Hvilke typer encoderfunktioner øger robustheden? Solid-state-elektronik, måske?

Der anvendes encodere i en hel masse ting, lige fra BattleBots til Mars-roveren, store entreprenørmaskiner til udstyr til fremstilling af halvledere og i talrige medicinske og militære anvendelser.

Kort sagt: Hvor der er bevægelse, vil man også kunne finde en encoder. De nyder måske ikke den samme berømmelse som nogle af de produkter, de er en del af, men de er af afgørende betydning i vore dages komplekse og sofistikerede bevægelseskontrolsystemer.

Roterende encodere er uundværlige komponenter i tilbagekoblingssløjfer til bevægelseskontrol inden for industri, robotteknik, luft- og rumfart, energi og automatisering. De skal kunne fungere under barske forhold, hvor de udsættes for støv, snavs og fedt, store temperaturudsving og kraftige rystelser.

Derudover bliver behovet for roterende encodere større på grund af den øgede brug af børsteløse DC-motorer (BLDC-motorer), som giver forbedringer med hensyn til kontrol, præcision og effektivitet. Encoderens opgave er enkel: at angive motorakslens position over for systemcontrolleren. Med disse data kan controlleren nøjagtigt kommutere motorspolerne/-viklingerne og bestemme hastighed, retning og acceleration – parametre, som en bevægelseskontrolkreds skal opretholde for at sikre motorens ønskede ydeevne. I anvendelser med roterende encodere er der brug for langsigtet pålidelighed, holdbarhed og optimeret ydeevne, hvilket alt sammen har betydet, at en intelligent roterende encoder bliver stadig mere vigtig i de fleste anvendelser, der kræver nøjagtig bevægelsesstyring.

Nye tilgange med intelligent funktionalitet fører nye egenskaber og muligheder med sig, som ændrer landskabet for den ydmyge encoder.

Selvom de er altafgørende, betragtes roterende encodere ofte som dumme enheder, der blot giver pulssignaler til en controller på højere niveau. Encoderbrugere, som kan have svært ved at tage forandringer til sig, kan nu i højere grad sætte deres lid til teknologier som den kapacitive encoder med dens fuldt ud testede principper og føle sig fortrøstningsfulde i kraft af dens påviste succes efter adskillige års anvendelse inden for området.

Med tilføjelsen af en mikrocontroller og specialfremstillede ASIC'er i designet er der blevet tilført en hel del alsidighed, hvilket giver mulighed for hurtigt at konfigurere encoderens opløsning, nulpunktsstilling og poltal. Denne digitale tilgang til bevægelsesregistrering giver fordele og et nyt intelligensniveau for designere, der benytter roterende kommuterings-encodere.

Encoder-teknologier: Tre slags og hvad de er gode til og ikke er gode til

De tre mest velkendte encoder-tilgange anvender optiske, magnetiske eller kapacitive teknikker.

Optiske konfigurationer anvender en hullet skive (disk) med en LED på den ene side og fototransistorer på den anden side. Disken roterer og bryder lysets bane … så de resulterende impulser angiver akslens retning og rotation (figur 1). De er billige, men optiske encodere bliver mindre pålidelige med forurenende stoffer som snavs, støv og olie … og LED'erne har begrænset levetid.

Figur 1: Dette er en traditionel konfiguration for en optisk encoder. (Billedkilde: CUI Devices)

Opbygningen af en magnetisk encoder minder meget om den i en optisk encoder, men der benyttes et magnetfelt i stedet for en lysstråle. I stedet for et hullet optisk hjul har den en magnetiseret disk, som drejer rundt over en række af magnetoresistente sensorer. Hjulets rotation udløser en reaktion i disse sensorer, der sendes til et signalbehandlingskredsløb i front-enden, som bestemmer akslens position. Mens magnetiske encodere har stor holdbarhed, er de ikke så nøjagtige, og de er følsomme over for magnetisk forstyrrelse fra el-motorer og drev.

Kapacitive encodere har alle fordelene fra de optiske og magnetiske encodere, men ingen af svaghederne. De er meget mere hårdføre og ret upåvirkelige med hensyn til partikler i driftsmiljøet og magnetisk forstyrrelse. En kapacitiv encoder har to linjemønstre, hvor det ene er indstillet på et fast element, og det andet er indstillet på et element i bevægelse. Tilsammen udgør de en drejekondensator konfigureret som en parring af sender og modtager (figur 2). Encoderen roterer og udløser et integreret applikationsspecifikt kredsløb (ASIC) til at tælle linjeændringer og interpolerer værdierne for at registrere akselretningen med standard kvadraturoutput – samt kommuteringsoutput, som andre encodere leverer til styring af BLDC-motorer.

Figur 2:  Dette er kapacitiv føling … med kvadraturrækker af bjælker og outputbølgeformer. (Billedkilde: CUI Devices)

Digital forstærkning af encoderfeedback

Kapacitive encodere leverer solid ydeevne. Derudover fører deres digitale output (i modsætning til optiske og magnetiske encodere) designet ind i det 21. århundrede – nyttigt ifm. at gøre produktudvikling, installation og endda vedligeholdelse nemmere.

Én fordel er encoderens evne til at justere opløsningen (antal impulser pr. omdrejning), uden at der skal skiftes til en disk med en højere eller lavere opløsning. Dette øger fleksibiliteten under udvikling, når der foretages optimering af kontrolkredsen.

Den digitale teknologi giver også mulighed for enkel "One Touch"-nulstilling for hurtig og nem installation og justering af kommuteringssignaler med BLDC-motorspoler. Her låser brugeren akslen til målpositionen ved at sende strøm gennem de rette motorfaser og kommanderer encoderen til at nulstille på denne position. Det kræver ikke nogen specialværktøjer, og det tager kun nogle få minutter i alt at udføre denne funktion. Derimod er det en kompleks og frustrerende proces at nulstille en optisk eller magnetisk encoder (for mekanisk at justere kommuteringssignaler til motorspoler), der kan tage op til 20 minutter.

Den indbyggede intelligens i CUI's AMT-serie giver sammen med den medfølgende AMT Viewpoint-brugergrænseflade også indbygget diagnosticering for hurtigere analyse af fejl hos brugeren, mulighed for forebyggende foranstaltninger som en "encoder good"-testsekvens samt forbedret time-to-market.

Sådanne diagnosticeringsdata hjælper udvikleren i designfasen, da det er med til at eliminere encoderen fra listen over mulige fejlkilder.

Derudover hjælper diagnosticering med at give slutbrugerne indsigt i encoderens tilstand, før der opstår fejl … og hjælper med at skille encoderfunktion fra analyse af motordrift til vedligeholdelsesformål – hvilket kan lette registreringen af problemer såsom justeringsfejl eller slid på lejer. Indbygget diagnosticering gør det muligt for systemer at bekræfte, at encoderne fungerer, før motorerne inddrages i kritiske bevægelseskontrolanvendelser – for at undgå mulige skader.

Intelligente funktioner og IoT-forbindelse for alle encodertyper

Fordelene ved serien af AMT-encodere, som er baseret på kapacitiv teknologi, er ikke begrænset til forbedret ydeevne og pålidelighed. De leverer intelligent funktionalitet samt en bred vifte af programmerbare konfigurations- og installationsfunktioner. Digital teknologi er det næste skridt i udnyttelsen af potentialet ved et intelligent interface for at bane vejen for fordele, som ikke fås med traditionelle encoderteknologier.