Warum müssen Encoder an Motoren installiert werden? Wie funktionieren Encoder?

1. Was ist ein Encoder?

Während des Betriebs einesSchneckengetriebe N20 GleichstrommotorParameter wie Stromstärke, Drehzahl und relative Position in Umfangsrichtung der rotierenden Welle werden in Echtzeit überwacht, um den Zustand des Motorgehäuses und des gezogenen Geräts zu bestimmen und die Betriebsbedingungen von Motor und Gerät in Echtzeit zu steuern. Dadurch werden zahlreiche spezifische Funktionen wie Servo- und Drehzahlregelung realisiert. Der Einsatz eines Encoders als vorgeschaltetes Messelement vereinfacht das Messsystem erheblich und gewährleistet gleichzeitig Präzision, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit. Der Encoder ist ein Drehsensor, der die physikalischen Größen Position und Verschiebung rotierender Teile in digitale Impulssignale umwandelt. Diese werden vom Steuerungssystem erfasst und verarbeitet, um Befehle zur Anpassung und Änderung des Betriebszustands des Geräts auszugeben. In Kombination mit einer Zahnstange oder einer Spindel kann der Encoder auch zur Messung der Position und Verschiebung linearer beweglicher Teile eingesetzt werden.

2. Die Encoder-Klassifizierung

Grundlegende Klassifizierung von Encodern:

Ein Encoder ist ein präzises Messgerät, das mechanisch und elektronisch eng miteinander verbunden ist. Er codiert, wandelt und dient der Kommunikation, Übertragung und Speicherung von Signaldaten. Encoder werden anhand ihrer Eigenschaften wie folgt klassifiziert:

● Codescheibe und Codeskala. Der Encoder, der lineare Verschiebungen in ein elektrisches Signal umwandelt, wird als Codeskala bezeichnet, und derjenige, der Winkelverschiebungen in Telekommunikationssignale umwandelt, ist die Codescheibe.

● Inkrementalgeber. Liefern Informationen wie Position, Winkel und Umdrehungszahl und definieren die jeweilige Rate durch die Anzahl der Impulse pro Umdrehung.

● Absolutwertgeber. Liefert Informationen wie Position, Winkel und Anzahl der Umdrehungen in Winkelinkrementen, wobei jedem Winkelinkrement ein eindeutiger Code zugewiesen ist.

● Hybrider Absolutwertgeber. Der hybride Absolutwertgeber gibt zwei Datensätze aus: Ein Datensatz dient zur Ermittlung der Polposition mittels Absolutwertfunktion, der andere Datensatz entspricht exakt den Ausgabedaten des Inkrementalgebers.

Häufig in Motoren verwendete Encoder:

●Inkrementalgeber

Das System nutzt direkt das Prinzip der Fotoelektronenumwandlung, um drei Sätze von Rechteckimpulsen A, B und Z auszugeben. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Impulssätzen A und B beträgt 90°, wodurch die Drehrichtung leicht erkennbar ist. Der Impuls Z entspricht einer Umdrehung und dient der Referenzpunktpositionierung. Vorteile: Einfaches Funktionsprinzip, durchschnittliche mechanische Lebensdauer von mehreren zehntausend Stunden, hohe Störfestigkeit, hohe Zuverlässigkeit und geeignet für die Übertragung über große Entfernungen. Nachteile: Es kann keine absolute Positionsinformation der Wellendrehung ausgegeben werden.

● Absolutwertgeber

Auf der kreisförmigen Codierplatte des Sensors befinden sich mehrere konzentrische Codierkanäle in radialer Richtung. Jeder Kanal besteht aus lichtdurchlässigen und nicht lichtdurchlässigen Bereichen. Die Anzahl der Bereiche benachbarter Codierkanäle ist doppelt so groß, und die Anzahl der Codierkanäle auf der Codierplatte entspricht der Anzahl der Binärziffern. Je nach Position der Codierplatte wird jedes lichtempfindliche Element entsprechend dem Lichteinfall in ein entsprechendes Signal umgewandelt, wodurch die Binärzahl entsteht.

Dieser Encodertyp zeichnet sich dadurch aus, dass kein Zähler benötigt wird und ein fester, der Position entsprechender digitaler Code an jeder beliebigen Position der Drehachse ausgelesen werden kann. Je mehr Codekanäle vorhanden sind, desto höher ist die Auflösung. Bei einem Encoder mit N-Bit-Binärauflösung muss die Codescheibe N Codekanäle aufweisen. Derzeit sind in China 16-Bit-Absolutwertgeber erhältlich.

3. Funktionsprinzip des Encoders

Mithilfe einer fotoelektrischen Codierscheibe mit zentraler Achse sind kreisförmige Durchlicht- und Dunkelmarkierungslinien aufgebracht. Fotoelektrische Sende- und Empfangseinrichtungen lesen die Daten aus. Vier Gruppen von Sinussignalen werden zu A, B, C und D kombiniert. Jede Sinuswelle weist eine Phasenverschiebung von 90 Grad auf (360 Grad relativ zu einer Umfangswelle). Die Signale C und D sind invertiert und den Phasen von A und B überlagert, wodurch das Signal stabiler wird. Zusätzlich wird pro Umdrehung ein weiterer Z-Phasenimpuls ausgegeben, der die Nullposition als Referenzposition darstellt.

Da die beiden Phasen A und B um 90 Grad versetzt sind, lässt sich die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Encoders anhand der Phasenlage (Phase A oder Phase B) bestimmen. Das Nullreferenzbit des Encoders kann über den Nullimpuls ermittelt werden. Encoder-Codeplatten bestehen aus Glas, Metall oder Kunststoff. Glascodeplatten werden mit sehr dünnen, gravierten Linien versehen und zeichnen sich durch gute thermische Stabilität und hohe Präzision aus. Metallcodeplatten werden direkt beschriftet und sind nicht graviert, wodurch sie robust sind. Aufgrund der Materialstärke ist die Genauigkeit jedoch begrenzt und die thermische Stabilität um eine Größenordnung schlechter als bei Glas. Kunststoffcodeplatten sind kostengünstig, weisen aber eine geringere Genauigkeit, thermische Stabilität und Lebensdauer auf.

Auflösung - Der Encoder gibt an, wie viele durchgezogene oder dunkle Gravurlinien pro 360 Grad Drehung erzeugt werden. Diese Zahl wird als Auflösung bezeichnet, auch Auflösungsindexierung genannt, oder direkt als Anzahl der Linien, im Allgemeinen 5 bis 10000 Linien pro Umdrehung.

4. Prinzip der Positionsmessung und Rückkopplungsregelung

Encoder spielen eine zentrale Rolle in Aufzügen, Werkzeugmaschinen, der Materialbearbeitung, Motorrückkopplungssystemen sowie in Mess- und Regeltechnik. Der Encoder nutzt ein Gitter und eine Infrarotlichtquelle, um das optische Signal über einen Empfänger in ein elektrisches TTL-Signal (HTL-Signal) umzuwandeln. Durch die Analyse der Frequenz des TTL-Pegels und der Anzahl der High-Pegel werden der Drehwinkel und die Drehposition des Motors visuell erfasst.

Da Winkel und Position genau gemessen werden können, lassen sich Encoder und Wechselrichter zu einem geschlossenen Regelkreis zusammenfassen, um die Steuerung genauer zu gestalten. Deshalb können Aufzüge, Werkzeugmaschinen usw. so präzise eingesetzt werden.

5. Zusammenfassung 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Encoder anhand ihrer Bauart in inkrementelle und absolute Encoder unterteilen lassen. Beide wandeln Signale, beispielsweise optische, in elektrische Signale um, die analysiert und gesteuert werden können. Aufzüge und Werkzeugmaschinen basieren auf der präzisen Motorsteuerung. Durch die Regelung des elektrischen Signals im geschlossenen Regelkreis ist der Encoder mit dem Frequenzumrichter eine naheliegende Methode, um eine präzise Steuerung zu erreichen.