Welche Arten von Encoder-Features erhöhen die Robustheit? Vielleicht Festkörperelektronik?

Encoder-Anwendungen gibt es überall um uns herum, von BattleBots bis zum Mars Rover, von großen Baufahrzeugen bis zu Halbleiter-Fertigungsanlagen und in zahlreichen medizinischen und militärischen Anwendungen.

Kurz gesagt, wo immer Bewegung ist, ist ein Encoder sicher zu finden. Sie haben vielleicht nicht den gleichen Glanz wie einige der Produkte, in die sie gehen, aber sie sind in den heutigen komplexen und ausgeklügelten Bewegungssteuerungssystemen von entscheidender Bedeutung.

Drehgeber sind wichtige Komponenten in der Bewegungssteuerungs-Rückkopplungsschleife von Industrie-, Roboter-, Luft- und Raumfahrt-, Energie- und Automatisierungsanwendungen. Sie müssen unter schweren Bedingungen arbeiten, unter denen sie Staub, Schmutz und Fett, Temperaturschwankungen und starken Vibrationen ausgesetzt sind.

Außerdem steigt der Bedarf an Drehgebern aufgrund des vermehrten Einsatzes von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), was Vorteile bei der Steuerung, Präzision und Effizienz bringt. Die Aufgabe des Encoders ist einfach: die Position der Motorwelle dem Systemregler anzuzeigen. Mit diesen Daten kann der Regler die Motorwicklungen genau kommutieren und die Geschwindigkeit, Richtung und Beschleunigung bestimmen - Parameter, die ein Bewegungsregelkreis für die Zielmotorleistung beibehalten muss. Bei Drehgeberanwendungen besteht eine Nachfrage nach langfristiger Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und optimierter Leistung. All dies hat dazu geführt, dass ein intelligenter Drehgeber in den meisten Anwendungen, die eine präzise Bewegungssteuerung erfordern, immer wichtiger wird.

Das Aufkommen neuer Ansätze mit intelligenter Funktionalität bringt neue Fähigkeiten und Möglichkeiten mit sich, die die Landschaft des bescheidenen Codierers verändern.

Obwohl sie unerlässlich sind, werden Drehgeber oft als dumme Geräte betrachtet, die lediglich Impulssignale an eine übergeordnete Steuerung liefern. Traditionell zögerten die Anwender von Drehgebern, sich auf Veränderungen einzulassen. Jetzt können sie mehr Vertrauen in Technologien wie den kapazitiven Drehgeber mit seinen vollständig getesteten Prinzipien setzen und sich auf den nachgewiesenen Erfolg seiner mehrjährigen Tätigkeit in diesem Bereich verlassen.

Durch die Hinzufügung eines Mikrocontrollers und kundenspezifischer ASICs im Design wurde ein beträchtliches Maß an Vielseitigkeit hinzugefügt, das die Möglichkeit bietet, die Auflösung, die Nullposition und die Polzahl des Encoders schnell zu konfigurieren. Dieser digitale Ansatz zur Bewegungsmessung bietet Vorteile und ein neues Maß an Intelligenz für Konstrukteure, die Drehkommutierungs-Encoder verwenden.

Encoder-Technologien: Drei Arten und wo sie sich auszeichnen und wo nicht

Die drei bekanntesten Encoder-Ansätze verwenden optische, magnetische oder kapazitive Techniken.

Optische Aufbauten verwenden eine Schlitzscheibe mit einer LED auf der einen Seite und Fototransistoren auf der anderen Seite. Die Scheibe dreht sich und unterbricht den Lichtweg... so dass die resultierenden Impulse die Richtung und die Drehung der Welle anzeigen (Abbildung 1). Die Zuverlässigkeit des optischen Encoders verschlechtert sich zwar durch Verunreinigungen wie Schmutz, Staub und Öl... und die LEDs haben eine begrenzte Lebensdauer.

Abbildung 1: Dies ist ein traditioneller Aufbau eines optischen Encoders. (Bildquelle: CUI-Devices)

Die Konstruktion des magnetischen Encoders ähnelt der von optischen Encodern, verwendet jedoch ein Magnetfeld und keinen Lichtstrahl. Anstelle eines geschlitzten optischen Rades hat es eine magnetisierte Scheibe, die sich über ein magnetoresistives Sensorarray dreht. Die Drehung des Rades löst eine Reaktion in diesen Sensoren aus, die an einen signalaufbereitenden Front-End-Schaltkreis weitergeleitet wird, um die Wellenposition zu bestimmen. Obwohl sie eine hohe Lebensdauer bieten, sind magnetische Encoder nicht so genau und anfällig für magnetische Störungen, die von Elektromotoren und Antrieben ausgehen.

Kapazitive Encoder bieten alle Vorteile optischer und magnetischer Encoder-Designs, ohne deren Schwächen. Sie sind viel robuster und ziemlich unempfindlich gegen Umgebungspartikel und magnetische Störungen. Ein kapazitiver Encoder hat zwei Linienmuster, wobei sich ein Muster auf einem festen Element und das andere auf einem beweglichen Element befindet. Zusammen bilden diese einen variablen Kondensator, der als Sender-Empfänger-Paar konfiguriert ist (Abbildung 2). Der Encoder dreht sich, um einen integrierten ASIC zu triggern, der Zeilenänderungen zählt und interpoliert, um die Wellenrichtung mit Standard-Quadraturausgängen zu verfolgen - sowie Kommutierungsausgänge, die andere Encoder zur Steuerung von BLDC-Motoren bereitstellen.

Abbildung 2: Dies ist eine kapazitive Abtastung... mit Quadraturreihen von Balken und Ausgangswellenformen. (Bildquelle: CUI Devices)

Digitale Verbesserung der Encoder-Rückmeldung

Die kapazitiven Encoder liefern eine robuste Leistung. Darüber hinaus führt (im Gegensatz zu optischen und magnetischen Encodern) ihre digitale Ausgabe das Design in das 21. Jahrhundert - nützlich, um die Produktentwicklung, Installation und sogar die Wartung zu vereinfachen.

Ein Vorteil ist die Fähigkeit des Encoders, die Auflösung (Anzahl der Impulse pro Umdrehung) anzupassen, ohne dass ein Wechsel zu einer Encoderscheibe mit höherer oder niedrigerer Auflösung erforderlich ist. Das erhöht die Flexibilität während der Entwicklung, wenn die Regelkreisoptimierung stattfindet.

Die digitale Technologie ermöglicht auch eine einfache "One Touch"-Nullung für eine schnelle und einfache Installation und Ausrichtung der Kommutierungssignale mit BLDC-Motorwicklungen. Hier verriegelt der Benutzer die Welle in der Zielposition, indem er die richtigen Motorphasen aktiviert und den Encoder an dieser Position auf Null setzt. Es sind keine speziellen Werkzeuge erforderlich, und die Gesamtzeit für die Ausführung dieser Funktion beträgt einige Minuten. Im Gegensatz dazu ist das Nullsetzen eines optischen oder magnetischen Encoders (für die mechanische Ausrichtung von Kommutierungssignalen an Motorwicklungen) ein komplexer und frustrierender Prozess, der 20 Minuten dauern kann.

Die in die AMT-Serie von CUI eingebaute Intelligenz bietet zusammen mit der zugehörigen AMT Viewpoint GUI auch eine On-Board-Diagnose für eine schnellere Analyse von Feldausfällen, die Möglichkeit, vorbeugende Maßnahmen wie eine "Encoder Good"-Testsequenz durchzuführen, und eine verbesserte Markteinführungszeit.

Solche Diagnosedaten helfen dem Entwickler während des Designs, indem sie den Kodierer während der Fehlersuche aus der Verdächtigenliste entfernen.

Außerdem hilft die Diagnose vor Ort, indem sie den Endanwendern einen Einblick in den Zustand des Encoders vor Ausfällen gibt... und dabei hilft, das Encoder-Verhalten von der Analyse des Motorbetriebs für Wartungsziele zu trennen - wodurch Probleme wie Ausrichtungsfehler oder Lagerverschleiß verfolgt werden können. Mit der integrierten Diagnose können Systeme überprüfen, ob die Encoder in Betrieb sind, bevor sie Motoren in kritischen Bewegungssteuerungsanwendungen einsetzen, um mögliche Schäden zu vermeiden.

Intelligente Funktionen und IoT-Konnektivität für alle Encoder-Typen

Die Vorteile der auf kapazitiver Technologie basierenden AMT-Encoder-Serie bieten weit mehr als nur eine verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit. Sie bieten intelligente Funktionalität zusammen mit einer ganzen Reihe von programmierbaren Einrichtungs- und Installationsfunktionen. Die Digitaltechnologie ist der nächste Schritt, um die Leistungsfähigkeit einer intelligenten Schnittstelle für Vorteile zu nutzen, die mit herkömmlichen Encoder-Technologien nicht verfügbar sind.