Cos’è l’encoder induttivo?

Gli encoder rotativi basati sulla tecnologia induttiva con interfaccia di uscita analogica seno/coseno (Sin/Cos) rappresentano una soluzione avanzata nel campo nella sensoristica di posizione angolare. Questi dispositivi sono stati sviluppati per superare i limiti di fragilità e sensibilità agli agenti esterni tipici degli encoder ottici.

Principio di funzionamento

Il funzionamento di un encoder induttivo si basa sul principio fisico delle correnti parassite.

• Struttura e componenti: l’encoder è composto principalmente da due elementi: lo statore (fisso, chiamato sensore), che contiene l’elettronica di eccitazione per la bobina trasmittente (implementata come traccia di rame su un circuito stampato (PCB)) e le bobine riceventi (anch’esse implementate come tracce su un PCB) , ed il rotore (mobile, chiamato target), che è un disco (spesso in rame o alluminio) con un una suddivisione geometrica dipendente dalla risoluzione del prodotto. Non ci sono contatti meccanici né dischi ottici delicati.

• Generazione del campo e rilevamento della posizione: la bobina trasmittente genera un campo elettromagnetico alternato, che a sua volta induce tensioni secondarie nelle due bobine riceventi. L’ampiezza e la fase di queste tensioni indotte variano proporzionalmente alla posizione del target sopra le bobine. Demodulando e elaborando queste tensioni secondarie l’elettronica a bordo dello statore acquisisce un segnale preciso che rappresenta la posizione esatta del target.

• Segnale in uscita: le informazioni sulla posizione vengono utilizzate dall’elettronica presente nello statore per produrre in uscita segnali che variano sinusoidalmente/cosinusoidalmente in relazione all’angolo.

Esempio di statore (scheda sensore)	Esempio di rotore (scheda target)

Interfaccia analogica Seno/Coseno

L’output dell’encoder induttivo è costituito da due segnali analogici sinusoidali in quadratura di fase: VSen​ e VCos​.

• Quadratura: I due segnali sono sfasati esattamente di 90° elettrici. Questo sfasamento è fondamentale perché garantisce che, per ogni angolo θ, un segnale si trovi nel punto di massima variazione (pendenza), mentre l’altro si trovi allo zero o al valore massimo.

  VSen​∝A⋅sin(P⋅θ)

  VCos​∝A⋅cos(P⋅θ)

  Dove A è l’ampiezza, P è il numero di periodi elettrici per giro (determinato dal pattern del rotore), e θ è l’angolo meccanico.

Segnali seno/coseno (in forma differenziale)

L’utilizzo di segnali sinusoidali analogici è il presupposto per l’interpolazione elettronica. Il circuito ricevente (spesso un interpolatore ASIC esterno o integrato nell’azionamento) campiona i segnali Sin e Cos e utilizza la funzione arcotangente per calcolare l’angolo con una elevata precisione all’interno di un singolo periodo elettrico:

• θelettrico​=arctan(VSen​/VCos​)

Questo processo consente di ottenere l’equivalente di migliaia o centinaia di migliaia di impulsi digitali per giro partendo da un segnale analogico a bassa frequenza, simulando un encoder con un numero di linee molto superiore a quanto realizzabile in modo digitale a parità di velocità. A differenza degli encoder digitali ad alta risoluzione, che generano frequenze di segnale nell’ordine dei MHz a velocità elevate (rischiando problemi di integrità del segnale su lunghe distanze), la frequenza di base dei segnali Sin/Cos rimane relativamente bassa (solitamente nell’ordine dei kHz), il che facilita la trasmissione e il trattamento del segnale.

Vantaggi e applicazioni

La tecnologia induttiva Sin/Cos è preferita per la sua robustezza e affidabilità in ambienti difficili. I principali vantaggi sono:

• Immunità ambientale: il principio di funzionamento non è influenzato da contaminanti comuni come polvere, sporco, grasso, umidità, oli e condensa. La scheda sensore può essere ulteriormente protetta (ad esempio con la tropicalizzazione) mentre il disco metallico (rotore) è intrinsecamente robusto, rendendo questi encoder ideali per applicazioni in robotica pesante, macchine utensili (CNC), impianti offshore e settore eolico.
• Tolleranze di montaggio: l’accoppiamento tra statore e rotore può avere tolleranze più ampie in termini di disallineamento assiale e radiale rispetto agli encoder ottici, semplificando l’installazione e riducendo i costi di assemblaggio di precisione.
• Retroazione per servomotori: sono la scelta standard per il feedback di posizione e velocità nei servomotori moderni. La qualità e la fluidità dei segnali Sin/Cos consentono un controllo di coppia e velocità estremamente preciso, migliorando le prestazioni dinamiche del motore.
• Diagnostica continua: il monitoraggio della relazione trigonometrica VSen2​+VCos2​=costante (nota come cerchio di Lissajous) consente una diagnostica in tempo reale dell’integrità del segnale, fondamentale per le applicazioni di sicurezza.