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Antriebstechnik Mehr als ein digitaler in-krementeller Encoder

| Autor / Redakteur: Urs Kafader / Reinhard Kluger

Traditionell benützen die meisten Positioniersysteme kleiner Baugrösse – gemeint sind Antriebe bis etwa 500 Watt Leistung – die weitverbreiteten digitalen Inkrementalencoder zum Ermitteln von Position und Drehzahl. Dies ist auch bei den maxon EPOS2 Positioniersteuerungen der Fall und dieser Sensortyp ist denn auch als Standard gesetzt.

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Wenn die Anforderungen an Antriebssysteme über reine Drehzahl- und Drehmomentregelungen hinausgehen und wiederkehrende Positionierprozesse in komplexen Bewegungsbahnen erfolgen müssen, kommen Positioniersteuerungen zum Einsatz.
Wenn die Anforderungen an Antriebssysteme über reine Drehzahl- und Drehmomentregelungen hinausgehen und wiederkehrende Positionierprozesse in komplexen Bewegungsbahnen erfolgen müssen, kommen Positioniersteuerungen zum Einsatz.
( Archiv: Vogel Business Media )

Bei steigenden Anforderungen kommen vermehrt andere Encodertypen zum Einsatz, die eine höhere Auflösung erlauben oder absolute Positionsinformationen liefern. Dies wurde bei der Entwicklung der zweiten Generation EPOS2 berücksichtigt, indem zusätzliche Ein- und Ausgänge geschaffen wurden, die schnelle differentielle analoge und digitale Signale einlesen und die Encoder geeignet mit Leistung und Signalen versorgen können. Im Fokus: Digitaler inkrementeller Encoder, analoger inkrementeller Encoder und SSI Absolutencoder. Die Geber gibt es neben der rotativen Variante, wie man sie auf Motor- und Getriebewellen findet, auch als Sensoren für lineare Bewegungen, beispielsweise mit Kugelspindeln.

Encoder-Funktionsprinzipien beinhalten optische Varianten in Transmission und Reflexion, magnetische Varianten die auf dem Hall- oder magnetoresistiven Effekt beruhen, aber auch induktive Prinzipien. Für diese Positionsgebersysteme gilt prinzipiell: Je kleiner die Baugrösse, desto kleinere Grundauflösung und Genauigkeit sind zu erwarten.

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Digitale Inkrementalencoder

Digitale Inkrementalencoder zeigen durch einen digitalen Signalpuls, dass der Motor ein Inkrement – einen Schritt – absolviert hat. Die Auflösung ist durch die Anzahl Inkremente oder Schritte pro Umdrehung fest vorgegeben. Zur Auswertung von Position und Drehzahl in der Steuerelektronik werden die Signalflanken der beiden Kanäle herangezogen, was eine viermal höhere Auflösung ergibt (Quadcounts), als die nominelle Anzahl Impulse des Encoders anzeigt.

Die weite Verbreitung der digitalen Inkrementalgeber liegt darin begründet, dass sie einen guten Kompromiss für viele Anwendungsgebiete darstellen. Auflösungen bis einige Tausend Impulse pro Umdrehung erlauben einerseits eine relativ steife Regelung und vernünftige Genauigkeit für die meisten Anwendungen. Speziell präzise sind direkt abtastende Funktionsprinzipen, wie beispielsweise die optischen Encoder. Andererseits liegen die Signale in digitaler Form vor und können problemlos und störunempfindlich übertragen werden, sehr häufig differentiell. Die Kosten bewegen sich in einem akzeptablen Rahmen und für Kleinstantriebe gibt es Lösungen, die sehr kompakt bauen und teilweise im Motor integriert sind.

Eine absolute Positionsinformation kann im Normalfall nicht direkt aus dem inkrementellen Signal erhalten werden und wird auch nicht gespeichert. Beim Einschalten ist man somit auf eine Fahrt auf eine Referenzposition angewiesen. Referenzpositionen werden meist durch externe Referenzschalter (z.B. Endschalter) oder einen mechanischen Anschlag vermittelt. Durch die Verwendung eines Indeximpulses kann die Referenzposition noch genauer festgelegt werden.

Ermöglichen Signalfrequenzen bis 5 MHz

Inkrementalencoder benötigen eine Spannungsversorgung (typischischerweise 5 VDC und bis einige 10 mA pro Kanal) und Signaleingänge mit verhältnismäßig hoher maximaler Eingangstaktfrequenz auf Seiten der Steuerung. Je höher die Impulszahl des Encoders und je grösser die Drehzahl des Motors, umso höher die Signalfrequenz, die übertragen und detektiert werden muss. Die Ein- und Ausgänge der maxon EPOS2 Positioniersteuerungen unterstützen die elektrische Versorgung von zwei Inkrementalencodern (2-Kanal oder 3-Kanal bis zu 2.5 Millionen Impulse pro Umdrehung, RS-422-Schnittstelle) und ermöglichen Signalfrequenzen bis 5 MHz. Beispielsweise lassen sich selbst bei einer respektablen Drehzahl von 25000min-1 immer noch hochauflösende Encoder mit 12000 Impulsen pro Umdrehung verwenden.

Digitale Inkrementalencoder stossen an ihre Grenzen, wenn sehr hohe Impulszahlen benötigt werden. Neben Anwendungen mit extrem genauer Positionierung ist dies bei steifer Regelung und bei der Messung sehr kleinen Geschwindigkeiten der Fall. Encoder mit mehr als 5000 Impulsen sind möglich, sie bauen aber meist groß (Durchmesser) und sind aufgrund der aufwändigeren Interpolationselektronik teuer. Hohe Impulszahlen bedeuten bei höheren Drehzahlen auch hohe zu übertragende Frequenzen, was sich limitierend auf die Kabellänge auswirken kann.

Analoge inkrementelle Encoder

Einen Ausweg bieten hier die analogen Inkrementalencoder. Sie liefern anstelle der fest vorgegebenen Impulse ihrer digitalen Varianten sinusförmige Signale mit einer oder mehreren (bis einige hundert) Perioden pro Wellenumdrehung (oder pro maximalem Weg bei linearen Systemen). Daraus lässt sich die Position im Prinzip mit beliebiger Genauigkeit interpolieren. Der Anwender kann die Auflösung selber bestimmen. Eine gute Signalqualität mit identischen Amplituden (Verstärkung) auf beiden Kanälen ist allerdings entscheidend, um präzise Positionen zu errechnen. Um Störungen während der analogen Datenübertragung zu reduzieren, werden die Signale differentiell übertragen. Ebenfalls wichtig sind hochwertige analoge differentielle Detektoren in der Steuerung und eine genügend hohe Abtastrate bei der Digitalisierung. Für die Interpolation kann beispielsweise der digitale Signalprozessor der Steuerung verwendet werden, sodass keine zusätzlichen Hardwarekosten anfallen. Analoge Inkrementalencoder bieten eine Möglichkeit, sehr hohe Auflösungen bei relativ geringen Kosten zu erhalten.

Da die Interpolation erst im Regler geschieht und damit nur moderate Frequenzen auftreten, gestaltet sich die Signalübertragung über lange Leitungen einfacher. Als Beispiel: Ein Encoder mit 100 Perioden pro Umdrehung und 6000 min-1 (100 Hz) ergibt ein analoges Signal von 10kHz. Mit einer 100-fachen Interpolation, was bei ausreichendem Signal-Rauschverhältnis möglich ist, ergäbe sich eine digitale Signalfrequenz von 1 MHz.

In sehr kleinen Baugrößen

Interessant in diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass viele digitale Inkrementalencoder (z.B. maxon MILE, maxon MR-Encoder) eigentlich analoge Sinussignale erzeugen und diese direkt im Encoder interpolieren und digitale Signale erstellen. Etwaige Imperfektionen in der Signalqualität lassen sich bei einigen Modellen in einem Einstellschritt am Ende des Herstellprozesses abgleichen (z.B. via einem Look-up Table). Analoge inkrementelle Encoder können, wie ihre digitalen Gegenspieler, in sehr kleinen Baugrößen ausgeführt werden.

EPOS2 unterstützt die Verwendung von analogen inkrementellen Encodern, allerdings ohne Nullimpuls (Indexkanal). Die differentiellen Sinus-Cosinus-Signale mit einer Amplitude von 1 Vss können mit maximal 10 Bit interpoliert werden. Bei einem Sinus-Encoder mit 1024 Signalperioden entspricht dies der Auflösung eines digitalen Inkrementalencoders mit 1 Million Quadcounts.

Inkrementelle Sinus-Encoder finden sich in Anwendungen die eine hohe Genauigkeit und Regelsteifigkeit erfordern, wie zum Beispiel Verpackungs-, Druck- und Werkzeugmaschinen. Dabei sind oft spielbehaftete Getriebe oder andere mechanischen Antriebselemente nicht zulässig und die Encoder werden in Direktantrieben und Linearachsen eingesetzt.

SSI Absolut Encoder

Inkrementalencoder, seien sie analog oder digital, messen nur Positionsänderungen und benötigen für eine absolute Positionsangabe eine Referenzfahrt. Referenzfahrten finden meist bei kleinen Geschwindigkeiten statt, sind zeitraubend und in manchen Systemen nicht zulässig. In Mehrachssystemen, beispielsweise in kinematisch komplexen Robotikanwendungen mit mechanisch voneinander abhängigen Achsen, könnte ein Homing zur Kollision und Beschädigung führen. In diesen Fällen bieten sich als Alternative zu den inkrementellen die absoluten Encoder an, die vermehrt auch in kleinen Baugrössen erhältlich sind. Absolutencoder geben beim Einschalten direkt und ohne Referenzfahrt die aktuelle Position innerhalb einer Motorumdrehung (single turn) oder über mehrere Umdrehungen (multiturn) an.

In industriellen Applikationen finden sich oft absolute Drehgeber mit SSI Schnittstelle (Synchron-Seriell-Interface). Positionswerte werden von der SSI-Schnittstelle bitweise seriell vom Drehgeber zur Steuerung übertragen. Lediglich sechs Leitungen reichen aus für Betriebsspannung, Datenübertragung und Synchronisierung des Übertragungstaktes.

Beim Singleturn-Absolutencoder ist eine Achsumdrehung in n-Schritten codiert. Bei einer Drehung von über 360° wiederholt sich somit die Codierung. Typische Auflösungen liegen bei 12 Bit (4096 Positionen) und mehr pro Umdrehung. Interessant anzumerken ist, dass ein analoger Inkrementalencoder mit einer Sinusperiode pro Umdrehung als Singleturn-Absolutencoder betrachtet werden kann. Zum hier beschriebenen digitalen Absolutencoder fehlt nur noch die Interpolation und Digitalisierung der Signale.

GrayCode kommt zur Anwendung

In Multiturn-Encodern können neben der Messung von 360° (1 Umdrehung) weitere Umdrehungen codiert erfasst werden; häufig geschieht dies über ein Getriebe. Multiturn-Encoder sind erforderlich, wenn die Anzahl der Messschritte eines Singleturn-Drehgebers nicht ausreicht, beispielsweise bei langen Verfahrwegen.

SSI-Absolutencoder haben digitale Signale, die störungsresistent (oft differentiell mit RS-422-Standard) übertragen werden. Dabei kommt zur Codierung der Position meist der GrayCode zur Anwendung, der weniger fehleranfällig ist als eine Binärcodierung. Übertragungsraten gehen in der Praxis bis einige Hundert kbit/s bei Kabellängen von 100 m, was für gängige Zykluszeiten von Positionsregelkreisen (z.B. 1ms bei EPOS2) bei Weitem ausreichend ist. EPOS2 unterstützt die Verwendung der meisten Varianten von SSI-Absolutencodern: Single- oder Multiturn, mit 6 bis 32 Bit Auflösung, gray- oder binärcodiert und RS-422-Schnittstelle.

Eine klassische Anwendung mit Absolutencoder ist der Nachführmechanismus für Solaranlagen, die mit einem Inkrementalencoder sehr zeitaufwändig zu referenzieren wären, da die Geschwindigkeiten, für welche die Anlage ausgelegt ist, sehr klein sind. Bei allen möglichen Arten von Durchflussreglern, Abfüllanlagen und Förderanlagen möchte man ab dem ersten Moment die Durchflussmenge genau kennen. Eine Referenzfahrt würde eine unkontrollierte Fördermenge bedeuten. Weitere Anwendungen mit Absolutencoder sind die Robotik, Handlingmaschinen sowie Positionierungen von Maschinentischen, Scheinwerfern, Bühnenelementen und ähnlichem.

Verbessertes Regelverhalten

Die zusätzlichen Anschlussmöglichkeiten für einen zweiten digitalen Inkrementalencoder, einen analogen Sinus-Inkrementalencoder oder Absolutencoder erweitern das Anwendungsspektrum der EPOS2 Positioniersteuerungen. Hochdynamische, steife und hochauflösende Regelungen sind realisierbar. Festzuhalten ist dabei: Alle Anschlussmöglichkeiten stehen am Standardprodukt zur Verfügung. Auch bei einer Änderung des Gebers aufgrund gestiegener Anforderungen kann dieselbe EPOS2 verwendet und einzig die Ein-und Ausgänge müssen neu konfiguriert werden.

Der Standard-Encodereingang der EPOS2 steht immer noch zur Verfügung und damit erlauben es diese neuen Encoderoptionen, auch Regelkreise mit zwei Sensoren auszurüsten. Der Hauptsensor misst dabei die Position der Last und dient der primären Lageregelung. Der zweite Sensor auf dem Motor bedient den Hilfsregelkreis des Motors mit dem nötigen Feedback. Dieser sogenannte Dual Loop Regelmodus der EPOS2 kompensiert eventuelle elastische Spiele in der mechanischen Ankoppelung und in Getrieben und ermöglicht präzise und dynamische Lastregelung ohne die Gefahr von unerwünschten Oszillationen aufgrund von Phasenverschiebungen und Totzeiten im Regelkreis.

SPS/IPC/DRIVES 2011 Halle 1, Stand 100

Dr. Urs Kafader, Leiter der Technischen Ausbildung bei maxon motor ag

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