Tecnologie di Encoder per applicazioni mediche e di laboratorio

Tecnologie di Encoder per applicazioni mediche e di laboratorio

I dispositivi utilizzati per il controllo del movimento di apparecchiature mediche e di laboratorio (tra cui encoder rotativi e lineari) sono diventati più compatti, affidabili, robusti e meno costosi. Attualmente, infatti, lo sviluppo tecnologico degli encoder è una delle aree più attive del motion control e questa tendenza sembrerebbe destinata a continuare in futuro.
 

In che direzione si sta muovendo questo sviluppo?
 
Per lungo tempo i produttori di macchine medicali hanno utilizzato encoder ottici incrementali con output digitale come principale dispositivo di controllo del posizionamento. Tutt’oggi è ancora questo tipo di encoder a dominare il mercato del motion control per volume di vendita, grazie al basso costo e ad una risoluzione soddisfacente.
Negli ultimi dieci anni, però, si sono affiancati ad esso nuove tecnologie di encoder e nuovi metodi di invio dati.
 

Quale tipo di encoder scegliere?
 
Per decidere che dispositivo di rilevamento della posizione utilizzare, bisogna innanzitutto valutare i tipi di motore e i meccanismi che devono essere misurati. In linea di massima, i sensori di posizione sono disponibili in configurazioni rotative o lineari, che riflettono i due principali tipi di attuatori del motore, rotativi e lineari.
 
Molti encoder sono basati sulla tecnologia ottica. Il metodo ottico si avvale di un disco di vetro o plastica con due serie di finestre lungo la circonferenza. Una sorgente luminosa a LED e i fotorilevatori sono collocati ai lati opposti del disco. Quando quest'ultimo gira, il passaggio o meno della luce attraverso le finestre genera le tipiche onde quadre degli impulsi delle uscite in quadratura A e B.
 
fig. 1

Encoder ottico rotativo incrementale:

La Figura 1 illustra un encoder ottico rotativo base. Esso trasmette informazioni sulla posizione in formato di onde quadre usando due fili, chiamati A e B, e fornisce un indice di impulso “uno-per-rotazione” chiamato I o Index. Un impulso Index fornisce un breve segnale di uscita ad ogni rotazione del motore. Questo segnale può essere utilizzato durante la ricerca del punto di riferimento o per la correzione automatica della perdita di conteggio.
Operando spesso in condizioni ambientali difficili per la presenza di polvere, sporcizia, variazioni di temperatura e vibrazioni di notevole intensità, i segnali A, B e Index degli encoder ad onde quadre sono resi in modo differenziale per ridurre la possibilità di perdere conteggi. Ma questo sistema non è sempre infallibile, in quanto è appunto sensibile alle condizioni esterne.
 
Oltre alla potenziale perdita di conteggio durante il movimento, l'altra implicazione di un sistema incrementale è che l'encoder non sa dove si trova al termine dell’operazione. Per molti sistemi, questo può essere facilmente corretto con una sequenza di homing eseguita durante l'avvio, ma per altre applicazioni è necessario sapere sempre dove esso si trova.


Encoder ottico rotativo assoluto:

È qui che entra in gioco la seconda categoria principale di encoder, gli encoder a posizione assoluta, di cui i sensori ottici sono i più comuni. Come suggerisce il nome, questi codificatori sanno sempre dove si trovano al termine dell’operazione. 
Per i motori rotativi sono disponibili nelle versioni a giro singolo o multigiro, e l’uscita è in formato binario o in un formato alternativo appositamente adattato per gli encoder chiamati Gray Coding.
 
Precedentemente gli encoder assoluti avevano fasci di fili spessi per trasportare 14, 16, 18 o più bit di informazioni sulla posizione. Oggi,sempre più spesso, gli encoder assoluti utilizzano formati seriali come BiSS o SSI (Synchronous Serial Interface) per ridurre il carico di fili necessari per comunicare la posizione al controller.
 

Non solo encoder ottici:

Oltre agli encoder ottici incrementali e assoluti, esiste una gamma in continua espansione di tecniche innovative per fornire una risoluzione di posizione più elevata e ad un costo inferiore. 
Oltre alle tecniche di rilevamento ottico, il rilevamento magnetico è sempre più popolare; seguito dal rilevamento capacitivo.
 
Gli encoder magnetici utilizzano dei sensori di campo magnetico al posto di un raggio di luce. Al posto del disco ottico con le finestre, ha un disco magnetizzato che ruota su una serie di sensori magnetoresistivi. Ogni rotazione del disco produce da parte di questi sensori una risposta che arriva a un circuito front-end di condizionamento del segnale per determinare la posizione dell'albero.
I modelli precedenti tendevano ad avere risoluzioni simili agli encoder ottici di fascia bassa, ma con l’evoluzione della tecnologia sono oggi disponibili con una più elevata risoluzione.
Figura 2: Elemento di rilevamento dell'encoder magnetico integrato direttamente sul PCB

Il grande vantaggio del sistema magnetico è l’assenza di contatto nella rilevazione, fattore che previene l’usura del dispositivo e fornisce una durabilità potenzialmente infinita. Gli encoder magnetici sono particolarmente adatti all’applicazione in ambienti gravosi che richiedono un’elevata robustezza, velocità e resistenza termica, garantendo al tempo stesso un’affidabilità ottimale nella generazione dei segnali.
Pur offrendo una lunga durata, l'encoder magnetico non è accurato quanto quello ottico.
 
Un'altra tecnologia di codifica in rapida ascesa è il cosiddetto Encoder Sin/Cos, le cui forme d'onda output sono sotto forma di seno/coseno mostrate nella Figura 3. I segnali sono essenzialmente una variazione sinusoidale dello schema di codifica standard ad onde quadre A e B. Queste uscite sinusoidali vengono estrapolate elettronicamente per avere più informazioni sulla posizione. A seconda della qualità dei segnali, è possibile ottenere un'estensione della risoluzione di 16x fino a 1.000x.
 
Figura 3: forme d'onda di uscita dell'encoder Sin/Cos

Il motivo per cui gli encoder Sin/Cos sono diventati così popolari, soprattutto per applicazioni lineari ad alta risoluzione, è che consentono risoluzioni di 1 nanometro o superiori, ed hanno un basso costo. Essi richiedono solo un minimo di elettronica aggiuntiva nel sensore e presentano una semplice interfaccia intuitiva composta da quattro segnali analogici codificati in modo differenziale (sin +, sin-, cos + e cos-).
 
 
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Contenuti ispirati all’articolo "Motion Control Technology Trends for Medical and Laboratory Applications" di Chuck Lewin, su pmdcorp.com

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