Encoder sind in Bewegungssteuerungsprodukten üblich, und Drehgeber sind Schlüsselkomponenten von Bewegungssteuerungs-Rückkopplungsschleifen, einschließlich industrieller Automatisierungsausrüstung und Prozesssteuerung, Robotik, medizinischer Ausrüstung, Energie, Luft- und Raumfahrt usw.
Als Geräte, die mechanische Bewegungen in elektrische Signale umwandeln, liefern Encoder den Ingenieuren grundlegende Daten wie Position, Geschwindigkeit, Entfernung und Richtung, die zur Optimierung der Leistung des Gesamtsystems verwendet werden können.
Optisch, magnetisch und kapazitiv sind die drei wichtigsten Encoder-Technologien, die Ingenieuren zur Verfügung stehen. Es gibt jedoch eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, um zu bestimmen, welche Technologie für die letztendliche Anwendung am besten geeignet ist.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über optische, magnetische und kapazitive Encoder-Technologien und diskutiert kurz die Vor- und Nachteile jeder Technologie.
1. Optischer Encoder
Optische Encoder sind seit vielen Jahren eine beliebte Wahl auf dem Markt für Bewegungssteuerungsanwendungen. Es besteht aus einer LED-Lichtquelle (normalerweise Infrarot-Lichtquelle) und einem Fotodetektor, die sich auf beiden Seiten der Codeplatte des Encoders befinden.
Die Codeplatte besteht aus Kunststoff oder Glas mit einer Reihe von transparenten und opaken Linien oder Schlitzen, die in Abständen angeordnet sind. Wenn sich die Codescheibe dreht, wird der LED-Lichtweg durch die in Abständen auf der Codescheibe angeordneten Linien oder Schlitze blockiert, wodurch zwei typische orthogonale Rechteckimpulse A und B erzeugt werden, die verwendet werden können, um die Rotation und Geschwindigkeit der Achse zu bestimmen .
Technische Analyse optischer, magnetischer und kapazitiver Encoder
Abbildung 1: Typische orthogonale A- und B-Impulse für optische Encoder, einschließlich Indeximpulse (Bildnachweis: CUI Devices)
Obwohl optische Codierer weit verbreitet sind, haben sie immer noch einige Nachteile. In staubigen und schmutzigen Umgebungen wie Industrieanwendungen können sich Verunreinigungen auf der Codeplatte ansammeln und so die Übertragung von LED-Licht zum optischen Sensor blockieren.
Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit optischer Codierer werden stark beeinträchtigt, da die verschmutzte Codescheibe zu einer Unterbrechung oder einem vollständigen Verlust der Rechteckwelle führen kann.
LEDs haben eine begrenzte Lebensdauer und brennen schließlich durch, was zu einem Ausfall des Encoders führt. Außerdem sind Codescheiben aus Glas oder Kunststoff anfällig für Beschädigungen aufgrund von Vibrationen oder extremen Temperaturen, wodurch die Anwendbarkeit von optischen Codierern in Anwendungen in rauen Umgebungen eingeschränkt wird; Der Einbau in einen Motor ist nicht nur zeitaufwändig, sondern birgt auch ein erhöhtes Kontaminationsrisiko.
Wenn schließlich die Auflösung des optischen Encoders hoch ist, verbraucht er mehr als 100 mA Strom, was seine Anwendung in mobilen oder batteriebetriebenen Geräten weiter beeinträchtigt.
2. Magnetischer Encoder
Magnetische Encoder haben eine ähnliche Struktur wie optische Encoder, verwenden jedoch eher ein Magnetfeld als einen Lichtstrahl. Magnetcodierer ersetzen geschlitzte optische Codescheiben durch magnetische Codescheiben mit beabstandeten Magnetpolen, die sich auf einer Reihe von Hall-Effekt-Sensoren oder Reluktanzsensoren drehen.
Jede Drehung der Codeplatte bewirkt, dass diese Sensoren ansprechen, und das resultierende Signal wird an die Eingangsschaltung zur Signalkonditionierung übertragen, um die Position der Welle zu bestimmen.
Im Vergleich zu optischen Encodern haben magnetische Encoder den Vorteil, dass sie langlebiger, vibrations- und stoßfester sind. Darüber hinaus wird die Leistung optischer Encoder im Falle von Verunreinigungen wie Staub, Schmutz und Ölflecken stark beeinträchtigt, während magnetische Encoder nicht beeinträchtigt werden, was sie ideal für Anwendungen in rauen Umgebungen macht.
Von Motoren (insbesondere Schrittmotoren) erzeugte elektromagnetische Interferenzen wirken sich jedoch stark auf den magnetischen Encoder aus, und Temperaturänderungen verursachen auch eine Positionsdrift.
Außerdem sind Auflösung und Genauigkeit magnetischer Encoder relativ gering und in dieser Hinsicht weit geringer als bei optischen und kapazitiven Encodern.
3. Kapazitiver Encoder
Der kapazitive Encoder besteht aus drei Hauptteilen: Rotor, feststehender Sender und feststehender Empfänger. Die kapazitive Erfassung verwendet ein Streifen- oder lineares Muster mit einem Pol an einem festen Element und dem ANDEREN Pol an einem BEWEGLICHEN Element, um einen variablen Kondensator zu bilden, der als Empfänger/Sender-Paar konfiguriert ist.
Der Rotor ist mit einem Sinuswellenmuster geätzt, das ein spezifisches, aber vorhersagbares Signal erzeugt, wenn sich die Motorwelle dreht. Dieses Signal wird dann vom integrierten ASIC des Encoders umgewandelt, um die Position und Drehrichtung der Achse zu berechnen.
Technische Analyse optischer, magnetischer und kapazitiver Encoder
Abbildung 2: Vergleich von Encoder-Disks (Bildnachweis: CUI Devices)
4. Kapazitiver Encoder
Der kapazitive Encoder arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der digitale Messschieber und bietet daher eine Lösung, die viele der Nachteile optischer und magnetischer Encoder überwindet.
Die kapazitätsbasierte Technologie, die in der AMT-Encoder-Reihe von CUI Devices verwendet wird, hat sich als äußerst zuverlässig und hochpräzise erwiesen.
Da keine LED oder Sichtlinie erforderlich ist, können kapazitive Encoder die gewünschten Ergebnisse erzielen, selbst wenn sie auf Umweltverschmutzungen treffen, die optische Encoder beeinträchtigen können, wie z. B. Staub, Schmutz und Ölflecken.
Darüber hinaus ist es weniger anfällig für Vibrationen und extrem hohe/niedrige Temperaturen als die Glas-Codescheiben, die in optischen Encodern verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, haben kapazitive Encoder tendenziell eine längere Lebensdauer als optische Encoder, da LEDs nicht durchbrennen.
Dadurch hat der kapazitive Encoder eine kleinere Gehäusegröße und verbraucht weniger Strom über den gesamten Auflösungsbereich von nur 6 bis 18 mA, wodurch er besser für batteriebetriebene Anwendungen geeignet ist.
Da die Robustheit, Genauigkeit und Auflösung der kapazitiven Technologie höher sind als die des magnetischen Encoders, haben die elektromagnetischen Störungen und das elektrische Rauschen, denen letzterer ausgesetzt ist, keinen großen Einfluss auf ihn.
Darüber hinaus bietet die digitale Natur kapazitiver Encoder entscheidende Vorteile in Bezug auf Flexibilität und Programmierbarkeit. Da die Auflösung eines optischen oder magnetischen Kodierers durch die Kodierplatte bestimmt wird, wird jedes Mal ein neuer Kodierer verwendet, wenn andere Auflösungen erforderlich sind, was zu einer Erhöhung der Zeit und der Kosten des Konstruktions- und Herstellungsprozesses führt.
Kapazitive Encoder verfügen jedoch über eine Reihe programmierbarer Auflösungen, was Entwicklern die Mühe erspart, den Encoder jedes Mal auszutauschen, wenn eine neue Auflösung benötigt wird, was nicht nur den Lagerbestand reduziert, sondern auch die Feinabstimmung des PID-Regelkreises und die Systemoptimierung vereinfacht.
Kapazitive Encoder ermöglichen die digitale Ausrichtung und Indizierung von Impulseinstellungen, wenn der BLDC-Motor anläuft, eine Aufgabe, die sich für optische Encoder wiederholen und zeitaufwändig sein kann.
Integrierte Diagnosefunktionen geben Entwicklern weiteren Zugriff auf Systemdaten, um das System zu optimieren oder Fehler vor Ort zu beheben.
Technische Analyse optischer, magnetischer und kapazitiver Encoder
Abbildung 3: Vergleich der Leistungskennzahlen für kapazitive, optische und magnetische Technologien (Bildnachweis: CUI Devices)
5. Wägen Sie Ihre Optionen ab
In vielen Bewegungssteuerungsanwendungen sind Temperatur, Vibration und Umweltverschmutzung wichtige Herausforderungsfaktoren, mit denen Encoder fertig werden müssen. Es stellt sich heraus, dass kapazitive Encoder diese Herausforderungen bewältigen können.
Im Vergleich zu optischen oder magnetischen Technologien bietet es Designern zuverlässige, präzise und flexible Lösungen.
Darüber hinaus fügen kapazitive Encoder Programmierbarkeit und Diagnose hinzu, ein digitales Merkmal, das sie für moderne Internet of Things (IoT)- und Industrial Internet of Things (IIoT)-Anwendungen besser geeignet macht.