Abwägung der Vorteile und Kompromisse von Encoder-Technologien

Drehgeber sind Schlüsselkomponenten in der Bewegungssteuerungs-Rückkopplungsschleife einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich industrieller Automatisierungsausrüstung und Prozesssteuerung, Robotik, medizinischer Geräte, Energie, Luft- und Raumfahrt und mehr. Als Geräte, die mechanische Bewegung in elektrische Signale umwandeln, liefern Encoder den Ingenieuren wichtige Daten wie Position, Geschwindigkeit, Abstand und Richtung, die zur Optimierung der Leistung ihres Gesamtsystems genutzt werden können.

Optische, magnetische und kapazitive Technologien sind die drei wichtigsten Encoder-Technologien, die einem Ingenieur zur Verfügung stehen, aber die Entscheidung, welche Technologie der Endanwendung am besten dient, ist mit mehreren Überlegungen verbunden. Um diesen Auswahlprozess zu unterstützen, gibt dieser Artikel einen Überblick über die optische, magnetische und kapazitive Encoder-Technologie und skizziert die Vorteile und Kompromisse dieser Technologien.

Überblick über die Encoder-Technologie

Optischer Encoder

Optische Encoder sind seit vielen Jahren die beliebteste Wahl auf dem Markt der Bewegungssteuerung. Sie bestehen aus einer LED-Lichtquelle (typischerweise Infrarot) und Fotodetektoren, die sich auf gegenüberliegenden Seiten einer Codierscheibe befinden. Diese Scheibe besteht aus Kunststoff oder Glas und enthält eine Reihe von abwechselnd transparenten und undurchsichtigen Linien oder Schlitzen. Während der Drehung der Scheibe wird der LED-Lichtpfad durch die abwechselnden Linien oder Schlitze auf der Scheibe unterbrochen, was wiederum die typischen Quadraturimpulse der Rechteckwellen A und B erzeugt, die zur Bestimmung der Wellendrehung und Geschwindigkeit verwendet werden.

Abbildung 1: Typische A- und B-Quadraturimpulse eines optischen Encoders, einschließlich eines Indeximpulses (Bildquelle: Same Sky)

Optische Encoder sind zwar weit verbreitet, haben jedoch einige Nachteile. In staubigen und schmutzigen Umgebungen, wie z.B. bei industriellen Anwendungen, können sich Verunreinigungen auf der Scheibe ablagern und den Durchgang des LED-Lichts zum optischen Sensor verhindern. Dies wirkt sich stark auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit optischer Encoder aus, da die verschmutzte Scheibe dazu führen kann, dass Rechteckimpulse sporadisch auftreten oder ganz ausbleiben. LEDs haben zudem eine begrenzte Lebensdauer und brennen irgendwann aus, was zu einem Ausfall des Encoders führt. Darüber hinaus ist die Glas- oder Plastikscheibe anfällig für Beschädigungen durch Vibrationen oder extreme Temperaturen, was ihren Einsatzbereich in robusten Anwendungen einschränkt, während ihre Montage auf Motoren zeitaufwändig sein kann und sie einem größeren Kontaminationsrisiko aussetzt. Schließlich können optische Encoder bei höheren Auflösungen einen Strom von mehr als 100 mA verbrauchen, was ihre Nützlichkeit in mobilen oder batteriebetriebenen Geräten weiter beeinträchtigt.

Magnetische Encoder

Magnetische Encoder sind zwar ähnlich aufgebaut wie optische Encoder, nutzen aber ein Magnetfeld anstelle eines Lichtstrahls. Anstelle der geschlitzten Scheibe haben magnetische Encoder eine magnetisierte Scheibe mit abwechselnden Polen, die sich über eine Anordnung von Halleffekt- oder magnetoresistiven Sensoren dreht. Durch die Rotation der Scheibe wird eine Reaktion in diesen Sensoren erzeugt, die an eine signalerzeugende Frontend-Schaltung geleitet wird, um die Position der Welle zu bestimmen. Magnetische Encoder haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu optischen Encodern wesentlich haltbarer und schock- und vibrationsbeständiger sind. Wo optische Encoder mit Verschmutzungen wie Staub, Schmutz und Öl zu kämpfen haben, sind magnetische Encoder unbeeinträchtigt, so dass sie für raue Umgebungen gut geeignet sind.

Magnetische Encoder werden jedoch stark durch magnetische Interferenzen beeinflusst, die von Elektromotoren, insbesondere Schrittmotoren, verursacht werden, und leiden unter Positionsdrift aufgrund von Temperaturänderungen. Außerdem weisen sie, verglichen mit den optischen und kapazitiven Alternativen, eine relativ geringe Auflösung und Genauigkeit auf.

Kapazitive Encoder

Die drei Hauptkomponenten eines kapazitiven Encoders sind ein Rotor, ein stationärer Sender und ein stationärer Empfänger. Die kapazitive Erfassung verwendet zwei Muster mit Balken oder Linien - eines für das feste Element und das zweite für das bewegliche Element. Gemeinsam bilden sie einen variablen Kondensator, der als Sender/Empfänger-Paar ausgeführt ist. Die Bewegung des an der Motorwelle befestigten Rotors und sein sinusförmiges Muster, erzeugen ein einzigartiges, aber vorhersehbares Signal, das vom integrierten ASIC des Encoders interpretiert wird, um die Position der Welle und die Drehrichtung zu berechnen.

Abbildung 2: Ein Vergleich von Encoder-Scheiben (Bildquelle: Same Sky)

Vorteile des kapazitiven Encoders

Die kapazitiven Encoder sind von den gleichen Prinzipien abgeleitet, die bei der Entwicklung des digitalen Messschiebers verwendet wurden, was zu einer Lösung führt, die viele der Unzulänglichkeiten optischer und magnetischer Encoder überwindet. Die Encoder der AMT-Serie von Same Sky implementieren diese kapazitive Technologie, die sich durch hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit auszeichnet. Da keine LEDs oder Sichtverbindung erforderlich sind, funktionieren kapazitive Encoder auch dann erwartungsgemäß, wenn sie mit Umwelteinflüssen wie Staub, Schmutz und Öl konfrontiert werden, die sich negativ auf optische Encoder auswirken. Sie sind auch weniger anfällig für Vibrationen als die Glasscheibe eines optischen Encoders sowie für heiße oder kalte Temperaturextreme. Wie bereits erwähnt, bieten kapazitive Encoder ohne ausbrennbare LED eine längere Lebensdauer als ihre optischen Pendants. Dies führt außerdem zu einer kleineren Gehäusegröße und einem geringeren Stromverbrauch von 6 bis 18 mA über ihren gesamten Auflösungsbereich, wodurch sie besser für batteriebetriebene Anwendungen geeignet sind. Magnetische Interferenzen und elektrisches Rauschen, die für magnetische Encoder ein Problem darstellen, sind für die kapazitive Technologie ebenfalls weniger problematisch, was ihnen im Vergleich zu magnetischen Encodern eine zusätzliche Robustheit sowie eine verbesserte Genauigkeit und hohe Auflösung verleiht.

Flexibilität und Programmierbarkeit sind weitere Vorteile, die sich aus der digitalen Natur der kapazitiven Encoder ergeben. Da die Auflösung eines optischen oder magnetischen Encoders durch die Codierscheibe bestimmt wird, muss jedes Mal, wenn eine andere Auflösung benötigt wird, ein neuer Encoder verwendet werden. Dies kann sowohl Zeit als auch Kosten während des Design- und Herstellungsprozesses verursachen. Mit einer Reihe programmierbarer Auflösungen erübrigt sich bei kapazitiven Encodern die Notwendigkeit für den Entwickler, den Encoder jedes Mal auszutauschen, wenn eine neue Auflösung benötigt wird. Dies reduziert die Lagerhaltung und vereinfacht die Feinabstimmung eines PID-Regelkreises und die Systemoptimierung. Bei der BLDC-Kommutierung ermöglichen kapazitive Encoder den digitalen Abgleich und die Einstellung eines Indeximpulses, was bei optischen Encodern eine iterative und zeitaufwändige Aufgabe sein kann. Integrierte Diagnosefunktionen geben Entwicklern zusätzlichen Zugriff auf Systemdaten, die zur Optimierung oder Fehlerbehebung im Feld verwendet werden.

Abbildung 3: Vergleich der wichtigsten Leistungsindikatoren der kapazitiven, optischen und magnetischen Technologie (Bildquelle: Same Sky)

Abwägung der Optionen

Temperatur, Vibrationen und Umweltverschmutzung sind wichtige Faktoren, mit denen ein Encoder in vielen Anwendungen zur Bewegungssteuerung umgehen muss. Kapazitive Encoder haben bewiesen, dass sie diese Herausforderungen meistern und den Entwicklern im Vergleich zur optischen oder magnetischen Technologie eine zuverlässige, genaue und flexible Lösung bieten. Ihre digitale Natur positioniert kapazitive Encoder in das moderne Zeitalter der Anwendungen für das Internet der Dinge (IoT) und das industrielle IoT (IIoT) mit zusätzlicher Programmierbarkeit und Diagnosefähigkeit.