Encoder

Was ist ein Encoder?

Ein Encoder ist ein Gerät, das Positionsänderungen in ein elektrisches Signal umwandelt und dieses ausgibt.

Die zu messende Position ist der Drehwinkel und die lineare Verschiebung, wobei Encoder, die den Drehwinkel messen, als Drehgeber und Encoder, die die lineare Verschiebung messen, als Lineargeber bezeichnet werden.

Die Verfahren zur Messung von Positionsänderungen können als inkrementale oder absolute Verfahren klassifiziert werden. Licht, Magnetkraft und elektromagnetische Induktion werden üblicherweise zur Messung verwendet.

Anwendungen von Encodern

Encoder werden hauptsächlich in Maschinen eingesetzt, die Motoren verwenden. Dabei sind Schrittmotoren und Servomotoren die typischsten Motoren, in denen Encoder eingesetzt werden.

1. Schrittmotoren

Schrittmotoren sind Motoren, deren Drehzahl und Winkel durch Impulssignale genau gesteuert werden können.

Der Impulsabstand und die Anzahl der an den Motor angelegten Impulssignale bestimmen den Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit des Motors und ermöglichen eine genaue Positionierung. Sie werden hauptsächlich in der Fertigung und anderen Anwendungen eingesetzt.

Es gibt zwei Arten: Systeme mit offenem Regelkreis, die keinen Encoder verwenden und keine Rückkopplungssteuerung haben, und Systeme mit geschlossenem Regelkreis, die einen Encoder verwenden und eine Rückkopplungssteuerung haben.

Das System mit offenem Regelkreis ist einfacher als das System mit geschlossenem Regelkreis, aber es wird immer der maximale Strom verwendet, um ein Abwürgen zu verhindern, bei dem der Motor der Impulsgeschwindigkeit nicht folgen kann.

2. Servomotoren

Servomotoren sind Motoren mit einem Mechanismus, der den zurückgelegten Weg und den Drehwinkel in einer einzigen Steuerung genau kontrolliert und eine konstante Geschwindigkeit der kontinuierlichen linearen oder rotierenden Bewegung aufrechterhält.

Sie bestehen aus einem dreiteiligen Set aus einem Encoder, einem bürstenlosen AC- oder DC-Motor und einem Servoverstärker (Treiber), wobei AC-Motoren derzeit der wichtigste Motortyp sind. Wechselstrommotoren werden derzeit am häufigsten in Maschinen eingesetzt, die eine präzise Bewegungssteuerung erfordern. Beispiele hierfür sind Industrieroboter, Automobile, Aufzüge und fahrerlose Transportsysteme. Sie werden besonders häufig in Fabriken eingesetzt.

Bei der Auswahl eines Encoders sind Messgenauigkeit, Auflösung, Reaktionszeit, Größe und Form, Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen und Stöße sowie Schutz gegen die Betriebsumgebung zu berücksichtigen.

Funktionsweise des Encoders

Encoder können je nach Erfassungsmethode in optische, magnetische und induktive Typen unterteilt werden.

1. Optische Encoder

Die Verschiebung kann gemessen werden, indem eine rotierende Scheibe mit gleichmäßig verteilten Löchern, die auf einer rotierenden Welle montiert ist, mit Licht bestrahlt wird und die Periode des Lichts, das die Löcher passiert, erfasst wird. Licht ist im Allgemeinen weit verbreitet, da es kaum Auswirkungen auf die Maschine hat.

Optische Encoder können je nach Ausgangssignal in zwei Typen unterteilt werden: inkrementale und absolute Encoder. Jede Methode wird im Folgenden erläutert:

• Inkrementelles System
  Das inkrementelle Verfahren misst die Positionsverschiebung, indem es die Anzahl der Lichtdurchgänge durch ein Loch in einer rotierenden Scheibe misst.
• Absolutes Verfahren
  Bei der absoluten Methode wird die Positionsverschiebung durch die Erfassung des absoluten Positionssignals gemessen, das jedem Loch in der rotierenden Scheibe zugeordnet ist.

2. Magnetische Encoder

Die Verschiebung wird durch das Magnetfeld eines an der rotierenden Welle befestigten Magneten gemessen, das während der Drehung schwankt.

3. Elektromagnetischer Induktions-Encoder

Die Wegmessung erfolgt durch die Erfassung der elektromagnetischen Induktion, die in einer um die rotierende Welle angebrachten Spule erzeugt wird.

Weitere Informationen zu Encodern

1. Auflösung des Encoders

Die Auflösung des Encoders bezieht sich auf die Anzahl der Impulse, die bei einer Umdrehung des Drehgebers ausgegeben werden. Die Einheit der Auflösung wird als Impulse/Umdrehung ausgedrückt, und um die Auflösung zu verbessern, muss die Anzahl der Impulse pro Umdrehung erhöht werden.

Durch die Wahl eines hochauflösenden Encoders kann die Fähigkeit zur Winkelsteuerung von Robotern und Werkzeugmaschinen, die eine genauere Steuerung erfordern, erheblich verbessert werden.

2. Kommunikation zwischen Encoder und Servoverstärker

Es gibt zwei Arten der Kommunikation zwischen Encoder und Servoverstärker: bürstenloser AC-Motor oder DC-Motor und parallele Übertragungsmethode oder serielle Übertragungsmethode.

• Paralleles Übertragungsverfahren (Englisch: parallel communication)
  Bei dieser Methode werden die vom Drehgeber ausgegebenen A-, B- und Z-Impulse parallel übertragen, was auch als Parallelübertragungsmethode bezeichnet wird.
• Serielle Kommunikation (Englisch: serial communication)
  Ein Verfahren zur seriellen Übertragung von Positionsdaten, das auch als serielle Übertragung bezeichnet wird.

Im Vergleich zur Impulsübertragung erfordert die serielle Übertragung einen geringeren Verdrahtungsaufwand und ist weniger anfällig für Positionsabweichungen. Aus diesem Grund wird bei hochauflösenden Encodern zunehmend das serielle Übertragungsverfahren eingesetzt.

3. Beispiele für den Einsatz von Encodern

Verbesserung der Effizienz der Motorsteuerung
Encoder werden eingesetzt, um ein Abwürgen zu verhindern, wenn der Impulsantwort eines Schrittmotors nicht gefolgt werden kann, aber der neueste Trend besteht darin, dass sie häufig eingesetzt werden, um die Effizienz der Motorsteuerung zu verbessern.

Bei der Steuerung ohne Encoder ist es üblich, den Erregerstrom zu regeln, um Fehlfunktionen zu vermeiden, auch wenn sich der Motor nicht dreht, oder den maximalen Strom zum Motor fließen zu lassen, um ein Abwürgen zu verhindern. Dies führt jedoch zu einem unnötigen Stromfluss, auch wenn der Motor stillsteht oder nur gering belastet wird.

Bei EVs (Elektrofahrzeugen) ist ein geringer Stromverbrauch der Motoren eng mit der Reichweite verbunden, weshalb der Einsatz von Encodern zur Verbesserung der Effizienz in Erwägung gezogen wird. Die Verwendung von Encodern in EVs hat unter anderem folgende Vorteile:

Kleinere und dünnere Encoder
Bisher bestanden Encoder aus diskreten internen Komponenten und benötigten eine Leiterplatte, um sie zu montieren und als System zu realisieren. In den letzten Jahren sind jedoch reflektierende Encoder-ICs aufgetaucht, die lichtempfangende Elemente, lichtemittierende Elemente wie LEDs und periphere Schaltungen in einem einzigen IC vereinen, was zu kleineren und dünneren Encodern führt.

Die Funktion eines Encoders kann mit diesem IC und einer reflektierenden Spaltplatte realisiert werden. Reflektierende Encoder-ICs werden allmählich in ultrakompakten Aktuatoren als lineare Encoder und in kleinen Robotern eingesetzt.