Precisione dell'interpolazione.

Per determinare la posizione di un asse lineare, la testina di lettura di un encoder si muove lungo una scala e "legge" le variazioni di luce (per gli encoder ottici) o di campo magnetico (per quelli magnetici). Quando la testina di lettura registra queste variazioni, genera segnali seno e coseno sfasati di 90 gradi l'uno rispetto all'altro (denominati "segnali in quadratura"). Questi segnali analogici seno e coseno vengono convertiti in segnali digitali, che vengono poi interpolati – in alcuni casi, con un fattore di 16.000 o superiore – per aumentare la risoluzione. Tuttavia, l'interpolazione può essere accurata solo se i segnali analogici originali sono privi di errori. Qualsiasi imperfezione nei segnali seno e coseno – detta errore di suddivisione – degrada la qualità dell'interpolazione e riduce la precisione dell'encoder.

L'errore di suddivisione è ciclico e si verifica a ogni intervallo della scala o del passo di scansione (ovvero a ogni periodo del segnale), ma non si accumula ed è indipendente dalla scala o dalla lunghezza di corsa. Le due cause principali dell'errore di suddivisione sono le imprecisioni meccaniche e il disallineamento tra la scala e la testina di lettura, sebbene anche le perturbazioni armoniche possano causare distorsioni nei segnali sinusoidali e cosinusoidali.

Utilizzo di un modello di Lissajous per determinare l'errore di suddivisione

Per analizzare l'errore di suddivisione, l'ampiezza del segnale sinusoidale viene rappresentata su un grafico XY in funzione dell'ampiezza del segnale cosinusoidale, nel tempo. Questo crea quello che viene definito un modello "di Lissajous".

Con il grafico centrato sulla coordinata 0,0, se i segnali sono sfasati esattamente di 90 gradi e hanno un'ampiezza 1:1, il grafico formerà un cerchio perfetto. L'errore di suddivisione può manifestarsi come uno spostamento del punto centrale, o come differenze di fase (sfasamento seno-coseno non esattamente di 90 gradi) o di ampiezza tra i segnali seno e coseno. Anche negli encoder di alta qualità, l'errore di suddivisione può essere pari all'1-2% del periodo del segnale, quindi l'elettronica di elaborazione del segnale spesso include correzioni di guadagno, fase e offset per contrastare gli errori di suddivisione.

Gli azionamenti diretti richiedono encoder ad alta precisione

La precisione dell'encoder è importante per le applicazioni di posizionamento azionate da motori rotativi ad accoppiamento meccanico, ma è particolarmente critica quando si utilizza un motore lineare ad azionamento diretto. La differenza risiede nel modo in cui viene controllata la velocità.

Nelle applicazioni tradizionali con motore rotativo, un encoder rotativo collegato al motore fornisce informazioni sulla velocità, mentre l'encoder lineare fornisce informazioni sulla posizione. Nelle applicazioni a trasmissione diretta, invece, non è presente alcun encoder rotativo. L'encoder lineare fornisce un feedback sia per la velocità che per la posizione, con le informazioni sulla velocità ricavate dalla posizione dell'encoder stesso. L'errore di suddivisione, che compromette la capacità dell'encoder di rilevare con precisione la posizione e, di conseguenza, di ricavare informazioni sulla velocità, può causare ondulazioni della velocità.

Inoltre, i sistemi a trasmissione diretta possono funzionare con elevati guadagni dell'anello di controllo, il che consente loro di reagire rapidamente per correggere errori di posizione o velocità. Tuttavia, con l'aumentare della frequenza dell'errore, il controllore non riesce a stargli dietro e il motore assorbe più corrente nel tentativo di reagire, con conseguente rumore udibile e surriscaldamento eccessivo del motore.