Vejning af fordele og ulemper ved encoder-teknologier

Roterende enkodere er vigtige komponenter i bevægelsesstyringsfeedbackkredsløbet i en række forskellige applikationer, herunder industrielt automatiseringsudstyr og processtyring, robotteknologi, medicinsk udstyr, energi, rumfart og meget mere. Som enheder, der omsætter mekaniske bevægelser til elektriske signaler, giver encodere ingeniører vigtige data såsom position, hastighed, afstand og retning, som kan bruges til at optimere det samlede systems ydeevne.

Optisk, magnetisk og kapacitiv er de tre vigtigste encoderteknologier, som en ingeniør har til rådighed, men der er flere overvejelser forbundet med at beslutte, hvilken teknologi der bedst tjener den endelige applikation. For at hjælpe dig i denne udvælgelsesproces vil denne artikel give en oversigt over optisk, magnetisk og kapacitiv encoderteknologi og samtidig skitsere fordelene og kompromiserne ved hver enkelt teknologi.

Oversigt over encoderteknologi

Optiske enkodere

Optiske encodere har været det populære valg på markedet for bevægelsesstyring i mange år. De består af en LED-lyskilde (typisk infrarød) og fotodetektorer, der er placeret på modsatte sider af en koderskive. Denne skive er fremstillet af plast eller glas og indeholder en række skiftevis gennemsigtige og uigennemsigtige linjer eller slidser. Under skivens rotation afbrydes LED-lysbanen af de vekslende linjer eller slidser på skiven, hvilket igen producerer de typiske kvadratiske A & B-kvadraturimpulser, der bruges til at bestemme akslens rotation og hastighed.

Figur 1: Typiske A- og B-kvadraturimpulser fra en optisk encoder, herunder en indeksimpuls (Billedkilde: Same Sky)

Selv om optiske enkodere er meget udbredte, har de flere ulemper. I støvede og snavsede miljøer, f.eks. i industrielle applikationer, kan der ophobes forurening på disken, hvilket forhindrer LED-lyset i at passere gennem den optiske sensor. Dette har stor indflydelse på pålideligheden og nøjagtigheden af optiske enkodere, da den forurenede disk kan medføre, at firkantede impulser er sporadiske eller helt mangler. Lysdioder har også en begrænset levetid og vil med tiden brænde ud, hvilket fører til fejl på enkoderen. Desuden er glas- eller plastskiven udsat for skader fra vibrationer eller ekstreme temperaturer, hvilket begrænser dens anvendelsesområde i robuste applikationer, mens monteringen på motorer kan være tidskrævende og give større risiko for forurening. Endelig kan optiske enkodere ved højere opløsninger forbruge op til 100 mA strøm, hvilket yderligere påvirker deres anvendelighed i mobile eller batteridrevne enheder.

Magnetiske enkodere

De ligner optiske enkodere i deres opbygning, men magnetiske enkodere anvender et magnetfelt i stedet for en lysstråle. I stedet for det optiske hjul med slids har magnetiske enkodere en magnetiseret skive med vekslende poler, som drejer rundt over et felt af hall-effekt- eller magneto-resistive sensorer. Enhver drejning af hjulet giver en reaktion i disse sensorer, som går til et front-end-kredsløb til signalbehandling for at bestemme akslens position. Magnetiske enkodere har den fordel, at de er langt mere holdbare og modstandsdygtige over for stød og vibrationer end optiske enkodere. Hvor optiske enkodere også har svært ved at håndtere forurenende stoffer som støv, snavs og olie, er magnetiske enkodere upåvirkede, hvilket gør dem velegnede til barske miljøer.

Magnetiske enkodere påvirkes imidlertid i høj grad af magnetisk interferens forårsaget af elektriske motorer, især stepmotorer, og lider under positionsdrift som følge af temperaturændringer. De er også dårligere end optiske og kapacitive alternativer på grund af deres relativt lavere opløsning og nøjagtighed.

Kapacitive enkodere

De tre hovedkomponenter i en kapacitiv encoder er en rotor, en stationær sender og en stationær modtager. Ved kapacitiv aftastning anvendes mønstre af stænger eller linjer, hvoraf det ene sæt er placeret på det faste element og det andet på det bevægelige element, til at danne en variabel kondensator, der er konfigureret som et sender/modtager-par. Rotorens bevægelse og dens sinusformede mønster, der er fastgjort til motorakslen, producerer et unikt, men forudsigeligt signal, som fortolkes af encoderens indbyggede ASIC til at beregne akslens position og rotationsretning.

Figur 2: En sammenligning af encoderskiver (Billedkilde: Same Sky)

Fordele ved kapacitiv encoder

Kapacitive enkodere er tilpasset de samme principper som dem, der blev brugt til at udvikle den digitale Vernier-måler, hvilket resulterer i en løsning, der overvinder mange af manglerne ved optiske og magnetiske enkodere. Same Sky AMT-encoder-serie implementerer denne kapacitivt baserede teknologi, som har vist sig at give høj pålidelighed og nøjagtighed. Da der ikke er behov for LED'er eller sigtelinje, fungerer kapacitive enkodere som forventet, selv når de udsættes for miljøforurening som f.eks. støv, snavs og olie, der har negativ indvirkning på optiske enkodere. De er også mindre modtagelige over for vibrationer end en optisk enkoders glasskive samt ekstreme varme og kolde temperaturer. Som tidligere nævnt har kapacitive enkodere en længere levetid end deres optiske modstykker, da de ikke har nogen LED, der kan brænde af. Dette resulterer yderligere i en mindre pakkestørrelse og et lavere strømforbrug på 6 til 18 mA i hele opløsningsområdet, hvilket gør dem bedre egnet til batteridrevne applikationer. Magnetisk interferens og elektrisk støj, som er et problem for magnetiske enkodere, er også et mindre problem for kapacitiv teknologi, hvilket giver dem ekstra robusthed sammenlignet med magnetiske enkodere samt forbedret nøjagtighed og høj opløsning.

Fleksibilitet og programmerbarhed er yderligere vigtige fordele, som den digitale karakter af kapacitive enkodere giver. Da en optisk eller magnetisk enkoders opløsning bestemmes af enkoderdisken, skal der anvendes en ny enkoder, hver gang der er behov for en anden opløsning. Dette kan øge både tid og omkostninger i design- og fremstillingsprocessen. Med en række programmerbare opløsninger eliminerer kapacitive enkodere konstruktørens behov for at udskifte enkoderen, hver gang der er behov for en ny opløsning, hvilket reducerer lagerbeholdningen og forenkler finjusteringen af en PID-reguleringsloop og systemoptimering. Når det drejer sig om BLDC-kommutation, giver kapacitive enkodere mulighed for digital justering og indstilling af en indeksimpuls, hvilket kan være en iterativ og tidskrævende opgave for optiske enkodere. Indbyggede diagnostiske funktioner giver designere yderligere adgang til systemdata, der bruges til optimering eller fejlfinding i marken.

Figur 3: Sammenligning af de vigtigste præstationsindikatorer for kapacitiv, optisk og magnetisk teknologi (Billedkilde: Same Sky)

Afvejning af mulighederne

Temperatur, vibrationer og miljøforurening er vigtige faktorer, som en encoder skal håndtere i mange bevægelsesstyringsapplikationer. Kapacitive enkodere har vist sig at overvinde disse udfordringer og giver designere en pålidelig, præcis og fleksibel løsning i forhold til optisk eller magnetisk teknologi. Deres digitale karakter bringer også kapacitive enkodere ind i den moderne tidsalder af Internet of Things (IoT) og Industrial IoT (IIoT)-applikationer med ekstra programmerbarhed og diagnosefunktioner.