Innovative Encoder liefern Langlebigkeit und Präzision ohne Kompromisse

Drehgeber liefern kritische Informationen über die Position von Motorwellen und damit auch über ihre Drehrichtung, Drehzahl und Beschleunigung. Sie sind wichtige Komponenten in der Rückkopplungsschleife für die Bewegungssteuerung von Industrie-, Robotik-, Luft- und Raumfahrt-, Energie- und Automationsanwendungen. In diesen Anlagen wird von Encodern gefordert, dass sie trotz des Betriebs unter schweren Bedingungen, die Staub, Schmutz, Fett, schwankende Temperaturen und starke Vibrationen beinhalten, langfristige Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und hohe Leistung bieten. Die Nachfrage nach Encodern ist durch den Anstieg von Anwendungen, die eine genaue Bewegungssteuerung erfordern, sehr stark gewachsen.

Designingenieure wurden dabei vor die Herausforderung gestellt, zwischen Kompromissen der beiden häufigsten Encodertechnologien zu wählen: optisch und magnetisch. Der optische Ansatz bietet die beste Genauigkeit, aber nur eine reduzierte Zuverlässigkeit. Der magnetische Ansatz bietet dagegen eine bessere Langlebigkeit, aber eine geringere Genauigkeit. Bei bestimmten Ausführungen kann die Verwendung von Encodern zwar komplett vermieden werden, tatsächlich werden über Encoder allerdings die Mehrzahl der Steuerungs-/Feedback-Schleifen verknüpft (siehe Anhang 1 „Wie sieht es mit sensorlosen Ausführungen aus?“).

Encodertechnologien erfordern Kompromisse

Standardmäßige Encoder bieten in der Regel zwischen 48 und 2048 Impulse pro Umdrehung (Pulses Per Revolution, PPR), wobei die meisten Anwendungen zwischen 800 und 1024 PPR erfordern. Ein höherer PPR-Wert scheint zwar eine bessere Präzision zu bieten, ist jedoch deutlich kostenintensiver und komplexer. Er führt zudem zu einer höheren Berechnungs- und Verarbeitungslast für Systemcontroller oder digitale Prozessoren, die die Schleife schließen. Eine übermäßige Präzision kann nicht nur unnötig sein, sondern sich aufgrund von Geräuschbildung, Schwingungen und Jitter in der Wellenlage auch nachteilig auswirken.

Die meisten Wellenencoder basieren auf optischen oder magnetischen Prinzipien. Bei der optischen Methode kommt eine Glas- oder Kunststoffscheibe mit zwei Fenstergruppen an der Peripherie zum Einsatz (Abb. 1). Eine LED-Lichtquelle und Fotodetektoren befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe. Wenn sich die Scheibe dreht, passiert das Licht der LED die Fenster oder wird blockiert und generiert dadurch die typischen A- & B-Quadraturimpulse der Rechteckwelle.

Abbildung 1: Ein optischer Encoder arbeitet mit Erfassung des Lichts durch Fenster bei rotierender Welle.

Doch auch bei erfolgreicher Anwendung ist dieser optische Ansatz mit verschiedenen Nachteilen verbunden. In Bezug auf die Robustheit können Faktoren wie Schmutz, Öl und andere Fremdstoffe, die während der Montage und beim Einsatz in der Praxis auftreten, leicht die Funktion der Scheiben und Schlitze und damit auch die Encoderleistung beeinträchtigen. Der traditionelle Ansatz, der auf eine Abschwächung der Gefahren durch Kontaminanten zielt, sieht den Einsatz des Encoders in einem Kupplungsgehäuse vor. Leider wird durch diese Vorgehensweise das Risiko, das mit Umweltkontaminanten verbunden ist, nicht komplett ausgeschlossen. Die Lösung sorgt zudem für weitere Risikofaktoren, u. a. in Verbindung mit höheren Temperaturen und Anwendungskosten.

Die in optischen Encodern eingesetzten LEDs haben zudem nur eine begrenzte Lebensdauer. Ihre Helligkeit kann innerhalb von 10.000 bis 20.000 Stunden (ca. ein bis zwei Jahre) um die Hälfte reduziert werden, und schließlich können sie durchbrennen. Wenn die Scheibe als Schritt zur Kostenreduzierung aus Kunststoff hergestellt wird, kann nur ein begrenzter Temperaturbereich toleriert werden. Alle Verzerrungen oder Verformungen beeinträchtigen die Genauigkeit.

Der Aufbau eines magnetischen Encoders ist mit dem optischen Encoder vergleichbar. In dieser Variante wird allerdings ein Magnetfeld anstelle eines Lichtstrahls verwendet. Anstelle der optischen Schlitzscheibe kommt eine magnetische Scheibe zum Einsatz, die sich über mehrere magnetische Widerstandssensoren dreht. Durch die Rotation des Rades wird eine Reaktion in diesen Sensoren erzeugt, die an eine signalerzeugende Frontend-Schaltung geleitet wird, um die Position der Welle zu bestimmen. Der magnetische Encoder bietet zwar eine lange Lebensdauer, allerdings nicht die gleiche Genauigkeit. Er ist zudem anfällig für magnetische Interferenzen, die von Elektromotoren erzeugt werden.

Neben optischen und magnetischen Encodern können Hall-Effekt-Sensoren für die Positionsbestimmung verwendet werden. Sie sind zwar effektiv und zuverlässig, eignen sich jedoch nur für die Bestimmung der Wellenposition mit relativ geringer Genauigkeit/Auflösung.

Ein innovativer Ansatz basierend auf einem bewährten Design

Da die Forderung nach einer akkuraten, präzisen und robusten Drehpositionsbestimmung besteht, suchte Same Sky nach anderen elektronischen Methoden. Die Lösung bestand in der Anpassung der kapazitiven Erfassungsprinzipien standardmäßiger Linearpositionsencoder, die beispielsweise vor mehr als 30 Jahren für Messschieber entwickelt wurden (siehe Anhang 2 „Vom Messschieber zum Encoder“). Daraus ergab sich eine deutlich haltbarere und genauere Drehgeber-Plattform, die als AMT bekannt ist.

Die kapazitive Erfassung verwendet zwei Muster mit Balken oder Linien - eines für das feste Element und das zweite für das bewegliche Element. Gemeinsam bilden sie einen variablen Kondensator, der als Sender/Empfänger-Paar ausgelegt ist (Abbildung 2). Mit der Rotation des Encoders zählt ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (application-specific integrated circuit, ASIC) die Zeilenänderungen und interpoliert zudem, um die genaue Position des Encoders und die Rotationsrichtung zu erkennen.

Abbildung 2: Ein kapazitiver Encoder arbeitet mit Erfassung kapazitiver Änderungen bei einer rotierenden Welle.

Designgemäß sind die elektrischen Ausgaben des Encoder-ASIC zu 100 % kompatible mit optischen und magnetischen Encodern. Diese berührungslose Encoder-Implementierung bietet dem Benutzer mehrere Vorteile:

• Sie wird nicht durch Staub, Schmutz oder Öl beeinträchtigt und ist damit zuverlässiger als die optische Ausführung.
• Sie ist weniger empfindlich gegenüber Hitze und Kälte und damit ebenfalls zuverlässiger und konsistenter.
• Sie ist weniger anfällig für Schwingungen als eine Glasscheibe.
• Sie enthält keine LED, die Helligkeit einbüßen oder durchbrennen kann.
• Der Encoder benötigt 6 bis 10 mA Betriebsstrom und damit deutlich weniger als die optischen Einheiten, die 20 bis 50 mA fordern. Der Encoder ist damit eine effiziente Komponente für mobile und batteriebetriebene Anwendungen.

Da die AMT-Encoder keine LEDs oder Sichtverbindungen benötigen, kann sie in Anwendungen zum Einsatz kommen, denen bestehende Encoder häufig nicht gerecht werden. In einem Fall verzeichnete ein Hersteller von Backautomatisierungsausrüstung regelmäßig und häufig Ausfälle an Kundenstandorten, die durch Mehlstaub und andere Kontaminanten verursacht werden, die den optischen Encoder in einer wichtigen Produktionseinheit beeinträchtigen und monatliche Abschaltung, den Austausch und eine erneute Nullsetzung erforderlich machen. Durch den Austausch der optischen durch eine kapazitive Einheit konnte dieses Problem gelöst werden. In einem anderen Fall forderte der Hersteller von Offshore-Bohrausrüstung das Eintauchen der gesamten Motorbaugruppe in Öl, was durch den hohen Druck in Verbindung mit der Anwendung bedingt wurde. Ein kapazitiver Encoder wurde ausgewählt, weil er unterbrechungsfrei in nicht leitfähigen Flüssigkeiten wie Öl arbeiten kann.

Ein weiterer - weniger offensichtlicher - Vorteil für Designer ist die Abstimmung der proportional-integrativen-differentiellen (PID) Steuerschleife: Der PPR-Zähler des Encoders kann zur Optimierung der Leistung ohne Änderung der Encoder eingestellt werden. Die Fähigkeit zur dynamischen Änderung der Auflösung sorgt für eine deutliche Vereinfachung des Systemoptimierungsprozesses, was normalerweise über eine Verstellung des Codes oder durch Änderung der Zeilenzahl des Encoders (Auflösung) erfolgt. Bei optischen Encodern müssen im Rahmen dieses Prozesses verschiedene Encoder gekauft und installiert werden. Dies erhöht die Gesamtkosten und verlängert den Designzyklus. Bei Verwendung eines kapazitiven Encoders muss der Steuerungsingenieur einfach eine Änderung im Zeilenzählerparameter des Encoders vorgeben, bis die gewünschte Steuerschleife erreicht wird.

Der kapazitive Encoder bietet auch bei Installation und Produktion Vorteile. Aus mechanischer Sicht, weil die Befestigungsbohrungen auch für andere Encodertypen gelten, d. h. es handelt sich um eine einpassungsfähige und funktionale Komponente (Abbildung 3). Ein einzelner Encoder kann durch Anwendung von Adaptermuffen auf verschiedenen Wellendurchmessern aufgesetzt werden, wodurch die Anzahl der SKUs (stock-keeping units, Bestandseinheiten) im Produktions- und Reparaturbestand reduziert werden kann.

Abbildung 3: Die Montagebohrungen von AMT-Encodern entsprechen kompatiblen nicht-kapazitiven Encodern.

Die Vielseitigkeit eines Encoders, der aus einem kapazitiven Transducer und einer speziellen elektrischen ASIC-Schnittstelle entwickelt wird, wird im AMT11 von Same Sky (Abb. 4) dargestellt. Die kleine Einheit hat einen Durchmesser von nur 37 mm, ein Profil mit einer Stärke von 10,34 mm und arbeitet über ein einzige +5V-Quelle. Sie bietet einen referenzbezogenen CMOS mit Inkrementalpositions-Quadraturausgängen (90⁰) und differentiellen Leitungstreiberausgängen, die elektrisch mit herkömmlichen optischen oder magnetischen Encodersignalen kompatibel sind. Darüber hinaus ist ein großer Bereich an programmierbaren Auflösungen von 48 bis 4096 PPR verfügbar sowie ein Index-Impuls, der einmal pro Umdrehung erfasst wird. Axiale und radiale Verbindungsausrichtungen sind je nach Anwendungsanforderung verfügbar. Gleichzeitig sorgt ein Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 105 °C für zusätzliche Langlebigkeit.

Abbildung 4: AMT11-Encoder von Same Sky.

Ein Nachteil bei kapazitiven Encodern, der auch bei anderen elektrischen Transducern und damit verbundenen Schaltkreisen besteht, ist die Anfälligkeit für elektrisches Rauschen und Interferenzen (EMI). Durch ein durchdachtes Design des ASIC-Schnittstellenschaltkreises und Abstimmung der Encoder-Demodulationsalgorithmen konnte dieses Problem abgeschwächt werden. Der ASIC bietet zudem künftige Möglichkeiten für Designs sowie auch eingebettete, integrierte Diagnosefunktionen zur Prüfung der Leistung des Encoder-Mechanismus und des ASIC selbst (als Teil eines intelligenteren Encoders und Subsystems).

Aufgrund der Verfügbarkeit von praxiserprobten Encodern, die auf kapazitiven Erfassungsprinzipien beruhen, müssen sich Designingenieure nicht mehr zwischen den unvermeidbaren Attributen optischer und magnetischer Encoder entscheiden: kurz- und langfristige Zuverlässigkeit oder Genauigkeit der Ausgabe. Der kapazitive Encoder erreicht in beiderlei Hinsicht hervorragende Ergebnisse und bietet zudem weitere Vorteile in Bezug auf die mechanische Montage, Bestandsumfang, PPR-Auswahl, Nullsetzung der Ablesung und Stromverbrauch bei gleichzeitiger vollständiger Kompatibilität mit standardmäßigen Ausgaben.

Anhang 1: Wie sieht es mit sensorlosen Ausführungen aus?

Neben der Verwendung von BLDC-Motoren gibt es derzeit einen weiteren, kleineren Trend: die Verwendung sensorloser Ausführungen, die keinen Encoder für die Anzeige der Wellenposition benötigen. Diese Motoren werden über eine Vielzahl von Algorithmen gesteuert, u. a. über die feldorientierte Steuerung (FOC - auch Vektor-Steuerung genannt).

Die Vermeidung von Encodern ist zwar in der Theorie eine recht attraktive Lösung, praktisch gesehen hat die FOC-Methode jedoch mehrere Nachteile: Sie ist nicht so präzise wie das sensorbasierte Design, sie kann die Position verlieren und erfordert ein Rücksetzen. An verschiedenen Punkten in der Drehmomentspanne verzeichnet sie Steuerungsprobleme und sie erfordert einen beträchtlichen Berechnungsaufwand des Systemprozessors. Daher kommt sie meist in Anwendungen zum Einsatz, wo eine höhere Präzision und Konsistenz in Bezug auf Wellenposition und Drehzahl nicht entscheidend sind (z. B. in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen und Wäschetrocknern). In den meisten industriellen Anwendungen werden die erkennbaren Kosten des Encoders im Vergleich zu den Leistungsanforderungen jedoch eher akzeptiert.

Anhang 2: Vom Messschieber zum Encoder

Die kapazitive Erfassung kommt am häufigsten in Berührungsschaltern zum Einsatz, wo der Finger des Benutzers als zweite Kondensatorplatte fungiert. Jede Änderung der Kapazität wird von Schnittstellenschaltkreisen erfasst, wodurch die Funktion eines herkömmlichen elektromechanischen Tasters nachgebildet wird. Diese Schalter kommen häufig in „offenen“ oder öffentlichen Anwendungen wie Liften und Fußgängerüberwegen zum Einsatz. Berührungsschalter sind für ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Schmutz, Wasser und allgemeinem Missbrauch bekannt, da sie keine beweglichen Teile enthalten und das einzig äußere Teil ein kleiner Metallschalter ist, der bündig in die Montageoberfläche eingelassen wird.

Die Verwendung der kapazitiven Erfassung geht über Ein-/Aus-Schalter (als einzelne Einheiten oder in Arrays verwendet) hinaus. Der allgegenwärtige, digitale Messschieber ist ein weit verbreitetes Beispiel. Ingvar Andermo, ein Elektroingenieur am IM Research Institute in Stockholm, arbeitete vor mehr als 30 Jahren an einer Anwendung zum Lesen von Banknoten. C.E. Johansson wandte sich an Andermo und brachte die Entwicklung eines digitalen Messschiebers ins Spiel, in dem magnetwiderstandsbeständige Technologie zum Einsatz kommt. Andermo befand jedoch, dass dieser Ansatz zu kompliziert sei und brachte seine Erfahrung mit kapazitiver Erfassung zum Einsatz.

Der erste Johansson-Messschieber oder Jocal wurde 1980 auf einer Messe in Chicago vorgestellt. Johansson lizenzierte diese Technologie später für Mitutoyo in Japan, die einige Jahre später ihren ersten digitalen Messschieber mit dieser Technologie auf den Markt brachten. Seither wurden Millionen dieser Messschieber weltweit verkauft.

Abbildung 5: Digitaler Messschieber von Mitutoyo

Andermo arbeitete schließlich mit Same Sky mit Sitz in Tualatin (Oregon, USA) zusammen, um die kapazitiven Encoder der AMT-Serie zu entwickeln, in der dieselbe Technologie zum Einsatz kommt und die für Rotationsmessungen bei hohen Drehzahlen verwendet wird. Drei Elemente sind enthalten: ein Hochfrequenz-Sender, ein mit einem sinusartigen Metallmuster versehener Rotor und ein Empfängerboard. Der Rotor sitzt zwischen den Sender- und Empfängerboards. Wenn sich der Rotor dreht, moduliert das sinusartige Metallmuster das Hochfrequenzsignal in vorhersagbarer Art und Weise. Die Empfänger-Karte empfängt diese Modulationen und ein proprietärer ASIC übersetzt sie in Inkremente der Drehbewegung mit Encoder-Auflösungen von bis zu 4096 Schritten/Drehung.