Vilka typer av encoderfunktioner förstärker robustheten? Kanske halvledarelektronik?

Encodertillämpningar finns omkring oss, från BattleBots till Mars Rover, stora anläggningsmaskiner till utrustning för halvledartillverkning samt i många medicinska och militära tillämpningar.

Kort sagt, där det finns rörelse finns en encoder. De erbjuder kanske inte samma lyster som vissa av de produkter de ingår i men de är kritiska i dagens komplexa och sofistikerade rörelsestyrningssystem.

Roterande encoders är vitala komponenter i återkopplingskretsen för rörelsestyrning i tillämpningar inom industri-, robot-, flyg-, energi- och automationstillämpningar. De måste fungera i tuffa förhållanden med damm, smuts och fett, varierande temperaturer och kraftiga vibrationer.

Behovet av roterande encoders ökar på grund av den växande användningen av borstlösa DC-motorer (BLDC), vilket medför förbättrad kontroll, precision och effektivitet. Encoderns uppgift är enkel: att indikera motoraxelns läge för systemstyrenheten. Med denna data kan styrenheten kommutera motorlindningarna med precision och avgöra hastighet, riktning och acceleration – parametrar som en rörelsestyrkrets måste hålla koll på för motorprestandans skull. I roterande encodertillämpningar efterfrågas långsiktig tillförlitlighet, hållbarhet och optimerad prestanda som alla är faktorer som gör smarta roterande encoders allt viktigare i de flesta tillämpningar som kräver precis rörelsekontroll.

Framväxten av nya metoder som utnyttjar smarta funktioner medför nya egenskaper och möjligheter som förändrar den enkla encoderns situation.

Roterande encoders är väsentliga, men anses vara dumma enheter som bara skickar pulssignaler till en styrenhet på högre nivå. Encoderanvändare kan nu förlita sig mer på tekniker som den kapacitiva encodern med sina fullt testade principer och känna sig trygga med dess många år på fältet.

Genom att lägga till en microcontroller och anpassade ASIC:er i konstruktionen, har en betydande grad av mångsidighet lagts till, vilket ger förmågan att snabbt konfigurera encoderns upplösning, nolläge och polantal. Den här digitala metoden för rörelseavkänning medför fördelar och en ny nivå av smarta funktioner för konstruktörer som använder roterande kommuterande encoders.

Encodertekniker: tre typer och dereas styrkor och svagheter

De tre mest välkända encodermetoderna använder optisk, magnetisk eller kapacitiv teknik.

Optiska konstruktioner använder en spårförsedd skiva med en lysdiod på ena sidan och fototransistorer på den andra. Skivan roterar och avbryter ljusbanan, så att de resulterande pulserna indikerar axelriktning och rotation (figur 1). Optiska encoders är billiga, men deras tillförlitlighet minskar med föroreningar som smuts, damm och olja och lysdioderna har begränsad livslängd.

Figur 1: Det här en traditionell optisk encoderkonstruktion. (Bildkälla: CUI Devices)

En magnetisk encoderkonstruktion påminner mycket om optiska encoders, men använder ett magnetfält istället för en ljusstråle. Istället för ett slitsförsett optisk skiva har den en magnetiserad skiva som roterar över en magnetisk-resistiv rad av sensorer. Skivans rotation framkallar ett svar i dessa sensorer, som går till en front-end-krets för signalkonditionering för att avgöra axelpositionen. Magnetencoders har hög hållbarhet men har lägre precision och är känsliga för magnetiska störningar från elmotorer och drivenheter.

Kapacitiva encoders ger alla fördelar som optiska och magnetiska encoderkonstruktioner har, men utan dessas svagheter. De är mycket robustare och inte särskilt känsliga för partiklar i miljön och magnetiska störningar. En kapacitiv encoder har två linjemönster där det ena finns på ett fast element och det andra på ett rörligt element. Tillsammans bildar de en variabel kondensator som är konfigurerad som ett sändar/mottagarpar (figur 2). Encodern roterar för att utlösa en integrerad ASIC som räknar linjebyten och interpolerar för att spåra axelriktningen, såväl med konventionella fyrkantsutsignaler som kommutationsutsignaler från andra encoders för att styra BLDC-motorer.

Figur 2: Det här är kapacitiv avkänning… med fyrkantsrader med staplar och utgående vågformer. (Bildkälla: CUI Devices)

Digital förbättring av encoderåterkoppling

Kapacitiva encoders ger robust prestanda. Dessutom (till skillnad från optiska och magnetiska encoders) tar deras digitala utgång in konstruktionen i 2000-talet — viket underlättar produktutveckling, installation och till och med underhåll.

En fördel är encoderns förmåga att justera upplösningen (antal pulser per varv) utan att behöva en växla till en encoderskiva med högre eller lägre upplösning. Det förstärker flexibiliteten under utvecklingen, när optimeringen av styrslingan sker.

Den digitala tekniken möjliggör även enkel nollställning med en tryckning för snabb och enkel installation och inriktning av kommutationssignaler med BLDC-motorlindningarna. Här låser användaren axeln i målpositionen genom att strömsätta de aktuella motorfaserna och säger åt encodern att nollställas i detta läge. Det kräver inga specialverktyg och den totala tidsåtgången för att utföra det här momentet är några minuter. Att däremot nollställa en optisk eller magnetisk encoder (för mekanisk inriktning av kommutationssignaler efter motorlindningar) är en komplex och frustrerande process som kan ta 20 minuter.

De smarta funktioner som är inbyggda i CUI:s AMT-serie, tillsammans med medföljande AMT Viewpoint GUI erbjuder även inbyggd diagnos för snabbare analys av fältfel, möjlighet att köra förebyggande åtgärder som en testsekvens för att säkerställa att encodern är i bra skick samt kortare tid till marknaden.

Sådan diagnosdata hjälper utvecklaren under konstruktionsarbetet då den gör det möjligt att eliminera encodern från listan av misstänkta under felsökning.

Diagnos hjälper även till på fältet, genom att ge slutanvändarna information om encoderns tillstånd innan den går sönder, och hjälper till att skilja encoderbeteende från analys av motordrift i underhållssyfte – vilket kan spåra problem som felinriktning eller lagerslitage. Genom inbyggd diagnos kan systemen verifiera att encoders fungerar innan motorer aktiveras i kritiska tillämpningar för rörelsestyrning, för att undvika eventuella skador.

Smarta funktioner och IoT-konnektivitet för alla encodertyper

Fördelarna med AMT-encoderserien baserat på kapacitiv teknik erbjuder mycket mer än bara förbättrad prestanda och tillförlitlighet. De ger smarta funktioner tillsammans med en stor uppsättning av programmerbara inställnings- och installationsfunktioner. Digital teknik är nästa steg i att utnyttja kraften hos ett smart gränssnitt för att komma åt fördelar som inte varit tillgängliga med traditionell encoderteknik.