Encoder sind die am weitesten verbreiteten Feedbackgeräte für industrielle Servosysteme, die höchste Präzision erfordern. Lernen Sie alles über die Funktionsweise und geeignete Anwendungen für Linear-, Dreh- und Sinus-Encoder und erfahren Sie, wie Sie EMI/RFI-Störungen für die hochpräzise und zuverlässige Steuerung von Servosystemen mindern können.
Encoder: Die hochauflösende Feedbacklösung
Encoder lassen sich in drei grundlegende Kategorien einteilen: rotierend oder linear; inkrementell oder absolut; und ob das Signal durch optische, magnetische oder kontaktierende Mittel erzeugt wird. Kontaktlose Encoder sind dabei gängiger als Kontaktgeräte. In dieser Kategorie konzentrieren wir uns auf optische Drehgeber, die gängiger und genauer sind als magnetische.
Als optische Drehgeber auf den Markt kamen, wurden sie für ihre hohe Genauigkeit sowohl bei Anwendungen mit niedrigen als auch mit hohen Drehzahlen gefeiert. Die ersten Versionen galten allerdings als nicht immer zuverlässig. Das war jedoch hauptsächlich auf falsche Anwendungen zurückzuführen: Bei der Installation in schweren Industrieanlagen forderten Vibrationen und Temperaturen manchmal ihren Tribut von der empfindlichen Elektronik und den Codierscheiben aus Glas.
Die heutigen Versionen sind robuster, mit besser geschützter Elektronik und Optik. Dennoch empfehlen die meisten Hersteller, optische Drehgeber für leichtere industrielle Anwendungen zu wählen, bei denen sie lediglich Temperaturen unter 90ºC und Vibrationen unter 20 G ausgesetzt sind.
Lineare Encoder
Lineare Encoder enthalten eine lineare Spur und einen Lesekopf und werden in der Regel in Systemen verwendet, die lineare Bewegungen verfolgen, wie z. B. X-Y-Verfahrtische und Positionstische. Die lineare Spur kann dabei eine Länge von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern erreichen. Sie ist mit Markierungen versehen, die vom Lesekopf bei der Bewegung der Komponenten gescannt werden. Der Lesekopf erfasst mehrere Kanäle, um Positions- und Richtungsdaten zu liefern. Encoder mit sinusförmigen Ausgängen verwenden zusätzliche Interpolationsschaltungen, um die Auflösung elektronisch zu verbessern.
Bei Systemen, die eine besonders hohe Auflösung erfordern, sind lineare Encoder die beste Wahl in ihrer Kategorie. Auflösungen bis 0,1 Mikrometer sind üblich. Einige Systeme bieten sogar eine Auflösung von bis zu 20 Nanometern. Die Genauigkeit, in der Regel 20 Mikrometer pro Meter, kann über die Verfahrstrecke der Spur linear abnehmen. Dies kann jedoch durch eine Neigungsfehlerkorrektur kompensiert werden, so dass die Abweichung unter 5 Mikrometer pro Meter liegt.
Bei Maschinen, die mit hohen Drehzahlen laufen, werden lineare Encoder eingesetzt, da diese Geräte Systeme in der Regel mit höheren Drehzahlen arbeiten als andere Feedbackgeräte. Der wichtigste Faktor, der Einfluss auf die mögliche Drehzahl hat, ist die Frage, ob die elektronische Zählung Schritt halten kann oder nicht.
Optische Drehgeber
Optische Drehgeber bestehen aus einer Lichtquelle, einer rotierenden Codierscheibe und einem Lichtdetektor. Die Scheibe hat entweder Schlitze oder Einkerbungen, die sie gleichmäßig in dunkle und helle Bereiche unterteilen. Diese Markierungen werden oft als Linien bezeichnet, daher auch die Maßeinheit: Linien pro Umdrehung (Lines per Revolution - LPR). Dieses Maß gibt die Auflösung oder Granularität eines Encoders an.
Die Genauigkeit von Encodern wird definiert als plus (+) oder minus (-) einer bestimmten Anzahl von Linien oder Zählungen. Dabei ist zu beachten, dass Genauigkeit und Auflösung unterschiedliche Attribute sind, auch wenn sie häufig miteinander verbunden sind. Bei Encodern steigt mit zunehmender Zählauflösung auch die Genauigkeit innerhalb einer bestimmten Anzahl von Zählungen. Dem gegenüber stehen Resolver, bei denen eine höhere Auflösung durch mehr Interpolation - z. B. 16 Bit gegenüber 12 Bit - die Genauigkeit nicht erhöht. In der Tat ist es nicht unüblich, dass Resolversysteme eine um den Faktor 100 geringere Genauigkeit bei der Auflösung aufweisen.
Während sich die angeschlossenen Komponenten bei einem Encoder drehen, registriert der Lichtdetektor das Ein-Aus-Muster des Lichts, das durch die Scheibe fällt. Der Detektor wandelt dieses Ein-Aus-Muster anschließend in ein elektronisches Digitalsignal um, das wie eine Rechteckwelle aussieht. In der Regel sind zwei Reihen von Schlitzen oder Markierungen um die Hälfte ihrer Breite oder ein Viertel eines vollständigen Zyklus (90 elektrische Grad) versetzt, wodurch zwei elektrische Signale erzeugt werden, die als Kanal A und Kanal B bezeichnet werden. Durch diesen Versatz kann die Steuerung die Drehrichtung der Welle bestimmen - eine wichtige Information für den Antrieb während der Inbetriebnahme und eine wesentliche Information für Servosysteme, die eine bidirektionale Bewegung ermöglichen.
Anstatt nur zwei Kanäle zu verwenden, nutzen einige Encoder zusätzliche Kanäle, um die Wellenposition zu verfolgen oder die Störfestigkeit zu verbessern. Zu diesen Kanälen gehören der sogenannte Index- und der Komplementärkanal. Eine weitere Möglichkeit zur Verfolgung der Wellenposition ist das Hinzufügen eines Kommutierungs- oder Hall-äquivalenten Kanals. Diese stellen die A-, B- und C-Phase (auch als U, V und W bezeichnet) der Gegen-EMK des Motors dar.
Je nachdem, wie der Encoder die A- und B-Kanäle zählt, kann sich die Auflösung vervierfachen. Diese Fähigkeit kommt zum Tragen, wenn der Zählkreis sowohl die fallende als auch die steigende Amplitude beider Signale verfolgt, was auch als Quadraturerkennung bezeichnet wird. Eine höhere Auflösung erhöht die Wiederholgenauigkeit des Systems. Außerdem ermöglicht sie eine höhere Verstärkung für Positions- und Geschwindigkeitsschleifen und gewährleistet die volle Systembandbreite.
Auflösungen von 50 bis 5.000 Linien pro Umdrehung sind bei den meisten Anbietern Standard, es sind aber auch bis zu 100.000 möglich. Bei hochpräzisen Anwendungen wird die Systemgenauigkeit durch Störungen aus anderen Quellen beeinträchtigt, wie z. B. durch den kumulativen Fehler der Leitspindel, die thermische Ausdehnung oder das Mutternspiel. Lineare Encoder können diesen Herausforderungen standhalten.
Sinus-Encoder
Sinus-Encoder gehören zu den hochpreisigen, hochgenauen und hochpräzisen Geräten im Spektrum der Feedbacksysteme. Sie ähneln den Inkrementalgebern, mit dem Unterschied, dass die Datenkanäle A und B in der Regel als 1V-Sinuswellen von Spitze zu Spitze anstelle von Rechteckwellen an die Steuerung gesendet werden.
Dies hat den Vorteil, dass diese Geräte jede vollständige Sinuswelle interpolieren können, wodurch die Systemauflösung erhöht wird und mehr Informationen an die Geschwindigkeitssteuerung gesendet werden. Dadurch werden Abschneide- und Quantisierungsfehler reduziert, was eine höhere Schleifenverstärkung ermöglicht.
Sinus-Encoder können über 2 Millionen Zählungen pro Umdrehung erreichen, was einer Auflösung von etwa 0,62 Winkelsekunden entspricht. Damit eignen sie sich besonders gut für Anwendungen, die hohe Präzision erfordern oder hohe Trägheitslasten aufweisen.
Wie andere Drehgeber können auch Sinus-Encoder über Kommutierungsspuren, Hall-Emulationsspuren oder zusätzliche Sinuskanäle (C und D) verfügen, die die absolute Position innerhalb einer Umdrehung angeben. Die Kanäle C und D ähneln den Sinus- und Kosinussignalen, die in Resolvern verwendet werden.
Eine Variante des Sinus-Encoders ist die mit mehreren Drehungen. Solche Versionen sind mit einem internen mechanischen Getriebe, einem Wiegand-Sensor oder einem Batterie-Backup-Mechanismus ausgestattet. Dies ermöglicht eine absolute Positionierung über viele Umdrehungen des Geräts. Diese Encoder können bis zu 8192 Schritte pro Umdrehung und bis zu 8192 Wellenumdrehungen liefern, was eine absolute Auflösung von insgesamt 26 Bit vor der Interpolation ergibt.
Sinus-Encoder bieten hohe Präzision, Auflösung und Genauigkeit für Anwendungen, die von der Registrierung hoher Drehzahlen bis zur Folienbeschichtung und Websteuerung reichen. Außerdem eignen sich Sinus-Encoder auch für niedrige Drehzahlen, bei denen eine gleichmäßige Rotation entscheidend ist. Sie sorgen für hohe Leistung, extreme Steifigkeit und Positionsgenauigkeit bei Bewegungssystemen in Drehtischen, Schalttellermaschinen und Walzenantrieben.
Störungen reduzieren
Feedbacksysteme können elektrische oder optische Signale ausgeben. Ein Vorteil der Verwendung optischer Übertragungsleitungen für Feedbacksignale besteht darin, dass sie immun sind gegen störende Umgebungsgeräusche oder elektromagnetische Interferenzen/Radiofrequenz-Interferenzen (EMI/RFI), die andernfalls klare Signale beeinträchtigen und die an den Antrieb gesendeten Daten verzerren könnten, wodurch dessen Fähigkeit zur hochwertigen Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung beeinträchtigt würde.
Bei der elektrischen Übertragung von Signalen können Verstärker oder Signalaufbereitungsgeräte erforderlich sein, um gestörte Signale zu modifizieren. Neuere Feedbackgeräte verwenden IC-Chips zur Umwandlung und Interpolation von Signalen in robustere Wellenformen, die nicht durch Rauschen verfälscht werden und die sich auf dem Weg durch das Kabel zum Antrieb nicht abschwächen.
Weitere Informationen
Lesen Sie unbedingt alle drei unserer Blog-Beiträge zu Feedbacksystemen Auswahlkriterien und Hall-Effekt-Sensoren und Resolver sowie Linear-, Dreh und Sinus-Encoder, um sich mit diesem wichtigen Antriebstechnik-Thema vertraut zu machen. Und zögern Sie nicht, einen Ingenieur von Kollmorgen zu kontaktieren, um über Ihre spezifische Anwendung zu sprechen und sich Empfehlungen für die ideale Servoschleifen-Technologie zu holen, die Ihren Anforderungen entspricht.
