Come controllare un encoder in un motore elettrico? Misure dei sistemi di retroazione e diagnostica dei guasti degli encoder nei motori elettrici

Le misure dei sistemi di retroazione sono un insieme di attività diagnostiche finalizzate a verificare se l’encoder, il resolver e l’intero percorso di segnale trasmettono correttamente al drive le informazioni su posizione e velocità. Proprio dalla qualità di questi segnali dipendono il funzionamento stabile del servomotore, la precisione di posizionamento, la sicurezza della macchina e il rischio di un fermo costoso. Se compare un errore encoder, un funzionamento instabile dell’asse, una perdita di posizione o strattoni del motore, la diagnostica professionale dei sistemi di retroazione consente di stabilire se il problema riguarda il sensore stesso, i cavi, il montaggio oppure l’elettronica di controllo.

Nella moderna automazione industriale, il sistema di retroazione è uno degli elementi chiave del controllo del movimento. Un encoder o un resolver trasmette all’inverter, al servoamplificatore o al controllore le informazioni che consentono la correzione continua dei parametri di funzionamento del motore. In pratica, ciò significa che anche una lieve alterazione del segnale può tradursi in un posizionamento errato, un movimento irregolare, un aumento dei carichi meccanici e un peggioramento della qualità del processo.

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In cosa consistono le misure dei sistemi di retroazione e quando sono necessarie?

Che cos’è la retroazione in un motore elettrico e in un servoazionamento?

La retroazione è il meccanismo grazie al quale il drive “sa” in quale posizione si trova l’albero del motore e a quale velocità ruota. A seconda della struttura del sistema, questa informazione viene fornita da un encoder incrementale, da un encoder assoluto, da un encoder SinCos oppure da un resolver. Questi dati sono indispensabili per il controllo preciso dell’asse, la sincronizzazione del movimento, il mantenimento della coppia e l’esecuzione sicura delle traiettorie in macchine CNC, robot, linee di confezionamento o applicazioni di trasporto.

Se il segnale di retroazione è distorto, ritardato o instabile, il drive può interpretare in modo errato la reale posizione del rotore. Di conseguenza possono comparire un errore di retroazione, un problema di commutazione, una perdita di riferimento oppure un funzionamento instabile dell’intero sistema dell’asse.

Quali sintomi indicano un errore dell’encoder o del resolver?

I segnali di allarme più frequenti includono:

• strattoni del motore durante l’avviamento o il funzionamento a velocità costante,
• funzionamento instabile dell’asse e peggioramento della ripetibilità del posizionamento,
• comparsa ciclica di un errore encoder o di un allarme di retroazione,
• perdita della posizione dopo l’arresto o dopo un’interruzione dell’alimentazione,
• difficoltà con la referenziazione e la sincronizzazione del drive,
• reazione anomala del servoamplificatore nonostante moduli di potenza funzionanti,
• aumento delle vibrazioni e della temperatura nell’area dell’encoder o nella parte posteriore del motore.

In pratica, questi sintomi vengono spesso confusi con un guasto dell’inverter, un danneggiamento del servoamplificatore o un problema lato controllore PLC. Per questo la semplice sostituzione dell’elettronica senza eseguire misure molto spesso non elimina la causa del problema.

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Perché le misure di encoder e resolver sono importanti per la manutenzione?

Le misure degli encoder e le misure dei resolver permettono di identificare un guasto a un livello in cui la normale diagnostica degli allarmi del drive non è più sufficiente. Per il reparto manutenzione questo ha un significato operativo ed economico diretto. Quanto più rapidamente si stabilisce se il componente danneggiato è il sensore, il cavo, il cuscinetto, il disco codificato, la schermatura o l’elettronica di controllo, tanto più facile è limitare il fermo ed evitare danni meccanici secondari.

Quando il problema è l’encoder stesso e quando l’elettronica di controllo?

Non ogni allarme di retroazione significa che l’encoder è danneggiato. In molti casi, la fonte del problema è il percorso di segnale, il connettore, un cavo non idoneo, interferenze elettromagnetiche oppure il danneggiamento dell’ingresso di misura nel servoamplificatore. Per questo una diagnostica professionale dell’elettronica di controllo deve essere eseguita parallelamente alla valutazione dei segnali provenienti dall’encoder o dal resolver.

Quali conseguenze sulla produzione provoca un segnale di retroazione errato?

Una lettura errata della posizione o della velocità non deve necessariamente fermare subito la macchina. Spesso prima provoca un peggioramento della qualità del processo, errori di posizionamento, scarti, sovraccarichi meccanici e un aumento del rischio di danneggiamento dell’asse. Nelle applicazioni di precisione le conseguenze sono particolarmente costose, perché anche lievi deviazioni possono compromettere il funzionamento dell’intero sistema cinematico.

Come si svolge in pratica la diagnostica dei guasti degli encoder e dei sistemi di misura?

Misure di encoder incrementali, assoluti e SinCos

Le misure degli encoder incrementali comprendono soprattutto l’analisi dei canali di segnale, della correttezza del conteggio degli impulsi, delle relazioni di fase e della stabilità della risposta al variare della velocità. Nel caso degli encoder assoluti è importante anche verificare la correttezza della trasmissione dei dati e la coerenza delle informazioni di posizione in tutto il campo di lavoro.

I sistemi SinCos richiedono un’attenzione particolare. Qui non basta verificare se il segnale è semplicemente presente. È fondamentale valutare la qualità delle forme d’onda, la loro simmetria, ampiezza, ripetibilità e resistenza ai disturbi. Anche lievi deviazioni dal segnale di riferimento possono portare a errori di conteggio e a un funzionamento instabile del drive. Proprio per questo la diagnostica dell’encoder nei sistemi di precisione richiede non solo competenze elettriche, ma anche esperienza nell’analisi di reali andamenti di misura.

Nella pratica diagnostica è importante anche conoscere i protocolli di comunicazione utilizzati nei sistemi di retroazione. A seconda del produttore e del tipo di drive, possono essere, tra gli altri, interfacce seriali impiegate per la trasmissione della posizione, dei parametri e dei dati diagnostici. Nei sistemi industriali si incontrano, tra le altre, soluzioni delle famiglie EnDat, SSI, BiSS e HIPERFACE, e ciascuna di esse richiede una corretta interpretazione del segnale e dello strato di trasmissione. Questo aumenta l’importanza di misure specialistiche e della corretta identificazione del tipo di sensore già all’inizio della richiesta.

Misure dei resolver e valutazione della qualità del segnale

Le misure dei resolver si concentrano sulla valutazione della risposta del sensore in presenza di eccitazione e sulla verifica che il sistema riproduca correttamente la posizione dell’albero. In questo tipo di soluzioni è altrettanto importante analizzare la qualità dei collegamenti, l’integrità degli avvolgimenti e la corretta cooperazione con l’elettronica di elaborazione del segnale. In molti casi il danneggiamento non è totale, ma si manifesta con instabilità delle indicazioni o errori che compaiono solo sotto carico oppure con l’aumento della temperatura.

Questo è particolarmente importante nelle situazioni in cui la macchina funziona correttamente solo per una parte del ciclo oppure il guasto si presenta periodicamente. In questi casi una misura statica può non essere sufficiente ed è necessaria una diagnostica in condizioni il più possibile vicine al reale esercizio.

Le cause più frequenti dei guasti dei sistemi di retroazione

Tra le cause più frequenti dei guasti rientrano sia problemi elettrici sia meccanici. Nella pratica di assistenza si incontrano molto spesso situazioni in cui il danneggiamento si sviluppa gradualmente e per lungo tempo genera solo sintomi irregolari. Per questo l’identificazione rapida e corretta della fonte del guasto è fondamentale.

Danni meccanici, disco codificato e cuscinetti

Negli encoder ottici il disco codificato è un elemento critico. Microfessure, graffi, contaminazione da polvere o nebbia d’olio possono causare una distorsione del segnale e un’interpretazione errata del movimento. Anche un montaggio non coassiale dell’encoder sull’albero del motore può rappresentare un problema. Un errore di questo tipo aumenta le forze di eccentricità radiale, accelera l’usura dei cuscinetti e con il tempo peggiora la qualità del segnale a causa dell’aumento delle vibrazioni.

Nei casi estremi, un cuscinetto danneggiato può portare a un aumento della temperatura all’interno del dispositivo e successivamente alla completa distruzione dell’encoder. Per questo la riparazione dei sistemi di misura non può limitarsi esclusivamente all’elettronica. È necessaria anche la valutazione dello stato meccanico, della correttezza del montaggio e dell’integrità dell’involucro.

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Interferenze EMI, schermatura ed errori di cablaggio

Le interferenze elettromagnetiche sono una fonte molto frequente di problemi. In un ambiente industriale, dove lavorano inverter, servoazionamenti e altri dispositivi di elettronica di potenza, il percorso di segnale dell’encoder è particolarmente esposto all’influenza delle EMI. Se è stato utilizzato un cavo non idoneo, la schermatura è stata collegata in modo errato oppure è stato impiegato un cablaggio senza una treccia adeguata, nel sistema possono indursi disturbi che causano errori di lettura.

In pratica, questo si manifesta con un segnale di uscita instabile, allarmi sporadici o un comportamento che viene spesso interpretato erroneamente come un guasto del modulo di controllo. Per questo durante la diagnostica occorre valutare non solo l’encoder stesso, ma anche i cavi, la schermatura, la messa a terra e le condizioni di posa del percorso cavi.

Quando affidare a un servizio specializzato le misure dei sistemi di retroazione?

Vale la pena richiedere il servizio quando il drive segnala errori di retroazione, l’asse lavora in modo instabile, compare una perdita di posizione, si verificano allarmi ambigui oppure precedenti tentativi di sostituzione dell’elettronica non hanno dato risultati. Questo riguarda anche le situazioni in cui il problema si presenta periodicamente ed è difficile da intercettare durante un controllo standard.

Le misure professionali dei sistemi di retroazione aiutano a distinguere tra guasti del sensore, dei cavi, del montaggio e dell’elettronica di controllo. È la via più breve verso una diagnosi precisa, una riparazione efficace e la riduzione delle perdite legate a un fermo non pianificato.

Se nella tua applicazione compare un errore encoder, un errore di retroazione o problemi nel funzionamento del servomotore, è opportuno eseguire quanto prima una diagnostica specialistica. Nel caso dei sistemi di misura, il tempo di reazione influisce direttamente non solo sul costo della riparazione, ma anche sulla sicurezza, sulla stabilità del processo e sulla disponibilità dell’intera macchina.

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