Absolute optische und magnetische Encoder
Die Zuverlässigkeit und Qualität der Arbeit Ihrer komplexen Ausrüstung und Ihrer Produktion insgesamt hängt von der Zuverlässigkeit des Encoders ab. Daher können die Verluste durch unvorhergesehene Produktionsstopps im Verhältnis zu den beim Kauf von Encodern eingesparten Mitteln unverhältnismäßig hoch sein.
Nachfolgend sind die den Eltra-Absolutencodern zugrunde liegenden Technologien sowie ihre Unterschiede und Funktionen aufgeführt.
Optische Encoder
Ein moderner absoluter optischer Encoder ist ein äußerst komplexes Gerät. Bei der Entwicklung eines hochauflösenden optischen Encoders sind die Designer mit einer Vielzahl widersprüchlicher Faktoren konfrontiert, die die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Encoders auf lange Sicht stark beeinträchtigen.
Prinzip der optischen Messung
Die Schlüsselkomponente optischer Encoder ist die auf der Welle montierte Encoderscheibe . Diese Scheibe besteht aus transparentem Material mit einem konzentrischen Muster aus transparenten und undurchsichtigen Bereichen. Das Infrarotlicht der LED trifft durch eine Codescheibe auf eine Reihe von Fotorezeptoren. Wenn sich die Welle dreht, wird die einzigartige Kombination von Fotorezeptoren durch Licht beleuchtet, das durch das Muster auf der Scheibe gelangt ist.
Bei Multiturn-Modellen ist im Getriebemechanismus ein zusätzlicher Satz Codescheiben eingebaut. Wenn sich die Hauptwelle des Sensors dreht, drehen sich diese ineinandergreifenden Scheiben wie ein Kilometerzählermechanismus. Die Drehposition jeder Scheibe wird optisch kontrolliert und die Ausgabe erfolgt über Informationen zur Anzahl der Umdrehungen der Encoderwelle.
Funktionalität
Die optischen Absolutencoder von Eltra verwenden hochintegrierte Opto-ASIC-Technologie und bieten eine Auflösung von bis zu 16 Bit (65536 Schritte) pro Umdrehung. Bei Multiturn-Modellen wird der Messbereich durch mechanisch gekoppelte Codescheiben auf bis zu 16384 (214) Umdrehungen erhöht.
Optisches Encoder-Design
Das Hauptproblem besteht darin, dass in einem Design eine große Anzahl optischer, mechanischer und elektronischer Komponenten völlig unterschiedlicher Natur vorhanden sind. Die Mechanik ist daher anfällig für mechanischen Verschleiß.
Die Qualität optischer Elemente wird im Wesentlichen durch folgende Faktoren beeinflusst:
- Verschmutzung,
- Anlaufen,
- Änderungen der Strahlungsintensität.
Die hohe Auflösung des Encoders erfordert die Verwendung einer optischen Platte mit hoher Schablonendichte. Für eine optische/physikalische Auflösung (und nicht interpoliert!) von 12 Bit ist eine Platte mit Sektoren erforderlich, die den Kreis in 4096 Teile/Markierungen unterteilen.
Je kompakter der Encoder und je kleiner der Scheibendurchmesser, desto höher sind die Anforderungen an die Encoderoptik.
Um eine solche Musterdichte auf einer Platte zu erkennen, muss die Lesematrix in unmittelbarer Nähe der Platte platziert werden. Der minimale Abstand zwischen der rotierenden Platte und dem Lesearray stellt sehr hohe Anforderungen an die Mechanik. Ein minimaler Rundlauf/ein minimales Spiel der Welle führt dazu, dass die Platte während der Rotation die Lesematrix berührt und infolgedessen die auf der Platte aufgebrachte Schablone beschädigt.
Durch Verschleiß der mechanischen Teile des Drehgebers oder Undichtigkeiten des Gehäuses kommt es zudem zur Verschmutzung der Optik durch Verschleißprodukte und von außen eindringenden Staub und in der Folge zur Verfälschung der Messergebnisse.
Die optische Platte ist ein wichtiger Bestandteil des Encoders. Unter dem Einfluss von Zeit, Temperaturschwankungen und vielen anderen Faktoren können sich die Materialeigenschaften der Platte im Laufe der Zeit ändern, beispielsweise anlaufen und sich verformen .
- Anlaufen kann in Kombination mit einem Intensitätsverlust der LED-Hintergrundbeleuchtung die Betriebszuverlässigkeit drastisch reduzieren und/oder einen vollständigen Betriebsausfall verursachen.
- Durch eine Verformung besteht die Gefahr eines Kontakts zwischen der Scheibe und der Matrix während der Drehung der Encoderwelle mit den gleichen Folgen.
Vorteile optischer Encoder
Die Hauptvorteile optischer Encoder sind:
- Bereitstellung einer hohen Auflösung und Genauigkeit;
- hervorragende dynamische Eigenschaften;
- Eignung für den Einsatz in Bereichen mit hohen magnetischen Feldern.
Da die Drehung der Encoderscheiben ein rein mechanischer Vorgang ist, können diese Geräte ihre absoluten Positionsdaten nicht verlieren, wenn das Instrument vorübergehend ausgeschaltet wird. Pufferbatterien sind nicht erforderlich!
Optische Absolut-Encoder von Eltra.
Das Unternehmen produziert sowohl optische Multiturn- als auch Singleturn-Encoder. Die elektronische Schnittstelle kann Profibus, SSI oder Profinet sein.
Die Hauptserien sind:
- Optischer Multiturn : AAM58B, AAM58C, AAM58F, EAM58A, EAM58B, EAM58C, EAM58D, EAM58E, EAM63A, EAM63B, EAM63C, EAM63D, EAM63E, EAM58F, EAM63F, EAM63G, EAM63AX, EAM63DX, EAM90A, EAM90B, EAM90C, EAM90D, EAM90E, EAMX80A, EAMX80D.
- Optisch Singleturn : EA58F, EA63F, EA63G, EA58B, EA58C, EA63A, EA63D, EA63E, EA63AX, EA63DX, EA90A, EA115A, EAX80A, EAX80D.
Magnetische Encoder
Magnetische Encoder ermitteln die Winkelposition mithilfe der Magnetfeldtechnologie. Ein auf der Encoderwelle montierter Permanentmagnet erzeugt ein Magnetfeld, das von einem Sensor gemessen wird und einen eindeutigen absoluten Positionswert generiert.
Innovative Multiturn-Technologie
Die Multiturn-Magnetencoder von Eltra nutzen eine innovative Technologie, um die Anzahl der Umdrehungen zu erfassen, selbst wenn die Umdrehung bei ausgeschaltetem System erfolgt.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, wandeln Encoder die Wellendrehung in elektrische Energie um. Die Technologie basiert auf dem Wiegand-Effekt : Wenn der Permanentmagnet auf der Encoderwelle um einen bestimmten Winkel gedreht wird, ändert sich die magnetische Polarität im „Wiegand-Draht“ abrupt, wodurch ein kurzfristiger Spannungsstoß in der Wicklung um den Draht entsteht. Dieser Impuls markiert die Drehung der Welle und versorgt gleichzeitig den elektronischen Schaltkreis mit Strom, der dieses Ereignis registriert.
Der Wiegand-Effekt tritt unter allen Bedingungen auf, selbst bei sehr langsamer Rotation, und macht Pufferbatterien überflüssig.
Vorteile magnetischer Encoder
Magnetische Encoder sind:
- zuverlässig,
- langlebig und
Das batterie- und getriebelose Design bietet mechanische Einfachheit und geringere Kosten als optische Encoder. Ihre kompakten Abmessungen ermöglichen den Einsatz in sehr beengten Räumen.
Magnetische Absolut-Encoder von Eltra.
Eltra bietet sowohl optische Singleturn- als auch Multiturn-Encoder mit Sack- und Hohlwelle an.
Die wichtigsten Familien sind:
- Magnetische Multiturn-Encoder-Serie : EAM36A, EAM36G, EAM36F, EAMW58B, EAMW58C, EAMW63D.
- Magnetische Singleturn-Encoder : EA36A, EA36G, EA36F, EMA22A, EMS22A, EMA50A, EMA50B (BY), EMA50F, EMA50G, EMA55A (AY), EML50A, EML50B (BY), EML50F, EML50G.
Drehgeber – optisch oder magnetisch?
Drehgeber wandeln den Drehwinkel einer Welle in ein elektrisches Signal um und arbeiten nach einem optischen oder magnetischen Funktionsprinzip.
Eine weit verbreitete Überzeugung ist:
- Optische Encoder messen genauer , während
- Magnetische Encoder sind stabiler und langlebiger im Design
Ist das wirklich wahr?
Experten gehen jedoch davon aus, dass dies nicht der Fall ist. Derzeit sind optische Encoder magnetischen Encodern in puncto Genauigkeit nicht mehr überlegen.
Die Technologie der magnetischen Encoder hat es in den letzten Jahren ermöglicht, die Lücke zu optischen Encodern in Bezug auf alle wichtigen elektrischen Parameter vollständig zu schließen. Heutige magnetische Encoder erreichen bereits eine Auflösung von 16 Bit bei einer Genauigkeit von 0,09° und damit eine Leistung, die bisher nur mit optischen Encodern erreicht werden konnte. Im Jahr 2013 kam es zu einer echten Revolution im Verhältnis der Technologien, als ein magnetischer Encoder vorgestellt wurde, der in allen wichtigen Parametern traditionelle optische Systeme erreicht.
Wie konnten die Fähigkeiten magnetischer Encoder so deutlich gesteigert werden?
Der Schlüssel zum Erfolg war ein technologisch qualitativer Sprung, bei dem die erfolgreiche Kombination der Hard- und Software des Magnetsystems eine wichtige Rolle spielte.
Magnetische Encoder der neuen Generation basieren auf Hall-Sensoren , deren analoge Signale von einem schnellen 32-Bit-Mikrocontroller in Echtzeit verarbeitet werden.
Eine genaue Kalibrierung wird gewährleistet durch:
- komplexe Software-Algorithmen,
- neue Hightech-Chips.
All dies garantiert höchste Genauigkeit der neuen Serie magnetischer Encoder.
Was optische Encoder betrifft , gibt es auch hier Weiterentwicklungen, allerdings ohne nennenswerte Sprünge in den erzielten Ergebnissen. Im Prinzip wird diese Technologie in der Form verwendet, wie sie vor 50 Jahren existierte.
Heutige optische Encoder sind:
- kleiner,
- mit höherer Auflösung,
- teilweise mechanisch belastbarer,
- stabiler als die vorherige Encoder-Generation.
Die grundlegenden Probleme hinsichtlich der Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Schmutz und mechanischer Beanspruchung bestehen jedoch weiterhin.
Optische Systeme reagieren von Natur aus empfindlich auf alles, was die zuverlässige Signalübertragung von der Lichtquelle auf dem Weg zu den empfindlichen Fotorezeptoren beeinträchtigen könnte. In dieser Hinsicht waren magnetische Encoder schon immer führend. Ob Staub, Nebel oder starke Erschütterungen – nichts kann die Leistung eines magnetischen Encoders so schnell beeinträchtigen.
Sind optische Encoder hinsichtlich der Immunität gegen magnetische Felder magnetischen vorzuziehen ?
Die Störfestigkeit der magnetischen Encoder von Eltra ist dank spezieller Abschirmmechanismen gegen magnetische Felder gut kontrolliert. Selbst in der Nähe starker Störquellen wie elektronischen Motorbremsen arbeiten magnetische Encoder problemlos.
Somit haben optische Encoder keine Vorteile mehr hinsichtlich der magnetischen Stabilität. Optische Encoder können als teure Lösung für Anwendungen betrachtet werden, bei denen eine extrem hohe Auflösung erforderlich ist, beispielsweise 20 Bit pro Umdrehung. In den meisten Fällen ist die Genauigkeit magnetischer Encoder ausreichend.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass magnetische Encoder deutlich mehr Möglichkeiten und Gestaltungsfreiheit bieten. Sie sind viel kompakter und leichter als optische Encoder, die bei Multiturn-Modellen aufgrund des Vorhandenseins eines ziemlich großen Getriebes, das aus mehreren optischen Platten besteht, viel massiver sind als magnetische.
Magnetische Encoder können aufgrund ihrer Kompaktheit in sehr begrenzte Räume in einer Maschine oder einem anderen Gerät integriert werden. Ein weiterer nicht unerheblicher positiver Faktor ist der günstigere Preis. Kurz gesagt, es ist überhaupt nicht überraschend, dass magnetische Encoder derzeit der Haupttrend sind.