Una macchina che controlla un movimento deve sapere dove si trova la parte che sta comandando. Può essere l'angolo dell'albero di un motore, la posizione di un giunto robotico o lo spostamento di un cursore lungo una guida. Il sensore di posizione fornisce questa informazione al sistema di controllo, che può così confrontare la posizione reale con quella richiesta e correggere il movimento. Quando la posizione viene trasformata in un segnale utilizzabile dall'elettronica di controllo, si parla comunemente di encoder. Un encoder può essere rotativo o lineare; incrementale, se misura variazioni di posizione a partire da un riferimento, oppure assoluto, se restituisce la posizione già all'accensione.
La parola induttivo viene spesso associata ai sensori di prossimità industriali. Questi dispositivi rilevano la presenza di un oggetto metallico e, nella versione più comune, forniscono un'uscita on/off. Esistono anche sensori di prossimità lineari, che misurano la distanza da un target.Un encoder induttivo svolge un compito diverso: misura in modo continuo la posizione angolare o lineare lungo l'intera corsa. Utilizza la stessa famiglia di fenomeni elettromagnetici, ma combina bobine progettate appositamente, un target metallico sagomato e un'elettronica di lettura capace di ricostruire la posizione con elevata risoluzione.
Nella sua forma più comune, un encoder induttivo è composto da una parte fissa, spesso realizzata come PCB, e da un target metallico passivo solidale alla parte in movimento. Non richiede contatto meccanico tra le due parti e non utilizza magneti permanenti.
È alimentata a una frequenza nell'ordine dei megahertz e genera un campo magnetico alternato sopra la scheda.
È una parte conduttiva sagomata che si muove rispetto alle bobine. Nel metallo si inducono correnti parassite che modificano localmente il campo trasmesso.
Un ASIC pilota la TX, demodula i segnali RX, calcola la posizione e la rende disponibile al controllore tramite un'uscita analogica o digitale.
An ASIC drives the TX, demodulates the RX signals, computes the position and makes it available to the controller through an analog or digital output.
La forma del target fa variare in modo controllato l'accoppiamento tra trasmittente e riceventi. Quando il target si sposta, i due segnali RX cambiano con andamento approssimativamente sinusoidale e in quadratura. La posizione viene ricavata dal loro rapporto, normalmente attraverso una funzione arcotangente.Questa lettura ratiometrica riduce la sensibilità alle variazioni che agiscono nello stesso modo su entrambi i canali, come parte delle derive di ampiezza dovute ad alimentazione o temperatura. Per ottenere un encoder assoluto su tutta la corsa possono essere combinati più periodi, più tracce o opportune architetture geometriche.
Descrivere il principio richiede poche righe. Trasformarlo in un sensore che rispetti un obiettivo di accuratezza nella meccanica reale è molto più difficile. Le forme delle bobine, il target, il traferro, il montaggio, i materiali circostanti e i limiti dell'ASIC interagiscono tra loro: modificare un parametro per migliorare una prestazione può peggiorarne un'altra.
TX, RX e target contengono numerosi parametri geometrici. Ampiezza, linearità, induttanza e robustezza ai disallineamenti non possono essere ottimizzate separatamente.
Il campo trasmesso non è uniforme e il target, posto a una distanza finita, non scherma mai il campo in modo perfetto. I segnali risultano distorti già all'origine.
Eccentricità, variazione del traferro, inclinazione e oscillazione modificano la lettura. Un progetto corretto nella posizione nominale può non esserlo nell'assieme reale.
Alberi, flange, staffe, custodie e schermi conduttivi si accoppiano al campo e possono cambiare ampiezza, offset e linearità.
Via, differenze di altezza tra layer, incisione del rame, registrazione e tolleranze del target rendono il componente fabbricato diverso dal modello geometrico ideale.
Induttanza, resistenza, frequenza di risonanza e ampiezza dei segnali devono restare nella finestra ammessa dal front-end scelto.
Fabbricare una bobina, misurarla e correggerla a mano può funzionare per un primo dimostratore, ma diventa rapidamente lento e costoso quando devono essere considerate tolleranze, condizioni di montaggio e più obiettivi contemporaneamente. Lo spazio di progetto è troppo ampio per essere esplorato con pochi prototipi, e il comportamento osservato al banco non indica sempre quale parte della geometria debba essere modificata.
Molti effetti fisici non possono essere rimossi: il campo resterà non uniforme, il traferro sarà finito e le parti metalliche continueranno a interagire con il sensore. La leva progettuale è la forma delle bobine. Rimodellando correttamente le RX è possibile fare in modo che le diverse distorsioni si compensino e che i segnali restituiscano una posizione accurata anche nelle condizioni reali previste.
IPSMagic è la piattaforma EMC Gems dedicata alla progettazione degli encoder induttivi. Online dal 2022, è stato il primo SaaS pubblico creato specificamente per questo scopo. Permette di definire bobine e target, simulare il comportamento elettromagnetico, ottimizzare automaticamente la geometria e verificare le prestazioni prima di fabbricare il primo prototipo.Il motore di calcolo non utilizza una semplice approssimazione geometrica: risolve la fisica dell'insieme bobine-target con metodi proprietari dedicati alle correnti parassite. Sopra il simulatore lavora un algoritmo di ottimizzazione brevettato, sviluppato per ridurre l'errore mantenendo forme lisce e producibili.
Parte da template per sensori rotativi, lineari, ad arco e di coppia e modifica automaticamente le bobine riceventi per raggiungere gli obiettivi definiti.
Simula eccentricità, variazioni di traferro, inclinazioni e conduttori esterni fissi, così il progetto viene verificato nella meccanica in cui dovrà lavorare.
Confronta rapidamente molte configurazioni e concentra i prototipi fisici sulle soluzioni già selezionate dalla simulazione.
Verifica le regole di fabbricazione, supporta la conversione a through-via quando possibile ed esporta report e dati di simulazione strutturati.
Il progetto elettromagnetico non è vincolato alla toolchain di un solo produttore, permettendo di scegliere il front-end più adatto e gestire meglio la continuità di approvvigionamento.
IPSMagic nasce da anni di ricerca EMC Gems e dell'Università di Udine in elettromagnetismo computazionale e sensori induttivi. Il nucleo di simulazione deriva da metodi integrali dedicati alle correnti parassite pubblicati su riviste scientifiche; l'ottimizzazione utilizza tecniche proprietarie e brevettate. È la stessa tecnologia concessa in licenza a produttori internazionali di semiconduttori e sensori.
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