 anelli l’anello estremo è costituito da 32.767 aree.

Poichè ciascun anello dell’encoder assoluto raddoppia il numero di aree rispetto all'anello precedente, i valori ottenuti sono codificabili in un sistema di conteggio
binario. Questo tipo di encoder dispone di una sorgente ottica e di un ricevitore per ogni anello presente sulla ruota dello stesso. Questo indica che ad esempio un encoder con 10 anelli dispone di 10 sorgenti e di 10 ricevitori di illuminazione, mentre un’encoder con 16 anelli dispone di 16 sorgenti e di altrettanti ricevitori di illuminazione.

Il vantaggio dell’encoder assoluto è rappresentato dalla possibilità di scalare gli anelli in modo che la ruota faccia un giro durante la lunghezza della corsa. Se la lunghezza della corsa è di 25 cm e l'encoder ha una risoluzione a 16 bit, la risoluzione della macchina è di 25/65,536 ovvero 0.00038 cm. Nel caso di una corsa più lunga, ad esempio 180 cm, viene utilizzato un primo convertitore coarse in grado di tenere traccia di ogni passo della corsa ed un secondo convertitore chiamato fine per tracciare la posizione entro 30 cm. Questo implica la possibilità di impostare per primo il convertitore coarse in modo da compiere un giro lungo l'intera distanza di 180 cm e successivamente il convertitore fine affinchè l’intera risoluzione venga distribuita lungo i 30 cm.

Come effettuare misure in encoder

Per effettuare misure tramite encoder, è necessario un componente elettronico elementare chiamato contatore. Grazie ai suoi diversi input, un contatore elementare rilascia un valore che rappresenta il numero di fronti (transizioni da alto a basso nella forma d’onda) contati. La maggior parte dei contatori è dotato di tre input rilevanti - gate, source, e up/down. Il contatore rilevando gli eventi registrati nell’input source e in base allo stato della linea up/down è in grado di aumentare o diminuire il conteggio. Ad esempio, se la linea up/down è alta il contatore aumenta il conteggio; se è bassa il conteggio decresce. La figura 3 mostra una versione semplificata di un contatore.

 

Figura 3. Modello semplificato di un contatore

In genere, un encoder dispone di cinque cavi da connettere allo strumento e, in base al tipo di encoder, i cavi sono di colore differente. È possibile utilizzare questi cavi per alimentrare l’encoder e per leggere i segnali A, B e Z. La figura 4 mostra il tipico pinout relativo ad un encoder incrementale.

 

Figura 4. Pinout di un encoder incrementale

Il prossimo passo riguarda la collocazione di ciascun cavo. Considerando il contatore descritto sopra, il segnale A è connesso al terminale source; si tratta del segnale da cui vengono contati gli impulsi. Il segnale B è connesso al terminale up/down ed è possibile connettere sia il segnale +5 VDC che quello relativo alla massa a qualsiasi alimentazione – nella maggior parte dei casi, è sufficiente una linea digitale in un scheda di acquisizione dati.

Una volta contati i fronti del segnale, il passo successivo prevede la conversione dei questi valori in posizioni. Il processo che si occupa di convertire i fronti del segnale in numero di posizioni dipende dal tipo di codifica utilizzata. Esistono tre tipologie elementari di codifica, X1, X2, e X4.

Codifica X1
La figura 5 mostra un ciclo di quadratura e i risultanti incrementi e decrementi per la codifica X1. Quando il canale A anticipa il canale B, l’aumento avviene sul fronte di salita del canale A. Nel caso inverso, B anticipa A, la riduzione si presenta sul fronte di discesa del canale A.

 

Figura 5. Codifica X1

Codifica X2
La codifica X2 avviene nello stesso modo, ad esclusione del fatto che il contatore cresce o decresce su ciascun fronte del canale A, in base al tipo di canale che anticipa l’altro. Su ciascun ciclo sono presenti due incrementi o decrementi, come mostrato nella figura 6.

 

Figura 6. Codifica X2

Codifica X4
Nella codifica X4, l’encoder cresce o decresce allo stesso modo su ciascun fronte dei canali A e B. Aumento o la diminuzione del valore del counter dipenderà da quale canale anticipa l’altro. Su ciascun ciclo sono presenti quattro incrementi o decrementi, come mostrato nella figura 7.

 

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Figura 7. Codifica X4

 

Una volta impostata la tipologia di codifica e contati gli impulsi, la conversione in posizione prevede l’applicazione di una delle seguenti formule:

Per posizioni rotazionali

La rotazione è

Dove N = numero di impulsi generati dall’encoder per ogni giro dell’albero
x = tipo di codifica

 

Per posizioni lineari

Lo spostamento è  

Dove PPI = impulsi per pollice (pulses per inch), un parametro specifico per ciascun encoder.

Connettere un encoder ad uno strumento

In questa sezione prendiamo ad esempio l’utilizzo dello chassis NI cDAQ-9172 e del modulo digitale I/O della serie C NI 9401. La procedure rimane invariata qualora si utilizzino diversi strumenti o dispositivi di misura.

 

Figura 8. Sistema NI CompactDAQ

 

Strumentazione richiesta:
- Chassis cDAQ-9172 USB a otto slot ad elevata velocità per NI CompactDAQ
- Modulo di I/O digitale bidirezionale ad alta velocità NI 9401 a 8 canali 5 V/TTL
- Encoder di quadratura rotazionale a 24 impulsi/giro

Il modulo NI 9401 dispone di un connettore D-Sub che fornisce connessione per otto canali digitali. Ciascun canale ha un pin I/O digitale da inserire in un dispositivo digitale di input o output. L’accesso ai due contatori del cDAQ-9172 è possibile solo attraverso lo slot 5 e 6 dello chassis; quindi è necessario inserire il modulo 9401 nello slot 5. La figura 8 mostra le connessione per questa configurazione e la tabella 1 mostra i terminali predefiniti del counter.

 

Figura 9. Pinout NI 9401 (Slot 5)

 

Tabella 1. Terminali predefiniti del contatore p

 

Sulla base di queste specifiche, il cavo A è connesso al Pin 14, il cavo B è connesso al Pin 17, “5 VDC Power” è connesso a qualsiasi linea digitale impostata su “alto” e “Massa” è connesso a qualsiasi terminale COM.

Visualizza le tue misure:
Dopo aver connesso l’encoder al dispositivo di misura, è possibile utilizzare l’ambiente di programmazione grafico NI LabVIEW per il trasferimento di dati al computer, per visualizzazione e l’analisi.

La Figura 10 mostra un esempio di visualizzazione del conteggio di fronti in ingresso ad un counter e il relativo aumento delle posizioni all'interno dell'ambiente di programmazione LabVIEW.

 

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Figura 10. Misure tramite il front panel di LabVIEW

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