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Vorteile und praktische Anwendungsbeispiele für hochauflösende Encoder
Hochauflösende Encoder kommen in den letzten Jahren vermehrt auf den Markt. Mit dem kompakten ENX 16 RIO hat auch maxon motor ein High-End-Modell vorgestellt. Doch welche Applikationen profitieren am meisten von einer hohen Encoderauflösung?
Die Anforderungen an Encoder nehmen immer weiter zu. Das gilt besonders bei Positionieranwendungen wie zum Beispiel der Platzierung elektronischer Bauteile. Grund hierfür sind die steigende Anzahl elektrischer Kontakte bei gleichzeitig schrumpfenden Gehäuseabmessungen moderner, hochkomplexer und integrierter Schaltkreise wie Mikroprozessoren oder programmierbarer Logikbausteine (FPGA). Zum Beispiel erfordert ein WF-XBGA-Gehäuse nach der JEDEC-Norm MO-298 mit bis zu 2601 Kontakten im Rastermass 0.4 mm eine Positioniernauigkeit von 0.4°m oder 1/900 einer Umdrehung. Ein für diese Aufgabe geeigneter Rotationsencoder sollte eine etwa zehnfach höhere Auflösung haben. Für einen Inkremental-Encoder ergibt sich somit eine Auflösung mit einer Impulszahl pro Umdrehung (cpt) von mindestens 2250.
Für Anwendungen mit hochkonstanter Geschwindigkeitsregelung sind die Anforderungen an die Encoderauflösung nochmals wesentlich höher: Aufgrund eines quadratischen Zusammenhangs zwischen der geforderten maximalen Abweichung der Drehzahl vom Sollwert und der notwendigen Encoderauflösung sind hier Encoder mit einer Impulszahl pro Umdrehung von mehreren 10000 gefordert. Dabei gilt: je kleiner und trägheitsarmer das Antriebssystem, desto höher ist die erforderliche Auflösung.
Encoder sollten robust und kompakt sein
In beiden Anwendungsfällen wird für ein agiles, dynamisches Endsystem eine verhältnismässig hohe maximale Drehzahl mit fehlerfreier Encoderfunktion verlangt, zusätzlich zu einer hohen Auflösung. Nicht zuletzt soll auch ein hochauflösender Encoder möglichst wenig zusätzlichen Bauraum beanspruchen und elektrisch wie mechanisch robust sein.
ENX 16 RIO Encoder
Die neue maxon Lösung mit einer Impulszahl pro Umdrehung von 65536
Der Encoder ENX 16 RIO von maxon (RIO steht dabei für Reflektiv, Interpoliert, Optisch) erfüllt die geforderten Eigenschaften eines hochauflösenden optischen Encoders in einer besonders kompakten Bauform. Durch den Einsatz neuester Technologien erreicht er eine Impulszahl pro Umdrehung von bis zu 65536. Dank einer spritzgegossenen Bauweise ist sein Gehäuse mit 16 mm Aussendurchmesser und 7 mm Baulänge mechanisch sehr robust.
Installation direkt auf der Motorwelle
Der ENX 16 RIO ist ein inkrementeller Dreikanalencoder mit differenziellen EIA-RS422-kompatiblen Ausgangssignalen. Die Auflösung ist von einer Impulszahl pro Umdrehung von 512 bis zur maximalen Auflösung werksseitig konfigurierbar. Bis zu einer Auflösung von 4096 Impulsen pro Umdrehung arbeitet der Encoder fehlerfrei bis zur Drehzahl von 40000 U/min. Bei doppelter Auflösung halbiert sich die maximale Drehzahl aufgrund der maximalen Ausgangspulsfrequenz von 3 MHz. Allerdings sind mit sehr hohen Auflösungen von 16384 Impulsen pro Umdrehung immer noch 10000 U/min möglich, und das bei einer weiterhin sehr kompakten Bauform. Die hohe Geschwindigkeit wird durch das «fremdgelagerte» Konstruktionsprinzip ohne federnde Kupplungselemente unterstützt – durch die Montage des Target direkt auf die Motorwelle kann die volle Dynamik in Positionieranwendungen genutzt werden.
Beim ENX 16 RIO Encoder kommt eine Strichscheibe mit 256 Strichen zum Einsatz. Mit der programmierbaren Interpolation bis 256 wird eine Auflösung von bis zu 65536 Impulsen pro Umdrehung erreicht. Durch Quadraturauswertung der Inkremente beträgt die maximale Positionsauflösung daher 18 bit. Der Encoder ist trotz seiner hohen Auflösung sehr robust: Der Betriebstemperaturbereich beträgt -40 °C bis +100 °C. Die kunststoffummantelte Leiterplatte ergibt in Kombination mit dem passenden Motorflansch ein staubdichtes Gehäuse nach IP5x. Damit eignet sich der optische Encoder auch für den Einsatz in «schmutzigen» Umgebungen. Der ENX 16 RIO bietet Ingenieur:innen eine modulare Lösung für eine grosse Palette von maxon DC-Motoren. Kombinationen sind möglich für Direktantriebslösungen auf Basis der Baureihen DCX 16 bis DCX 35, EC-4pole 22 und EC-4pole 30 sowie der eisenbehafteten Innenläufermotoren EC-i 30, EC-i 40 und EC-i 52.
Von 3D-Druckern bis hin zu Operationsrobotern
In Tabelle 1 sind die wichtigsten Kenndaten des Encoders ENX 16 RIO zusammengefasst. Dieser neue hochauflösende Encoder ist dabei besonders geeignet für hochpräsize Positions- und Drehzahlregelung. Wegen der hohen maximalen Impulsfrequenz und des fremdgelagerten Bauprinzips sind kaum Kompromisse bei der Geschwindigkeit und Dynamik der Regelungsaufgabe nötig. Das robuste Gehäuse im ENX-Format, der grosse Betriebstemperaturbereich, die differenzielle RS-422-Schnittstelle und die staubdichte Montage auf den angegebenen maxon Motoren ermöglichen neue Lösungen in vielen hochwertigen Anwendungsgebieten: Präzisionmesstechnik, Druckmaschinen, Delta-Roboter, 3D-Drucker, Plotter, Operationsroboter, haptische Anwendungen, elektronische Bauteileplatzierung und vieles mehr. Nicht zu vergessen: Um den vollen Nutzen aus diesem Encoder zu ziehen, müssen auch der Positions- beziehungsweise Drehzahlregler entsprechend dynamisch und gut eingestellt sein, was mit maxons performanten Motion Controllern wie ESCON, EPOS4 und MAXPOS möglich ist. Ebenfalls müssen die abtriebsseitigen mechanischen Komponenten höchsten Qualitäts- und Präzisionsanforderungen genügen. Vorzugsweise werden hochauflösende Encoder daher in direkt angetriebenen Applikationen eingesetzt.
