Wie wählt man einen Encoder aus?

Wenn Ihr Projekt die Verwendung eines Encoders erfordert, müssen Sie denjenigen auswählen, der Ihren Anforderungen entspricht. Heutzutage steht dem Verbraucher eine unglaubliche Auswahl an Encodern zur Verfügung, aber wenn Sie nicht wissen, wonach Sie suchen, besteht eine gute Chance, dass Sie am Ende etwas Suboptimales erhalten. Werfen wir einen Blick darauf, was es heute für solche Komponenten auf dem Markt gibt, und stellen Ihnen vielleicht einige neue Optionen vor.

Encodertypen oder wie man den richtigen Encoder auswählt

Arten von Encodern

Es gibt zwei gängige Typen von Drehgebern: inkrementelle und absolute.

Inkrementalgeber (Quadraturgeber)

Inkrementalgeber erzeugen Impulssignale, wenn sich ein Rad oder eine Welle um eine bestimmte Winkeldistanz dreht. Dieser Typ gibt zwei separate Signale in einer Quadraturanordnung aus und kann so sowohl die Distanz als auch die Drehrichtung der Welle anzeigen.

Einige Inkrementalgeber zeigen nicht nur Richtung und Entfernung an, sondern verfügen auch über eine Indexfunktion an einem einzelnen Drehpunkt. Die Indexfunktion ermöglicht es der Welle, zu einem bekannten Punkt zurückzukehren. Andere Encoder verfügen über eine Eingabetaste, die eine neue Benutzeroberfläche hinzufügt.

Die Hauptvorteile von Inkrementalgebern sind:

1. Zuverlässigkeit,
2. erleichterte Installation,
3. relativ niedrige Kosten.

Um einen Inkrementalgeber auszuwählen, müssen folgende Hauptpunkte festgelegt werden:

• die erforderliche Messgenauigkeit,
• der Schaftdurchmesser und dessen Modellvariante,
• die Art des Kabelausgangssteckers und seine Länge,
• Elektrische Eigenschaften.

Inkrementalgeber sind einer der am häufigsten vorkommenden Sensoren in modernen komplexen technischen Systemen. Ihr Einsatz ist bei allen leistungsstarken elektrischen Antrieben präziser Bewegungssysteme oder Systemen sinnvoll, bei denen hohe Geschwindigkeiten und Start-Brems-Modi eine entscheidende Rolle spielen.

Hier sind nur einige Beispiele ihrer Verwendung:

• Medizinische Ausrüstung
• Automatisierte Test- und Diagnosegeräte
• Selbstfahrende Robotergeräte
• Zutrittskontrollsysteme

Absolutwertgeber

Inkrementalgeber kennen die Position der Welle meist nicht (abgesehen vom Indexpunkt). Absolutgeber verwenden dagegen eine interne Anzeige, um die Winkelposition direkt zu messen, und behalten diese Messfunktion auch bei ausgeschalteter Stromversorgung bei.

Multiturn-Absolutwertgeber können neben der Ermittlung der Wellenposition auch feststellen, wie viele Umdrehungen der Geber in die eine oder andere Richtung gemacht hat.

Absolutwertgeber sind aufgrund ihrer präzisen und eindeutigen Messungen, die sie sofort übertragen können, ein wichtiges Bindeglied zwischen dem mechanischen Teil der Maschine und ihrer Steuereinheit. Diese Qualität wird in modernen Unternehmen des Maschinenbaus und der Robotik erfolgreich eingesetzt.

Absolutwertgeber werden nach folgenden Parametern unterteilt:

• Einzelumdrehung oder Mehrfachumdrehung
• Anzahl der Impulse pro Umdrehung bzw. Anzahl der Bits
• Mit Welle, mit Hohlrotor oder mit durchgehendem Hohlrotor
• Wellen- bzw. Wellenbohrungsdurchmesser

Bei der Auswahl eines Absolutwertgebers sollten Sie auf folgende Parameter achten:

• Die Anzahl der Bits pro Umdrehung. Die Genauigkeit des Systems hängt von diesem Indikator ab.
• Art der Wellenverbindung zum Drehgeber.
• Encoder-Ausgabetyp (Die gängigsten Arten von Signalausgängen sind Parallelcode, SSI, DeviceNet, Profibus-DP, CANopen, LWL-Schnittstellen).
• Elektrische Eigenschaften. Der Betrieb des Systems und die Genauigkeit der Signalentfernung hängen von diesem Indikator ab.
• Schutzgrad des Encoders gegen das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit.

Der Absolutwertgeber ist als vielseitiger, konfigurierbarer Sensor für ein breites Anwendungsspektrum konzipiert. Folgende Einsatzgebiete werden unterschieden: Medizinbereich, alternative Energien, Telekommunikationssysteme, Verpackungs- und Lebensmittelindustrie und viele andere.

Optische und magnetische Encoder

Je nach Anwendung ist das Prinzip der Drehwinkelbestimmung wichtig. Es kann sich auf den Preis auswirken oder darauf, wie gut ein Drehgeber mit äußeren Störungen oder Verschmutzungen zurechtkommt.

Die Haupttypen sind:

1. Optischer Encoder . Zum optischen Lesen verfügen Encoder über eine Lichtquelle, die durch eine Scheibe oder ein anderes an der Welle befestigtes Mittel schrittweise unterbrochen wird. Dieses Licht überträgt Impulse für inkrementelle Encoder und überträgt Positionsdaten für absolute Encoder.
2. Magnetischer Encoder . Sie sind viel billiger als optische und kompakter. Die meisten von ihnen verwenden analoge Hall-Effekt-Geräte, die auf einer Leiterplatte montiert sind. Hall-Sensoren werden von einem zweipoligen Magneten angetrieben, der am Ende einer Welle montiert ist. Er erzeugt zwei gegenphasige Wechselstromsignale mit einem Zyklus pro Umdrehung der Welle.

Zusätzliche Funktionen, Merkmale und Eigenschaften von Encodern

Bei Encodern mit derselben Klasse und Rotationsdefinition kann es zu großen Leistungsunterschieden kommen. Diese Unterschiede spiegeln sich häufig in den Encoderpreisen wider. Daher müssen die folgenden Parameter berücksichtigt werden:

Encoderauflösung .

Anzahl der Impulse bzw. Encoderpositionen pro Umdrehung.

Die Auflösung eines Rotationsencoders entspricht der maximalen Anzahl von Punkten, die er pro Umdrehung messen kann.

Bei einem Inkrementalgeber hängt die Auflösung direkt von der Anzahl der Impulse ab, die er pro Umdrehung liefert.

Bei einem absoluten Encoder gibt die Auflösung die Anzahl der Umdrehungen an, die das Gerät schreiben kann, bevor es zur Nullposition „rollt“. Ein 16-Bit-Encoder hätte beispielsweise eine Auflösung von 65.536 Punkten pro Umdrehung.

Der Encoder PPR muss entsprechend der erwarteten Auflösung ausgewählt werden, die zur Anwendung und der Genauigkeit der mechanischen Komponenten des Messkreises passen muss.

Der Sensor ist an ein elektronisches Gerät, einen Controller oder ein Messgerät angeschlossen, das die Berücksichtigung einer maximalen Eingangsfrequenz ermöglicht. Tatsächlich erzeugt ein Inkrementalgeber mit hoher Auflösung mehr Impulse pro Umdrehung als ein Inkrementalgeber mit niedriger Auflösung. Abhängig von der von der Anwendung eingestellten Geschwindigkeit kann der Encoderausgang eine höhere Frequenz aufweisen, als das an den Encoder angeschlossene Gerät verarbeiten kann. In diesem Fall müssen Sie einen Encoder mit niedrigerer Auflösung verwenden.

Geschwindigkeit

Encoder haben eine maximale mechanische Drehzahl in U/min sowie einen maximalen Frequenzgang. Beides muss berücksichtigt werden, ebenso wie die Frequenzgangfähigkeiten der Ausleseelektronik.

Zuverlässigkeit

Während viele Encoder eine relativ saubere Umgebung erfordern, sind andere für den industriellen Einsatz gehärtet. Diese Eigenschaft kann mit der Rotationserkennungsmethode oder dem Gerätegehäusetyp zusammenhängen. Daher müssen Sie bei der Auswahl die Arbeitsumgebung berücksichtigen.

Eltra bietet eine große Auswahl an Hochleistungs-Encodern. Bei einigen Serien ist es auch möglich, ein verstärktes Metallgehäuse zu bestellen.

Elektronische Ausgangstypen des Encoders

Hier einige der gängigsten Ausgabetypen von Eltra-Encodern.

1. Leitungstreiber und RS422 (Differentialausgang). Der Leitungstreiber kann den Ausgang aktiv auf niedrig und hoch zwingen, sodass er Strom von der Last beziehen und aufnehmen kann. Dadurch wird ein höherer Strom erzeugt, während längere Übertragungsdistanzen aufrechterhalten werden. Wie der Name schon sagt, ist diese Art von Encoderausgang für eine Reihe von industriellen Anwendungen beliebt, insbesondere dort, wo der Geräuschpegel recht hoch ist.

Der RS-422-Ausgang (TTL) liefert einen konstanten 5-V-Signalpegel unabhängig von der Versorgungsspannung.

2. Open-Collector-Ausgang. Dieser Ausgangstyp ermöglicht den Empfang eines Signals mit einem Spannungspegel, der nicht von der Encoder-Versorgungsspannung, sondern von der Spannung der zusätzlichen Stromquelle bestimmt wird. Dazu muss zwischen den Stromkreisen und dem Ausgang ein externer Widerstand angeschlossen werden, dessen Widerstandswert vom Spannungswert der zusätzlichen Stromquelle bestimmt wird.

Eltra verwendet in seinen Modellen NPN Open Collector und PNP Open Collector

3. Gegentakt (HTL) . Dieser Ausgangstyp basiert auf RPP- und PPP-Transistoren und hat eine niedrige Ausgangsimpedanz, wodurch der an die Last gelieferte Strom erhöht werden kann. Dadurch wird die Ladekapazität erhöht und die Lade- und Entladevorgänge der Ladekapazität werden beschleunigt, wodurch auch die Geschwindigkeit erhöht wird.
4. Analoger Encoder . Dies ist ein absoluter Positionssensor, der am Ausgang ein 0-10-V-Signal hat; 4 – 20 mA; 0 – 5 V; 0,5 – 4,5 V; 0 – 20 mA. Das Gerät wird zum Messen von Winkel, Neigung, linearer Position und Verschiebung verwendet. Sie haben in der industriellen Automatisierung an Popularität gewonnen und werden jetzt aktiv durch Encoder mit digitalen Signalen ersetzt. Analoge Sensoren behaupten jedoch weiterhin ihre Nische aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, einfachen Signalverarbeitung und einheitlichen Abmessungen.
5. SSI (Synchronous Serial Interface). Ermöglicht die Übertragung der absoluten Positionsdaten des Encoders über eine serielle Leitung, die durch eine Uhr synchronisiert wird. Das Funktionsprinzip eines Encoders mit SSI-Schnittstelle ist dem des Standardencoders sehr ähnlich. Seine Hauptbestandteile sind eine Lichtquelle, eine Scheibe mit transparenten und undurchsichtigen Fenstern, Vergleichs-/Triggerschaltungen, fotoelektrische Empfänger, ein Parallel-/Seriell-Wandler, eine monostabile Schaltung, eine Eingangsschaltung für ein Taktsignal und ein Ausgangstreiber für ein Datensignal.