De voordelen en nadelen van encodertechnologieën afwegen

Roterende encoders zijn sleutelcomponenten in de bewegings-feedback-loop van een groot aantal toepassingen, waaronder industriële automatiseringsapparatuur en procesregeling, robotica, medische apparatuur, energie, lucht- en ruimtevaart, en nog veel meer. Als apparaten die mechanische beweging omzetten in elektrische signalen, voorzien encoders ingenieurs van essentiële gegevens, zoals positie, snelheid, afstand en richting, die kunnen worden gebruikt om de prestaties van hun totale systeem te optimaliseren.

Optische, magnetische en capacitieve encodertechnologieën zijn de drie belangrijkste waarover een ingenieur kan beschikken, maar bij de keuze van de technologie die het best geschikt is voor de eindtoepassing, moeten verschillende overwegingen worden gemaakt. Om dit selectieproces te vergemakkelijken, wordt in dit artikel een overzicht gegeven van optische, magnetische en capacitieve codeertechnologie, met een overzicht van de voordelen en nadelen van elke technologie.

Overzicht encodertechnologie

Optische encoders

Optische encoders zijn al vele jaren de populaire keuze op de markt van de bewegingsbesturing. Zij bestaan uit een LED-lichtbron (meestal infrarood) en fotodetectoren die aan weerszijden van een encoderschijf zijn geplaatst. Deze schijf is vervaardigd van plastic of glas en bevat een reeks afwisselend doorzichtige en ondoorzichtige lijnen of gleuven. Tijdens de rotatie van de schijf wordt het LED-lichtpad onderbroken door de afwisselende lijnen of gleuven op de schijf, die op hun beurt de typische kwadratuurpulsen met vierkante golf A & B produceren die worden gebruikt om de rotatie en de snelheid van de as te bepalen.

Figuur 1: Typische A & B kwadratuurpulsen van een optische encoder, inclusief een indexpuls (bron: Same Sky)

Hoewel optische encoders op grote schaal worden gebruikt, hebben zij toch een aantal nadelen. In stoffige en vuile omgevingen, zoals industriële toepassingen, kunnen verontreinigingen zich op de schijf afzetten en verhinderen dat het LED-licht doorvalt naar de optische sensor. Dit heeft grote gevolgen voor de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van optische encoders, aangezien de vervuilde schijf ervoor kan zorgen dat vierkante pulsen sporadisch voorkomen of helemaal worden gemist. LED's hebben ook een beperkte levensduur en zullen uiteindelijk doorbranden, waardoor de encoder defect raakt. Bovendien is de glazen of plastic schijf gevoelig voor beschadiging door trillingen of extreme temperaturen, waardoor het bruikbare bereik in robuuste toepassingen wordt beperkt, terwijl de montage op motoren tijdrovend kan zijn en meer risico van verontreiniging met zich meebrengt. Tenslotte kunnen optische encoders bij hogere resoluties meer dan 100 mA stroom verbruiken, wat hun bruikbaarheid in mobiele of op batterijen werkende apparatuur nog verder beperkt.

Magnetische encoders

Net als optische encoders maken magnetische encoders gebruik van een magnetisch veld in plaats van een lichtstraal. In plaats van het optische wiel met gleuven hebben magnetische encoders een gemagnetiseerde schijf met wisselende polen die over een reeks hall-effect of magneto-resistieve sensoren draait. Elke draaiing van het wiel veroorzaakt een reactie in deze sensoren, die naar een signaal-conditionerend front-end circuit gaat om de aspositie te bepalen. Magnetische encoders hebben het voordeel dat zij veel duurzamer zijn en veel beter bestand zijn tegen schokken en trillingen dan optische encoders. Waar optische encoders ook moeite hebben met verontreinigingen als stof, vuil en olie, hebben magnetische encoders daar geen last van, waardoor ze zeer geschikt zijn voor veeleisende omgevingen.

Magnetische encoders hebben echter veel last van magnetische interferentie die wordt veroorzaakt door elektromotoren, met name stappenmotoren, en vertonen positieveranderingen als gevolg van temperatuurveranderingen. Zij blijven ook achter bij optische en capacitieve alternatieven door hun relatief lagere resolutie en nauwkeurigheid.

Capacitieve encoders

De drie hoofdcomponenten van een capacitieve encoder zijn een rotor, een stationaire zender en een stationaire ontvanger. Capacitieve detectie maakt gebruik van patronen van staven of lijnen, waarbij de ene groep op het vaste element en de andere groep op het bewegende element is aangebracht, om een variabele condensator te vormen die als zender/ontvanger-paar is geconfigureerd. De beweging van de rotor en zijn sinusoïdaal patroon op de motoras produceren een uniek maar voorspelbaar signaal dat door de ingebouwde ASIC van de encoder wordt geïnterpreteerd om de positie van de as en de draairichting te berekenen.

Figuur 2: Een vergelijking van encoderschijven (Beeldbron: Same Sky)

Voordelen van capacitieve encoder

Capacitieve encoders zijn gebaseerd op dezelfde principes als de digitale schuifmaat, wat resulteert in een oplossing die veel van de tekortkomingen van optische en magnetische encoders ondervangt. De AMT-encoderserie van Same Sky maakt gebruik van deze capacitieve technologie, die bewezen heeft zeer betrouwbaar en nauwkeurig te zijn. Omdat er geen LED's of zichtlijn nodig zijn, presteren capacitieve encoders zoals verwacht, zelfs wanneer ze worden blootgesteld aan omgevingsverontreinigingen zoals stof, vuil en olie die optische encoders negatief beïnvloeden. Zij zijn ook minder gevoelig voor trillingen dan de glazen schijf van een optische encoder, en voor extreme temperaturen. Zoals eerder gezegd, hebben capacitieve encoders een langere levensduur dan hun optische tegenhangers, omdat er geen LED's doorbranden. Dit resulteert verder in een kleinere behuizing en een lager stroomverbruik van 6 tot 18 mA over hun gehele resolutiebereik, waardoor ze beter geschikt zijn voor toepassingen die op batterijen werken. Magnetische interferentie en elektrische ruis, die problemen opleveren voor magnetische encoders, vormen ook een minder groot probleem voor capacitieve technologie, waardoor ze robuuster zijn dan magnetische encoders, en een grotere nauwkeurigheid en hoge resolutie hebben.

Flexibiliteit en programmeerbaarheid zijn bijkomende belangrijke voordelen van de digitale aard van capacitieve encoders. Omdat de resolutie van een optische of magnetische encoder wordt bepaald door de encoderschijf, moet telkens wanneer een andere resolutie nodig is, een nieuwe encoder worden gebruikt. Dit kan zowel tijd als kosten toevoegen tijdens het ontwerp- en fabricageproces. Dankzij een reeks programmeerbare resoluties hoeven ontwerpers bij capacitieve encoders de encoder niet telkens te vervangen wanneer een nieuwe resolutie nodig is, wat de voorraad beperkt en de fijnafstelling van een PID-regelkring en systeemoptimalisering vereenvoudigt. Bij BLDC-commutatie maken capacitieve encoders digitale uitlijning en het instellen van een indexpuls mogelijk, wat bij optische encoders een iteratieve en tijdrovende taak kan zijn. Ingebouwde diagnosemogelijkheden geven ontwerpers verdere toegang tot systeemgegevens die gebruikt kunnen worden voor optimalisatie of probleemoplossing in het veld.

Figuur 3: Vergelijking van de belangrijkste prestatie-indicatoren van capacitieve, optische en magnetische technologie (Beeldbron: Same Sky)

Wegen van de opties

Temperatuur, trillingen en milieuverontreinigingen zijn belangrijke factoren waarmee een encoder in veel bewegingsbesturingstoepassingen te maken krijgt. Capacitieve encoders hebben bewezen deze uitdagingen aan te kunnen en bieden ontwerpers een betrouwbare, nauwkeurige en flexibele oplossing in vergelijking met optische of magnetische technologie. Hun digitale aard brengt capacitieve encoders ook in het moderne tijdperk van Internet of Things (IoT) en Industrial IoT (IIoT) toepassingen met toegevoegde programmeerbaarheid en diagnostische mogelijkheden.