Bei der präzisen Bewegungssteuerung ist ein Encoder ein wesentlicher Bestandteil, der mechanische Bewegungen in elektrische Signale umsetzt. Encoder werden in vielen Anwendungen wie Automatisierungsgeräten, der industriellen Prozesssteuerung oder der Robotik verwendet und liefern Daten zu Position, Geschwindigkeit, Entfernung und Richtung. Auf dem Markt stehen drei Hauptencodertechnologien zur Auswahl: magnetisch, optisch und kapazitiv. In diesem Artikel werden die Funktionsprinzipien der einzelnen Technologien beschrieben und einige der inhärenten Vorteile der kapazitiven Encodertechnologie hervorgehoben.
Eigenschaften der Primärencodertechnologien
Magnetische Encoder
Bestehend aus einer sich drehenden magnetisierten Scheibe mit wechselnden Polen und einem Halleffekt- oder magnetoresistiven Sensor, arbeitet ein magnetischer Encoder durch Erfassen von Änderungen in Magnetflussfeldern. Der magnetische Encoder ist robust und verträgt Erschütterungen und Vibrationen sehr gut. Er ist unempfindlich gegen das Eindringen von Öl, Schmutz und Feuchtigkeit. Andererseits sind sie anfällig für durch Elektromotoren verursachte magnetische Störungen und haben einen begrenzten zulässigen Betriebstemperaturbereich. Zwar wurden viele Verbesserungen an magnetischen Encodern vorgenommen, diese bieten jedoch in der Regel eine geringere Auflösung und Genauigkeit als optische und kapazitive Alternativen.
Optische Encoder
Im Vergleich zu einem magnetischen Encoder kann ein optischer Encoder eine höhere Auflösung und eine höhere Genauigkeit bieten. Ein optischer Encoder besteht aus einer LED-Lichtquelle (typischerweise Infrarot) und Fotodetektoren, die sich auf gegenüberliegenden Seiten einer Encoderscheibe aus Glas oder Kunststoff befinden. Die Encoderscheibe enthält eine Reihe alternierender transparenter und opaker Linien oder Schlitze. Wenn sich die Platte dreht, liefert das Ein- und Ausschalten des Lichts durch die Fenster die typischen Rechteckwellen-A & B-Quadraturimpulse. Obwohl optische Encoder seit Jahrzehnten den Markt für Bewegungssteuerungen beherrschen, weisen diese Geräte auch inhärente Nachteile auf. Da sich ein optischer Encoder auf die Sichtlinie stützt, sind sie besonders anfällig für Staub, Schmutz und Öl. Optische Datenträger werden in der Regel aus Glas oder Kunststoff hergestellt. Dadurch können sie durch Vibrationen, extreme Temperaturen und Verschmutzungen beim Zusammenbau eines Motors beschädigt werden. Im Betrieb verbraucht ein optischer Encoder auch Strom über 100 mA und seine Lebensdauer wird letztendlich durch die LED begrenzt.
Kapazitive Encoder
Ein kapazitiver Encoder besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Rotor, einem stationären Sender und einem stationären Empfänger. Der Rotor enthält ein sinusförmiges Muster und während er sich dreht, wird das Hochfrequenzreferenzsignal des Senders auf vorhersagbare Weise moduliert. Der Encoder erkennt die Änderungen der Kapazitätsreaktanz auf der Empfängerplatine und setzt sie mithilfe eines Demodulationsalgorithmus in Drehbewegungsinkremente um.
Vergleichen von kapazitiven, optischen und magnetischen Encoderscheiben
Vorteile kapazitiver Encoder
Kapazitive Encoder basieren auf denselben Prinzipien wie digitale Messschieber und verzeichnen seit der Einführung der ersten Generation von CUI Devices im Jahr 2006 eine hervorragende Erfolgsbilanz. Die AMT-Serie hat sich als äußerst zuverlässig und genau erwiesen und viele Anwendungsprobleme in der optischen und magnetischen Technologie gelöst. Ein kapazitiver Encoder ist robuster als ein optischer Encoder und verträgt eine Reihe von Umweltverschmutzungen wie Staub, Schmutz und Öl. Kapazitive Encoder halten auch Vibrationen und extremen Temperaturen viel besser stand. Darüber hinaus hat es ohne LED eine längere Lebensdauer, eine geringere Stellfläche und einen geringeren Stromverbrauch (6 bis 18 mA) als ein optischer Encoder. Er ist unempfindlich gegen magnetische Störungen und elektrische Störungen und so robust wie ein magnetischer Encoder, bietet jedoch eine höhere Genauigkeit und Auflösung.
Aufgrund ihrer digitalen Art bieten kapazitive Encoder auch eine größere Flexibilität, sodass Benutzer die Auflösung des Encoders ändern können. Bei anderen Technologien wird die Auflösung von der Encoderscheibe bestimmt. Dies bedeutet, dass ein optischer oder magnetischer Encoder jedes Mal ausgetauscht werden muss, wenn eine andere Auflösung benötigt wird. Die in kapazitiven Encodern verfügbaren programmierbaren Auflösungen sind nicht nur für die Systemoptimierung nützlich, insbesondere beim Entwurf des PID-Regelkreises, sondern können den Lagerbestand verringern, da ein Modell für mehrere Anwendungen verwendet werden kann. Die kapazitive Technologie ermöglicht auch die digitale Einstellung des Indeximpulses und der Ausrichtung des Encoders für die BLDC-Kommutierung, während die integrierten Diagnosefunktionen Entwicklern den Zugriff auf wertvolle Systemdaten für eine schnelle Fehlerbehebung vor Ort ermöglichen.
Vergleich der Kompromisse zwischen den Encodertechnologien
Kompromisse schließen
Unabhängig von den Systemanforderungen bietet ein kapazitiver Encoder eine vielseitige, kostengünstige und zuverlässige Alternative zu optischen oder magnetischen Sensortechnologien. Die kapazitive Codierung bietet nicht nur eine überlegene Leistung in Bezug auf Genauigkeit und Zuverlässigkeit unter praktisch allen Umgebungsbedingungen, sondern auch Programmierbarkeit und verbesserte Diagnosefunktionen bei gleichzeitiger Kompatibilität mit der herkömmlichen Encoderfunktionalität.