Encoder-Auswahl: Die richtige Passform finden

Kyle Coiner, Automatisierungsspezialist, Motion

Encoder sind eine vielfältige Produktkategorie, die in Anwendungen eingesetzt wird, die eine Positions- und/oder Geschwindigkeitsrückmeldung erfordern. Die meisten Anwendungen können durch einige wichtige Auswahlkriterien wie Messbereich, Auflösung und Montageanforderungen erfüllt werden.

Für anspruchsvollere Anwendungen stehen viele spezielle Encoder-Technologien zur Verfügung. Wenn Ihr Designprojekt einen Encoder erfordert, müssen Sie einen auswählen, der Ihren spezifischen Anforderungen entspricht. Hier sind einige wichtige Überlegungen, die Sie beachten sollten, um die richtige Auswahl des Encoders sicherzustellen.

Inkrementelles oder absolutes Feedback ist das erste Kriterium, das bei der Auswahl eines Drehgebers berücksichtigt werden muss. Inkrementalgeber erzeugen bei Positionsänderungen ein gepulstes Signal, was zu einer schnellen und präzisen Rückmeldung führt. Absolutwertgeber werden verwendet, um ein eindeutiges Positionssignal zu erzeugen, das die spezifische Position eines Systems innerhalb seines Bewegungsbereichs beschreibt.

Für Systeme, bei denen nur eine Geschwindigkeitsrückmeldung erforderlich ist, sind Inkrementalgeber die einfache Wahl, da sie kostengünstiger sind, eine größere Auswahl an Designs bieten und einfacher zu implementieren sind. Wenn eine Positionsrückmeldung erforderlich ist, ist ein genauerer Blick auf die Vor- und Nachteile inkrementeller und absoluter Technologien erforderlich.

Fünf Hauptmerkmale, die inkrementelle und absolute Technologien unterscheiden, müssen berücksichtigt werden, darunter Reichweite, Auflösung, Kalibrierung, Verfügbarkeit und Austauschbarkeit sowie Kosten.

Reichweite: Inkrementalgeber können praktisch unbegrenzte Bewegungsbereiche messen, da sie bei einer festen Positionsänderung pulsieren; Die maximale Impulszahl wird nicht vom Encoder, sondern von der Steuerung vorgegeben, die die Zählung durchführt. Absolutwertgeber haben einen festen Ausgangsbereich; Bei Überschreitung „rollen“ sie zum Beginn eines neuen Signalpegels. Singleturn-Encoder schalten ihren Ausgang bei jeder Umdrehung um, und Multiturn-Encoder speichern einen Umdrehungszähler und schließen diese Daten zusätzlich zu den Singleturn-Daten ein. Einige Absolutwertgeber benötigen eine Batterie, um diese Multiturn-Daten bei Stromausfall zu speichern. Batterielose Optionen basieren jedoch auf mehrstufigen Zahnradsätzen, von denen jeder über eigene Rückkopplungsspuren verfügt, um Multiturn-Daten zu speichern.

Auflösung: Inkremental-Encoder gibt es in einer Vielzahl von Impulsen pro Umdrehung (PPR), wobei die übliche Auswahl von einem einzelnen PPR (grobe Auflösung) bis zu mehr als 16.000 Impulsen pro Umdrehung (fein) reicht. Einer der am häufigsten in industriellen Anwendungen verwendeten PPRs ist ein 1024 ppr (10-Bit) Quadratur-Encoder (d. h. zwei Impulsspuren, A und B), der eine ungefähre Genauigkeit von +/- 0,1 Grad ergibt. Absolutwertgeber verfügen üblicherweise über eine höhere Singleturn-Auflösung als Inkrementalgeber. Übliche Auflösungen liegen im Bereich von 13+ Bit, oft sogar bei 20 oder 24 Bit. Dies ermöglicht die Messung von Positionsänderungen von weniger als 0,0001 Grad.

Kalibrierung: Inkremental-Encoder können nur Impulse liefern, daher liegt es an der angeschlossenen Steuerung, zu interpretieren, wo innerhalb eines Bewegungsbereichs ein System vorhanden ist. Ein System, das auf einem Inkrementalgeber basiert, muss über eine Methode zur Referenzierung oder Kalibrierung verfügen, bei der das System zu einer bekannten Position vorrückt, bevor es seine Positionsdaten auf „Null“ setzen und mit dem Normalbetrieb fortfahren kann. Diese Routine kann für Systeme mit einem großen Bewegungsbereich in Verbindung mit Zeitlupe (z. B. eine große Satellitenschüssel, deren Ankunft Stunden dauern kann) unannehmbar lang sein. Absolutwertgeber geben überall im Bewegungsbereich eines Systems ein eindeutiges Signal aus. Dieses Signal muss weiterhin von einer mechanischen Stelle aus referenziert werden; Dies geschieht jedoch in der Regel nur einmal während des Systemaufbaus oder später, wenn einige Mechanismen ausgetauscht werden und eine neue Kalibrierung erforderlich ist.

Verfügbarkeit und Austauschbarkeit: Inkrementalgeber sind die gebräuchlichste Art von Drehgebern auf dem industriellen Markt. Sie können zwischen vielen Marken und einer großen Auswahl an Formen, Größen und Montagearten wählen. Wenn eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell nicht mehr verfügbar ist, können sie in der Regel problemlos gegen ein anderes ausgetauscht werden. Inkrementalgeber mit besonderen Umwelteinstufungen sind zudem leichter zu finden als Absolutwertgeber mit ähnlicher Einstufung. Absolutwertgeber sind in der Regel hochspezialisiert und für bestimmte Anwendungen konzipiert. Viele Kombinationen von Signaltypen, Kommunikationsprotokollen, Singleturn- und Multiturn-Auflösungen sind wählbar. Anbieter haben oft nur eine begrenzte Auswahl an Paarungen, was es unmöglich macht, Austauschmöglichkeiten ohne erhebliche Umgestaltung durch den Systemintegrator zu finden.

Kosten: Inkrementale Encoder sind bei einfachen Anwendungen in der Regel kostengünstiger; Bei der Entscheidung für eine Technologie ist es jedoch wichtig, die Gesamtkosten für die Implementierung zu berücksichtigen. Wenn eine Referenzfahrtroutine erforderlich ist, kann der Zeitaufwand für den Entwurf und die Implementierung dieser Routinen kostspielig sein. Hinzu kommen die Kosten für Grenzsensoren, die teuer sein können. Ein weiterer, oft übersehener Kostenfaktor ist die Zeit, die für die Durchführung der Referenzfahrtroutine benötigt wird, wenn dadurch Zeit für die umsatzgenerierende Produktion verloren geht. Absolutwertgeber sind tendenziell teurer, da sie typischerweise über komplexere Komponenten und eingebettete Schaltkreise verfügen, um die höhere Auflösung, Positionsdatenspeicherung und Signalprotokollverarbeitung zu bewältigen. Es ist wichtig zu beachten, dass die erhöhten Komponentenkosten durch die zuvor diskutierten Vorteile ausgeglichen werden können.

Die Auswahl eines Encoders für Ihre Anwendung erfordert ein umfassendes Verständnis der gängigsten Encoder-Technologien. Diese Technologien haben ihre eigenen Stärken und Schwächen (Abbildung 1).

Optische Encoder: Es stehen mehrere Kategorien optischer Encoder zur Verfügung, sowohl mit inkrementellen als auch mit absoluten Optionen. Sie neigen jedoch dazu, einige Schlüsselmerkmale gemeinsam zu haben. Sie messen Positionsänderungen, indem sie das Vorhandensein und Nichtvorhandensein von Licht eines Emitters (typischerweise einer LED oder eines Lasers) erkennen, wenn es durch eine rotierende Scheibe mit einem vordefinierten Muster aus reflektierenden oder transparenten Linien gebrochen oder reflektiert wird. Es können mehrere Musterspuren vorhanden sein, jede mit einem eigenen Sensor (z. B. mit einem inkrementellen Quadratur-Encoder, der sowohl A- als auch B-Spuren hat), die um einen halben Impuls zueinander phasenverschoben sind, wodurch eine vierfache Auflösung entsteht und das ermöglicht wird Interpretation der Richtung aus dem Feedback.

Für absolute Optionen kann eine eindeutige Spur mit einem sich nicht wiederholenden Muster aus einer Nachschlagetabelle referenziert werden, um zu bestimmen, wo sich die Welle innerhalb einer Umdrehung befindet. Sobald die erste Suche nach dem Einschalten abgeschlossen ist, verwendet der Encoder üblicherweise die Inkrementalspur(en), um schnellere Aktualisierungsraten aufrechtzuerhalten. Beachten Sie, dass die absolute Position erst verfügbar ist, wenn die Bewegung begonnen hat. Daher werden diese Positionen üblicherweise als pseudoabsolut bezeichnet.

Stärken:Niedrige Kosten, hohe Auflösung, kleine Größen.

Schwächen:Anfälligkeit gegenüber Verschmutzung, Vibration und Kondensation.

Magnetische Encoder: Magnetische Encoder funktionieren über einen oder mehrere Sensoren, beispielsweise den Hall-Effekt-Typ, der über eine Reihe von Magneten läuft, die entlang einer Scheibe angebracht sind. Diese können inkrementelle und absolute Varianten haben. Die Sensoren erfassen oszillierende Magnetfeldstärken und interpretieren diese in Positionsänderungen. Durch die Implementierung mehrerer Spuren oder „kodierter“ magnetischer Muster kann die absolute Position durch die Kombination der gelesenen Sensorsignale bestimmt werden. Da das Magnetfeld ohne Bewegung abgelesen werden kann, können diese wirklich absolut sein, ohne dass eine Bewegung erforderlich ist, bevor die Wellenposition gemeldet wird.

Stärken:Geringe Kosten, Immunität gegenüber nichtmetallischen Verunreinigungen, kleine Größen erhältlich.

Schwächen:Geringe Auflösung, schwache magnetische Immunität, Temperaturschwankungen, die die Messungen verfälschen.

Resolver: Resolver sind eine Rotationsrückkopplungstechnologie, die auf einem induzierten Magnetfeld basiert, das durch einen Wechselstrom in einem Leiter erzeugt wird. Der Leiter erzeugt dann in den Sekundärleiterwicklungen Wechselströme unterschiedlicher Stärke, die gemessen werden können, um die Rotorposition zu interpretieren. Sie sind von Natur aus absolute Feedback-Geräte; Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass es sich um analoge Geräte handelt, sodass ihre Genauigkeit von der analogen Verstärkerschaltung abhängt, an die sie angeschlossen sind.

Stärken:Robust, zuverlässig, keine eingebettete Elektronik.

Schwächen:Sperrig, teuer, komplizierter in der Anbindung.

Induktive Encoder: Induktive Encoder funktionieren wie Resolver, mit der Ausnahme, dass zur Erzeugung und Messung der induzierten Ströme anstelle von Spulenwicklungen Leiterplatten (PCBs) verwendet werden. Leiterplatten sparen Platz und ermöglichen mehr Flexibilität in Form und Design. Aufgrund gedruckter Schaltungen können auf kleinem Raum mehrere Spuren mit unterschiedlicher Wicklungszahl pro Spur vorhanden sein. Da die Gleise unterschiedliche Wicklungszahlen ohne gemeinsamen Nenner haben, hat jede Position innerhalb einer einzelnen Umdrehung ein eindeutiges Ausgangssignal.

Stärken:Kleine und große Baugrößen mit speziellen Geometrien, robust, zuverlässig.

Schwächen:Die Montage erfordert eine präzise Ausrichtung und mehr Technik bei der Auswahl und Implementierung.

Drehgeber sind eine breite Produktkategorie mit regelmäßig eingeführten innovativen Technologien, um den ständig wachsenden Anforderungen der Automatisierung gerecht zu werden. Ein grundlegendes Verständnis der verschiedenen verfügbaren Technologien hilft dabei, für jede Anwendung das richtige Produkt zu finden und so Zuverlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig die Budgetbeschränkungen des Projekts einzuhalten.

Wenn Sie eine Anwendung mit besonderen Encoder-Anforderungen zu bewältigen haben, wenden Sie sich an Ihren hauseigenen Ingenieur oder einen externen Automatisierungsspezialisten, um Unterstützung bei der Erarbeitung und Implementierung der besten Lösungen zu erhalten.

Dieser Artikel wurde von Kyle Coiner, Automatisierungsspezialist, Motion (Birmingham, AL) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2022 des Motion Design Magazine.

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