Um sicherzustellen, dass mit jedem Hub eines medizinischen Infusionsgeräts eine exakte Insulinmenge abgegeben wird oder dass ein Roboterarm in der Fertigung sich zum richtigen Zeitpunkt an einen präzisen Punkt bewegt, muss der jeweilige Elektromotor mit einem Encoder ausgestattet sein.
Ein Drehgeber oder Wellenencoder ist ein elektromechanisches Gerät, das Informationen über Position, Zählung, Drehzahl und Richtung eines Motors an eine verbundene Anwendung mit einem Steuergerät, beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), liefert. Die SPS verwendet die Informationen des Encoders, allgemein als „Feedback“ bezeichnet, um eine hohe Präzision der Motorsteuerung zu gewährleisten.
Encoder-Technologien
Die beiden Haupttypen von Encodern sind Inkrementalgeber und Absolutwertgeber. Inkrementalgeber identifizieren Echtzeit-Feedback und verfolgen Bewegungen präzise anhand von Positions- und Richtungsänderungen statt anhand eines konkreten Bezugspunkts. Hierfür liefern sie mithilfe kontinuierlicher Impulse mit hohem beziehungsweise niedrigem Feedback Informationen über die relative Bewegung zwischen Positionen.
Absolutwertgeber geben die exakte Position an, sind jedoch aufgrund ihrer höheren Komplexität teurer. Inkrementalgeber sind für die meisten Anwendungen wirtschaftlicher und können mithilfe einer Inkrementalgeber-Schnittstelle, wie einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application-Specific Integration Circuit, ASIC), die Fähigkeit erhalten, mit einer exakten Referenzposition zu arbeiten.
Der Encodersensor funktioniert in der Regel entweder optisch oder magnetisch. Bei optischen Encodern wird Infrarotlicht von einer LED durch eine metallene Strichscheibe mit transparenten und undurchsichtigen Segmenten geschickt. Die so entstehenden, einzelnen Lichtsignale werden von optoelektronischen Sensoren aufgenommen. Durch diese Technologie kann mit optischen Encodern eine hoch präzise Positionierung erreicht werden. Abgesehen von der hohen Genauigkeit bleiben die Messungen optischer Encoder, beispielsweise des E9 von Portescap, unbeeinflusst von eventuellen magnetischen Störungen.
Magnetische Encoder haben hingegen ein Magnetrad mit einer bestimmten Anzahl von Polen auf dem Umfang. Wenn sich das Polrad dreht, erkennen Sensoren die Änderung des Magnetfelds. Diese kann beispielsweise von Hall-Sensoren gemessen werden, die die Spannungsänderung überwachen. Magnetische Encoder, wie der Portescap MR2, sind daher ideal für anspruchsvolle Anwendungen, in denen Erschütterungen oder das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit nicht auszuschließen sind. Der magnetische Encoder MR2 beispielsweise ist temperaturunempfindlich und weitestgehend unempfindlich gegenüber externen Störfeldern.
Wie ein Encoder funktioniert
Wenn sich der Encoder dreht, erzeugt er zwei Ausgangssignale in Form einer Rechteckwelle, A und B, die normalerweise zueinander um 90 Grad phasenverschoben sind. Durch Messung der Phasenverschiebung zischen A und B kann die Drehrichtung des Encoders ermittelt werden. Bei der Messung der Wegstrecke oder Drehzahl kommt zudem die Auflösung des Encoders ins Spiel. Die Auflösung ist die Anzahl der Messpunkte pro 360°-Umdrehung der Welle, entsprechend einem „Takt“ oder „Schritt“.
Im Allgemeinen gilt: Je größer die Anzahl der Messpunkte, die als Striche pro Umdrehung (Lines Per Revolution, LPR) oder Impulse pro Umdrehung (Pulses Per Revolution, PPR) angegeben werden, desto höher ist die Messgenauigkeit. So bietet der magnetische Encoder M Sense von Portescap bis zu 1.024 LPR in einem kompakten Format.
Die beiden Rechtecksignale, A und B, schalten zudem zwischen „high“ und „low“ um. Die beiden Datenbits erzeugen so für jeden Strich beziehungsweise Impuls vier Zähler (Quadratur-Decoding). Quadraturdrehgeber erreichen so eine bis zum Vierfachen höhere Auflösung. Beim Portescap MR2 werden beispielsweise die 512 Striche in 2048 „Counts“ oder Winkelschritte umgewandelt. Zusätzlich zu den beiden Ausgangskanälen A und B ist manchmal ein dritter Kanal, Z, vorhanden, der zur Bestimmung der Referenzposition verwendet werden kann.
Wo Encoder eingesetzt werden
Nachdem wir wissen, wie Encoder das Feedback für die Motorsteuerung liefern, liegt ihre Bedeutung für die unterschiedlichsten Anwendungen auf der Hand. Nehmen wir unser Eingangsbeispiel der Insulinpumpe: Das therapeutische System (Drug Delivery System) muss innerhalb einer bestimmten Zeit eine genaue Arzneimittelmenge abgeben, und der Encoder sorgt für exakte Einhaltung dieser Dosis. Das Beispiel veranschaulicht auch, wie die feine Teilung der Strichscheibe für eine hohe Auflösung dazu beitragen kann, auch bei anspruchsvollen Durchflussraten Präzision zu gewährleisten.
In der Fertigung werden Robotergreifer zum Beispiel auch zur Handhabung relativ empfindlicher Komponenten eingesetzt. Dabei müssen Druck und Geschwindigkeit genau für die korrekte Handhabung des Bauteils abgestimmt sein, damit dieses nicht beschädigt wird. Der Encoder sorgt dafür, dass die Funktion des Robotergreifers durch die Bewegungsregelung seines Motors (Drehzahl und Position) an jede zu handhabende Komponente angepasst wird.
Auch Pick-and-Place-Anwendungen in der Elektronikbestückung sind auf High-Speed Motion Control angewiesen, um schnell und immer wieder die Größe und das Gewicht von Bauelementen zu erkennen und diese präzise zu platzieren. Encoder ermöglichen die extrem schnelle und präzise Regelung, die in der Fertigung die Produktivität und Qualität gewährleistet.
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