Scegliere come un encoder assoluto ricorda i giri da spento è una delle decisioni più consequenziali, e più spesso date per scontate, nella progettazione dei sistemi di moto. Il catalogo offre tre architetture — un contatore elettronico con buffer a batteria, uno stadio Wiegand ad energy harvesting e un multigiro meccanico a ingranaggi — e all'interno della strada con buffer a batteria il progettista deve ancora scegliere la sorgente stessa: una pila al litio primaria usa e getta, una chimica ricaricabile o un condensatore. Questo secondo articolo sviluppa un backup ricaricabile al nichel-metallo idruro per il contatore multigiro e lo pone candidamente accanto a ogni alternativa. Parte dalla decisione di architettura, mostrando dove un encoder con buffer a batteria sia la risposta giusta nonostante il suo requisito di servizio; attraversa poi il bilancio di ritenzione in scala microampere, la carica di mantenimento o di rabbocco che tiene pronta una cella ricaricabile ogni volta che l'asse è alimentato, l'aritmetica dell'autoscarica che decide la vita senza alimentazione raggiungibile, la commutazione e il circuito di batteria scarica, e il comportamento su un'ampia gamma di temperatura. È volutamente onesto: per un encoder alimentato solo una volta ogni pochi anni la bassa autoscarica di una pila al litio primaria è difficile da battere, mentre per un asse energizzato nella maggior parte dei giorni lavorativi — la stragrande maggioranza delle applicazioni servomotore, robot e macchina utensile — un backup NiMH ricaricabile ben gestito elimina la sostituzione pianificata della pila primaria, evita lo smaltimento del litio usa e getta e trasforma la memoria multigiro in un sottosistema ricaricabile, monitorato e riparabile.
La scelta dell'architettura precede quella della chimica. Un multigiro elettronico con buffer a batteria è compatto, liberamente programmabile in risoluzione ed economico, ma la sua memoria è durevole solo quanto la sua sorgente. Un multigiro Wiegand ad energy harvesting non necessita di cella esterna perché la rotazione induce l'impulso che alimenta il conteggio, ma richiede movimento per registrare e immagazzina lo stato in un condensatore che invecchia in circa un decennio; un multigiro meccanico a ingranaggi codifica i giri fisicamente e non richiede memoria elettrica, ma aggiunge treni di ingranaggi con la propria usura, coppia e gioco.
Per l'automazione di fabbrica mainstream — servomotori, stadi di posizionamento, assi di magazzino e di macchina utensile alimentati quasi tutti i giorni — il progetto con buffer a batteria resta interessante perché è flessibile in risoluzione, veloce ed economico, e la sua unica debolezza, la vita della sorgente, è gestibile con un backup ricaricabile ben progettato. Il resto di questo articolo affronta quel progetto.
Il dimensionamento di un backup non inizia dagli ampere-ora ma dalla corrente di ritenzione specificata dall'ASIC dell'encoder, tipicamente nella regione dei microampere, più l'autoscarica della cella scelta. La vita senza alimentazione è la capacità utilizzabile divisa per la somma della corrente del contatore e della corrente di autoscarica, ridotta per bassa temperatura e fine vita. Poiché l'autoscarica spesso supera l'assorbimento proprio del contatore, la caratteristica di ritenzione della carica di una chimica conta più della sua capacità nominale: una cella grande che disperde in fretta la propria carica non è meglio di una piccola e stabile.
Le celle NiMH sigillate sono costantemente migliorate nella ritenzione della carica; le varianti a bassa autoscarica trattengono la grande maggioranza della carica per un anno a temperatura ambiente, il che è ampio quando l'encoder riceve una carica di rabbocco ogni volta che la macchina è accesa. La prima figura animata percorre il flusso di progettazione del backup, dal bilancio di ritenzione all'intervallo di servizio convalidato, rendendo esplicito il termine di autoscarica invece che nascosto.
Il vantaggio decisivo di un backup ricaricabile in un asse alimentato regolarmente è che l'alimentazione attiva a 5 V o 24 V è disponibile per mantenerlo. Un percorso di gestione della carica rabbocca la cella NiMH o un piccolo pacco con una carica di manutenzione controllata e a corrente limitata mentre l'encoder è in funzione, così il backup inizia ogni intervallo da spento pieno, indipendentemente dal tempo da spento cumulativo. È fondamentalmente diverso da una pila al litio primaria, che è un serbatoio finito e non sostituibile a bordo con il conto alla rovescia dal giorno di fabbricazione.
Il percorso di carica deve essere conservativo — il NiMH è mantenuto con una corrente bassa e supervisione della temperatura anziché con un mantenimento rigido a tensione costante — e non deve mai retroalimentare o caricare la rail di ritenzione sensibile. Integrare questo con la commutazione di alimentazione integrata nel chip dell'encoder produce un'architettura pulita in cui l'alimentazione principale alimenta l'interfaccia attiva e ricarica silenziosamente il backup, mentre il backup alimenta solo il contatore quando manca la rail principale.
Un progetto affidabile abbina la sorgente ricaricabile a una commutazione del percorso di potenza senza glitch — preferibilmente la commutazione integrata nell'ASIC dell'encoder — ed espone lo stato della sorgente sul canale diagnostico. Il flag di batteria scarica disponibile sui chip moderni diventa un dato di manutenzione predittiva: se il backup è trovato ripetutamente scarico nonostante il normale funzionamento della macchina, segnala una cella in via di invecchiamento o un guasto del percorso di carica molto prima che una posizione vada persa.
Un piccolo margine di capacità ridondante e un intervallo di servizio definito trasformano il classico guasto «pila a bottone morta dopo N anni» in un evento programmato e osservabile. Per un OEM è anche un vantaggio per la filiera: il backup diventa un componente standard, sostituibile e ricaricabile invece di una specifica moneta al litio primaria da approvvigionare, immagazzinare e smaltire secondo normative su batterie e rifiuti in evoluzione.
Il litio primario è la soluzione in carica per un motivo: l'autoscarica estremamente bassa e l'alta densità energetica garantiscono anni di ritenzione senza sorveglianza, motivo per cui si addice ai dispositivi alimentati di rado. I suoi costi sono una fine vita fissa con sostituzione della pila usa e getta, gli aspetti di trasporto e smaltimento del litio e una tensione che offre poco preavviso graduale. I supercondensatori offrono una vita ciclica virtualmente illimitata e una commutazione istantanea, ma la loro energia per volume è di gran lunga troppo bassa per mesi di ritenzione e la loro perdita è significativa, quindi sono adatti al superamento di pochi secondi, non di anni.
L'energy harvesting Wiegand elimina la cella ma aggiunge il limite del primo giro dopo lo spegnimento e l'invecchiamento del condensatore. La seconda figura animata valuta le opzioni sugli assi che contano; il NiMH ricaricabile non è il vincitore per una valvola remota alimentata una volta all'anno, ma è la scelta più difendibile per un asse industriale alimentato quotidianamente perché è ricaricata nell'uso normale, evita il litio usa e getta, opera su un ampio intervallo di temperatura con carica semplice e viene spedita secondo regole di trasporto non-litio. La selezione deve seguire l'effettivo profilo di impiego alimentato anziché l'abitudine da catalogo.
Prima del rilascio il progetto è validato ciclando l'alimentazione principale mentre si ruota l'albero nella finestra da spento per dimostrare che nessun giro va perso, misurando la vita di ritenzione rispetto al modello autoscarica-corrente ad alta e bassa temperatura, accelerando il ciclaggio carica-scarica per confermare che la cella invecchia in modo prevedibile sotto carica di manutenzione, e iniettando condizioni di batteria scarica e sovravelocità per verificare i flag diagnostici. La commutazione è catturata su un oscilloscopio per confermare che il rail del contatore non scenda mai sotto il minimo durante la commutazione al millisecondo.
Il risultato è un backup caratterizzato con un valore documentato di ritenzione da spento, una specifica della carica di manutenzione e un percorso diagnostico dimostrato — pronto per la campagna di qualificazione EMC, vibrazione e norme sulle batterie descritta dal documento finale, e un'alternativa credibile e riparabile alla pila a bottone usa e getta nelle apparecchiature di moto alimentate quotidianamente.
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