Welke soorten encoderfuncties verhogen de robuustheid? Solid-State Electronics, misschien?

Encodertoepassingen zijn overal om ons heen, van BattleBots tot de Mars Rover, van grote bouwvoertuigen tot halfgeleiderfabricageapparatuur, en in tal van medische en militaire toepassingen.

Kortom, overal waar beweging is, is een encoder zeker te vinden. Ze hebben misschien niet dezelfde glamour als sommige van de producten waar ze in gaan, maar ze zijn kritisch in de complexe en geavanceerde motion control-systemen van vandaag de dag.

Roterende encoders zijn vitale componenten in de motion control-feedbacklus van industriële, robotachtige, lucht- en ruimtevaart-, energie- en automatiseringstoepassingen. Ze moeten werken onder zware omstandigheden met blootstelling aan stof, vuil, vet, schommelende temperaturen en zware trillingen.

Bovendien neemt de behoefte aan roterende encoders toe door het toegenomen gebruik van borstelloze DC-motoren (BLDC), wat voordelen oplevert voor de besturing, de precisie en de efficiëntie. De taak van de encoder is eenvoudig: het aangeven van de positie van de motoras aan de systeembesturing. Met deze gegevens kan de controller de motorwikkelingen nauwkeurig commuteren en de snelheid, richting en versnelling bepalen - parameters die een bewegingsregelkring moet aanhouden voor de prestaties van de doelmotor. In roterende encodertoepassingen is er vraag naar langdurige betrouwbaarheid, duurzaamheid en geoptimaliseerde prestaties. Dit alles heeft ertoe geleid dat een intelligente, roterende encoder steeds belangrijker wordt in de meeste toepassingen die een nauwkeurige bewegingsbesturing vereisen.

De komst van nieuwe benaderingen die gebruik maken van intelligente functionaliteit brengt nieuwe mogelijkheden en kansen met zich mee die het landschap van de nederige encoder veranderen.

Hoewel essentieel, worden roterende encoders vaak beschouwd als domme apparaten die eenvoudigweg pulssignalen leveren aan een controller op een hoger niveau. De gebruikers van de encoder, die van oudsher terughoudend waren in het omarmen van verandering, kunnen nu meer vertrouwen stellen in technologieën zoals de capacitieve encoder met zijn volledig geteste principes en vertrouwen hebben in het bewezen succes van zijn jarenlange ervaring in het veld.

Met de toevoeging van een microcontroller en aangepaste ASIC's in het ontwerp is een aanzienlijke mate van veelzijdigheid toegevoegd, die de mogelijkheid biedt om de resolutie, de nulpositie en het aantal polen van de encoder snel te configureren. Deze digitale benadering van motion sensing maakt voordelen en een nieuw niveau van intelligentie mogelijk voor ontwerpers die gebruik maken van roterende commutatie-encoders.

Encodertechnologieën: Drie soorten en waar ze wel en niet uitblinken

De drie bekendste encoderbenaderingen maken gebruik van optische, magnetische of capacitieve technieken.

Optische opstellingen maken gebruik van een sleufschijf met een LED aan de ene kant en fototransistoren aan de andere kant. De schijf draait en onderbreekt het lichtpad... dus de resulterende pulsen geven de asrichting en de rotatie aan (Afbeelding 1). Hoewel de betrouwbaarheid van de optische encoder tegen lage kosten toeneemt met verontreinigingen zoals vuil, stof en olie... en de LED's hebben een beperkte levensduur.

Afbeelding 1: Dit is een traditionele optische-encoderopstelling. (Bron afbeelding: CUI-apparaten)

De constructie van de magnetische encoder lijkt veel op die van optische encoders, maar maakt gebruik van een magnetisch veld in plaats van een lichtbundel. In plaats van een gegroefd optisch wiel heeft het een gemagnetiseerde schijf die over een magneto-resistente sensor array draait. De rotatie van het wiel veroorzaakt een reactie in deze sensoren, die naar een signaalconditionerend front-end circuit gaat om de positie van de as te bepalen. Hoewel ze een hoge duurzaamheid bieden, zijn magnetische encoders niet zo nauwkeurig en zijn ze gevoelig voor magnetische interferentie afkomstig van elektromotoren en aandrijvingen.

Capacitieve encoders bieden alle voordelen van optische en magnetische encoderontwerpen, minus de zwakke punten. Ze zijn veel ruwer en vrij ongevoelig voor omgevingsdeeltjes en magnetische interferentie. Een capacitieve encoder heeft twee lijnpatronen met een set op een vast element en de andere set op een bewegend element. Deze vormen samen een variabele condensator die is geconfigureerd als een zender-ontvangerkoppeling (Afbeelding 2). De encoder draait om een geïntegreerde ASIC te activeren om lijnwijzigingen te tellen en interpoleert om de asrichting te volgen met standaard kwadratuuruitgangen - evenals commutatie-uitgangen die andere encoders leveren om BLDC-motoren te sturen.

Afbeelding 2: Dit is capacitieve sensing... met kwadratuurrijen van staven en uitgangsgolfvormen. (Bron afbeelding: CUI Devices)

Digitale verbetering van de encoderterugkoppeling

Capacitieve encoders leveren robuuste prestaties. Bovendien, (in tegenstelling tot optische en magnetische encoders) neemt hun digitale uitgang het ontwerp mee naar de 21e eeuw - nuttig om de productontwikkeling, de installatie en zelfs het onderhoud te vergemakkelijken.

Een voordeel is dat de encoder de resolutie (aantal pulsen per omwenteling) kan aanpassen zonder dat er een schakelaar op een hogere of lagere resolutie-encoderschijf nodig is. Dat verhoogt de flexibiliteit tijdens de ontwikkeling, wanneer de optimalisatie van de controlelus plaatsvindt.

De digitale technologie maakt ook eenvoudige 'One Touch'-nulstelling mogelijk voor een snelle en eenvoudige installatie en uitlijning van commutatiesignalen met BLDC motorwikkelingen. Hier vergrendelt de gebruiker de as tot de doelpositie door de juiste motorfasen te bekrachtigen en beveelt hij de encoder op deze positie op nul te zetten. Er is geen speciaal gereedschap nodig, en de totale tijd om deze functie uit te voeren is een paar minuten. Het op nul zetten van een optische of magnetische encoder (voor het mechanisch uitlijnen van commutatiesignalen op motorwikkelingen) is daarentegen een complex en frustrerend proces dat 20 minuten kan duren.

De intelligentie die is ingebouwd in de AMT-serie van CUI, samen met de bijbehorende AMT Viewpoint GUI, biedt ook diagnostiek aan boord voor een snellere analyse van veldfouten, de mogelijkheid om preventieve maatregelen uit te voeren, zoals een 'encoder goede' testvolgorde, en een verbeterde time-to-market.

Dergelijke diagnostische gegevens helpen de ontwikkelaar tijdens het ontwerp door te werken aan het verwijderen van de encoder van de lijst met verdachten tijdens het debuggen.

Ook helpt de diagnostiek in het veld door eindgebruikers inzicht te geven in de gezondheid van de encoder vóór storingen en helpt het om het gedrag van de encoder te scheiden van de analyse van de werking van de motor voor onderhoudsdoeleinden. Wat problemen zoals verkeerde uitlijning of slijtage van de lagers kan opsporen. Dankzij de ingebouwde diagnostiek kunnen de systemen controleren of de encoders werken voordat ze de motoren in kritische motion-control-toepassingen inschakelen, om mogelijke schade te voorkomen.

Slimme functies en IoT-connectiviteit voor alle typen encoders

De voordelen van de AMT-encoderserie op basis van capacitieve technologie bieden veel meer dan alleen verbeterde prestaties en betrouwbaarheid. Ze leveren intelligente functionaliteit in combinatie met een heleboel programmeerbare opstellings- en installatiefuncties. Digitale technologie is de volgende stap in het benutten van de kracht van een intelligente interface voor voordelen die niet beschikbaar zijn met traditionele encodertechnologieën.