Ein Encoder ist ein Rückführungselement, das eine Dreh- oder Linearbewegung in ein elektrisches Signal umwandelt. Er liefert dem Steuerungssystem die Information „Wo befinde ich mich gerade“. Positionsregelung, Geschwindigkeitsmessung, Längenzählung und Synchronisationsanwendungen beruhen allesamt auf dieser Information.
Die Grundlogik der geschlossenen Regelung ist einfach: Der Sollwert wird mit dem Istwert verglichen und die Differenz dazwischen ausgeglichen. Der Encoder ist die Quelle des „Istwerts“ in dieser Gleichung.
Funktionsprinzipien
Optischer Encoder: Eine Scheibe mit einem Strichmuster dreht sich zwischen einer Lichtquelle und einem Empfänger. Während das durch die Scheibe fallende Licht unterbrochen und durchgelassen wird, werden Impulse erzeugt. Bietet hohe Auflösung; dafür ist er empfindlicher gegenüber Staub, Öl und Vibration.
Magnetischer Encoder: Es werden eine magnetisch polarisierte Scheibe und ein Magnetfeldsensor verwendet. Er ist widerstandsfähiger gegenüber schmutzigen, feuchten und vibrationsbelasteten Umgebungen; seine Auflösung liegt in der Regel unter der optischer Typen.
Induktive und kapazitive Typen: Werden in Betracht gezogen, wenn in rauen Umgebungen die Robustheit im Vordergrund steht.
Resolver: Ist im klassischen Sinne kein Encoder, sondern arbeitet nach dem Prinzip eines Wandlers. Seine Elektronik ist einfach und sehr robust; er wird in Umgebungen mit hohen Temperaturen und starker Vibration bevorzugt. Die Auflösung hängt von der Leistungsfähigkeit der Auswerteschaltung ab.
Inkrementaler (incremental) Encoder
Der inkrementale Encoder kennt die absolute Position nicht; er erzeugt nur bei Bewegung Impulse. Der Controller verfolgt die Position, indem er diese Impulse zählt.
Typische Ausgänge:
- Kanäle A und B: Um 90° zueinander phasenverschoben (Quadratur). Durch diese
- Z-Kanal (Referenz / Index): Ein Impuls pro Umdrehung. Wird zur
- Invertierte Kanäle (A/, B/, Z/): Differenzielle
Phasenverschiebung wird die Richtung bestimmt.
Referenzierung verwendet.
Übertragung zur Störunterdrückung.
Durch Quadraturzählung kann die Auflösung vervielfacht werden: Wird jeder Kanalübergang gezählt, erhält man die vierfache Auflösung der Impulszahl pro Umdrehung (x4-Auswertung).
Grundlegende Einschränkung: Bei Stromausfall geht die Positionsinformation verloren. Das System muss bei jedem Einschalten eine Referenzierung (Homing) durchführen. Außerdem verursacht ein aufgrund von Störungen verpasster Impuls einen bleibenden Positionsfehler.
Ausgangssignaltypen (inkremental)
Push-Pull (HTL): Arbeitet in der Regel auf 24-V-Niveau. In industrieller Umgebung ist er relativ störfest und wird bei mittleren Entfernungen häufig eingesetzt.
RS-422 / differenziell (TTL): Das Signal wird als Paar aus Kanal und invertiertem Kanal gesendet. Bei langen Kabelstrecken und hohen Frequenzen die zuverlässigste Wahl.
Open Collector: Einfach und kostengünstig; geeignet für kurze Entfernungen und niedrige Frequenzen.
Der Ausgangstyp muss unbedingt mit dem Eingangstyp der Gegenseite übereinstimmen. Diese Nichtübereinstimmung ist ein im Feld häufig auftretendes Inbetriebnahmeproblem.
Wie hoch sollte die Auflösung sein
Die Auflösung wird aus der von der Anwendung geforderten Positioniergenauigkeit rückwärts berechnet. Wenn beispielsweise bei einer linearen Achse der gewünschte Positionsschritt feststeht, wird über das Übersetzungsverhältnis des Mechanismus die pro Umdrehung erforderliche Impulszahl ermittelt. Allgemein wird empfohlen, eine deutlich feinere Auflösung zu wählen als die angestrebte Genauigkeit; andernfalls kann der Regelkreis die Position nicht stabil halten.
Eine unnötige Erhöhung der Auflösung hat ebenfalls ihren Preis: Bei hoher Drehzahl steigt die Ausgangsfrequenz und kann die Frequenzgrenze des Zähleingangs des Controllers überschreiten. Bei der Auswahl muss die Ausgangsfrequenz bei maximaler Drehzahl geprüft werden.
Mechanik und Montage
Wellentyp: Hohlwellentypen (hollow shaft) werden direkt auf die Maschinenwelle aufgesteckt und erfordern keine zusätzliche Kupplung. Vollwellentypen (solid shaft) werden mit einer flexiblen Kupplung verbunden; die Kupplung schützt die Encoderlager, indem sie den Achsversatz toleriert.
Achsversatz und Vibration: Eine starre Verbindung beschädigt das Encoderlager in kurzer Zeit. Die Verwendung einer flexiblen Kupplung und eines korrekten Drehmomentschlüssels verlängert die Lebensdauer.
Schutzart: In Umgebungen mit Reinigung, in der spanenden Fertigung und im Außenbereich ist die IP-Schutzart maßgeblich.
Betriebstemperatur und Vibrationsfestigkeit: Bei Anwendungen wie Ofenauslauf, Presse und Kran müssen die Katalogwerte geprüft werden.
Auswahl-Checkliste
- [ ] Inkremental oder absolut — ist eine Referenzierung akzeptabel?
- [ ] Wird eine Multiturn-Funktion benötigt?
- [ ] Wurde die erforderliche Auflösung berechnet?
- [ ] Liegt die Ausgangsfrequenz bei maximaler Drehzahl unter der Grenze des Controllers?
- [ ] Ist der Ausgangstyp mit dem Eingang der Gegenseite kompatibel?
- [ ] Wurden Wellentyp und Montageart festgelegt?
- [ ] Sind IP-Schutzart, Temperatur- und Vibrationsfestigkeit für die Umgebung geeignet?
- [ ] Wurden Kabeltyp, -länge und Schirmerdung geplant?
Verwandte Produktfamilien: Encoder, Servomotor, Servoantrieb, Servokabel, Sensor, PLC
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