Encoder: Verwendungszweck Und Auswahlkriterien

Encoder liefern Feedback für eine genaue Motorsteuerung hinsichtlich Drehzahl und Positionierung. Portescap befasst sich mit den dazugehörigen Technologien und erklärt, wie Sie den richtigen Encoder für Ihre Anwendung auswählen.

Um sicherzustellen, dass mit jeder Förderung eines medizinischen Infusionsgeräts eine exakte Menge Insulin verabreicht wird oder dass sich ein Roboterarm in der Fertigung zum richtigen Zeitpunkt zu einem genauen Punkt bewegt, muss ein elektrischer Motor durch einen Encoder ergänzt werden. Ein rotatorischer Encoder oder Drehgeber ist ein elektromechanisches Gerät, das Informationen zu Position, Zählung, Drehzahl und Richtung eines Motors liefert und das über ein Steuergerät wie eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) mit einer Anwendung verbunden ist. Zur Sicherstellung einer hohen Genauigkeit der Motorsteuerung nutzt die SPS die Information des Encoders, die im Allgemeinen auch als ‚Feedback’ bezeichnet werden.

ENCODERTECHNOLOGIEN

Die beiden Haupttypen von Encodern sind inkrementelle und absolute Encoder. Inkrementelle Encoder identifizieren Echtzeit-Feedback und verfolgen präzise Bewegungen in Bezug auf Positions- und Richtungsänderungen und nicht auf einen bestimmten Punkt. Dies gelingt, indem sie Feedback zur relativen Bewegung zwischen Positionen mit kontinuierlich hohen und niedrigen Feedbackimpulsen liefern. Absolute Encoder zeigen die genaue Position an, sind jedoch aufgrund ihrer höheren Komplexität teurer. Folglich sind inkrementelle Encoder für die meisten Anwendungen kosteneffektiver. Die Möglichkeit der Positionsreferenzierung kann durch Hinzunahme einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application-specific Integrated Circuit, ASIC) erreicht werden.

Der Sensor eines Encoders funktioniert in der Regel nach einem optischen oder magnetischen Prinzip. Bei optischen Encodern wird von einer LED emittiertes Infrarotlicht durch eine Codierscheibe geschickt, die aus transparenten und undurchsichtigen Segmenten besteht, welche unterschiedliche Lichtsignale erzeugen, die von optoelektronischen Sensoren empfangen werden. Mit dieser Technologie gelingt den optischen Encodern eine äußerst genaue und präzise Positionierung. Zusätzlich zu dieser hohen Genauigkeit wird die Messung eines solchen optischen Encoders wie beispielsweise dem E9 von Portescap nicht durch mögliche magnetische Störungen beeinträchtigt.

Ein magnetischer Encoder hingegen verfügt über eine magnetisierte Scheibe mit mehreren Polen am äußeren Rand. Dreht sich die Scheibe, erkennen die Sensoren die Veränderungen im Magnetfeld, wie beispielsweise solche, die von Hall-Effekt-Geräten zur Überwachung von Spannungsänderungen gemessen werden. Magnetische Encoder wie der MR2 von Portescap sind ideal für den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen, bei denen Erschütterungen auftreten können oder ein Eindringen möglich ist. Der magnetische Encoder MR2 zum Beispiel ist unempfindlich gegenüber Temperatur und wenig empfindlich gegenüber unerwünschten externen Feldern.

FUNKTIONSWEISE EINES ENCODERS

Wenn sich der Encoder dreht, erzeugt er zwei Rechteckwellenausgänge A und B, die normalerweise um 90 Grad zueinander phasenverschoben sind. Durch die Messung einer Phasenverschiebung von den Ausgängen A und B kann die Richtung des Encoders bestimmt werden. Zur Messung der Wegstrecke oder der Drehzahl ist zudem die Auflösung des Encoders zu berücksichtigen. Die Auflösung stellt die Anzahl Messpunkte innerhalb einer 360-Grad-Umdrehung des Schafts dar, auch als Tastverhältnis oder Periode bekannt. In der Regel gilt: Je größer die Anzahl Punkte, die als Striche pro Umdrehung (Lines per Revolution, LPR) oder Impulse pro Umdrehung (Pulses per Revolution, PPR) bezeichnet werden, desto höher die Messgenauigkeit. Der magnetische Encoder M-Sense von Portescap zum Beispiel hat bis zu 1.024 Striche pro Umdrehung in einem kompakten Design.

Jeder Ausgang A und B schaltet zwischen hoch und niedrig um. Die beiden Informationsbits erzeugen dabei für jeden Strich oder Impuls vier Zählungen, auch als Quadratur-Dekodierung bezeichnet. Die Quadratur- Dekodierung kann somit die Auflösung um das bis zu Vierfache erhöhen, indem beispielsweise die 512 Striche eines MR2-Encodor in 2048 Zählungen oder Winkelschritte umgewandelt werden. Zusätzlich zu den beiden Ausgangskanälen A und B ist manchmal ein dritter Kanal Z vorhanden, der zur Bestimmung der Referenzposition verwendet werden kann.

ANWENDUNGSGEBIETE

Wenn wir verstehen, wie die Feedbackerzeugung des Encoders funktioniert, können wir nachvollziehen, warum sein Einsatz bei vielen Anwendungen von zentraler Bedeutung ist. Wenn wir bei unserem Ausgangsbeispiel für die Insulinverabreichung bleiben, muss ein Medikamentenabgabesystem in einer bestimmten Frequenz eine bestimmte Menge eines Medikaments verabreichen. In diesem Fall bestätigt der Encoder, dass die exakte Dosis verabreicht wurde. Dieses Beispiel zeigt auch, wie die höhere Anzahl an Strichen für eine höhere Auflösung des Encoders dazu beiträgt, auch bei höchst anspruchsvollen Durchflussraten Präzision sicherzustellen.

In der Fertigung können beispielsweise Robotergreifer zur Handhabung relativ empfindlicher Komponenten eingesetzt werden. Zur richtigen Handhabung der Komponente und damit sie keinen Schaden nimmt, ist die Verwendung des richtigen Drucks und der richtigen Drehzahl unerlässlich. Mithilfe des Encoders wird die Funktion des Robotergreifers speziell für jede Komponente, die er handhabt, durch die Bewegungssteuerung seiner Motordrehzahl und -position optimiert. Gleichzeitig ist für Pick-and-Place-Anwendungen, die bei der Montage von elektronischen Geräten verwendet werden, eine Hochgeschwindigkeitsbewegungssteuerung erforderlich, um schnell und wiederholt die Größe und das Gewicht von Bauelementen zu erkennen und diese präzise zu platzieren. Encoder ermöglichen die Hochgeschwindigkeits- und Präzisionssteuerung zur Gewährleistung von Produktivität und Qualität in der Fertigung.

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Der optische Encoder E9 von Portescap ermöglicht hochgenaue, präzise Positionierung und wird nicht durch mögliche magnetische Störungen beeinträchtigt.
Der M-Sense ist ein magnetischer Encoder. Hierbei handelt es sich um eine Single-Chip-Technologie mit drei Feedbackkanälen, die über einen integrierten RS422 Leitungstreiber verfügt.