Neue Intelligenz für Drehgeber mit Kommutierung

Ein neuer Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten

Encoder-Benutzer nehmen Änderungen traditionell nur langsam an - aus gutem Grund. Motorsteuerungen in der Fabrik oder in einer Industrieanlage sind nicht der Ort für Innovationen, die Leistung und Zuverlässigkeit versprechen, aber nicht über eine Erfolgsbilanz und eine substantielle Einsatzzeit verfügen, um dies abzusichern. Obwohl optische und magnetische Encoder seit langem etabliert sind und scheinbar "greifbarere" physikalische Konzepte verwenden, verwendet der kapazitive Encoder ebenfalls vollständig getestete Prinzipien, wie durch viele erfolgreiche Jahre in diesem Bereich bewiesen wurde. Dieser alternative Ansatz zur Bewegungserfassung auf digitaler Basis eröffnet eine Reihe von Vorteilen und ermöglicht eine ganz neue Ebene der Intelligenz für Entwickler, die Kommutierungs-Encoder verwenden.

Drehgeber sind in fast alle Anwendungen der Bewegungssteuerung unabdingbar und kommen durch die immer umfangreichere Verwendung von bürstenlosen DC-Motoren (Brushless DC Motors, BLDC) immer häufiger zum Einsatz, da sie Vorteile hinsichtlich Steuerung, Präzision und Effizienz bieten. Die Aufgabe eines Drehgebers ist einfach: Anzeige der Positionen der Motorwelle für den Systemcontroller (Abbildung 1). Der Controller nutzt diese Informationen für eine akkurate und effiziente Kommutation der Motorwicklungen und auch für die Bestimmung von Drehzahl, Richtung und Beschleunigung. Diese Parameter werden im Bewegungssteuerkreis für die Aufrechterhaltung der gewünschten Motorleistung benötigt.

Abbildung 1: Drehgeber liefern Informationen über Richtung, Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Motorwelle.

Drehgeber können auf verschiedenen Technologien basieren, die allesamt digitale Standardwerte für die Quadratursignale A und B sowie bei einigen Modellen sogar eine Indexausgabe bieten (Abbildung 2a). Drehgeber mit Kommutierung (vollständige Beschreibung siehe unten) bieten zudem Werte für U-, V- und W-Kanäle in der Kommutierungsphase (Abbildung 2b).

Abbildung 2a: Standardmäßige A- und B-Quadratursignale plus ein Indexsignal, hier dargestellt für einen optischen Encoder.

Abbildung 2b: Die U-, V- und W-Wellenformen, die von einem Kommutierungs-Encoder erzeugt werden.

Encoder-Technologien

Die drei bekanntesten Encoder-Ansätze verwenden optische, magnetische oder kapazitive Techniken. Kurz gesagt, der optische Ansatz verwendet eine Schlitzscheibe, mit einer LED auf der einen Seite und Fototransistoren auf der gegenüberliegenden Seite. Wenn die Scheibe rotiert, wird der Lichtstrahl unterbrochen, und die sich daraus ergebenden Impulse zeigen die Rotation und Richtung der Welle an. Die optischen Drehgeber stellen zwar eine kostengünstige und effektive Variante dar, allerdings wird ihre Zuverlässigkeit durch zwei Faktoren beeinträchtigt: Zum einen können Verschmutzungen (z. B. Schmutz, Staub und Öl) den Lichtstrahl beeinträchtigen und zum anderen bieten die LEDs nur eine begrenzte Lebensdauer – sie verlieren in nur wenigen Jahren die Hälfte ihrer Helligkeit und brennen schließlich durch.

Der Aufbau des magnetischen Drehgebers ist ähnlich dem des optischen Drehgebers, außer dass er ein Magnetfeld statt eines Lichtstrahls verwendet. Anstelle der optischen Schlitzscheibe kommt eine magnetische Scheibe zum Einsatz, die sich über mehrere magnetische Widerstandssensoren dreht. Durch die Rotation der Scheibe wird eine Reaktion in diesen Sensoren erzeugt, die an eine signalerzeugende Frontend-Schaltung geleitet wird, um die Position der Welle zu bestimmen. Der magnetische Drehgeber bietet zwar eine lange Lebensdauer, allerdings nicht die gleiche Genauigkeit. Dieser Drehgeber ist zudem anfällig für magnetische Interferenzen, die von Elektromotoren erzeugt werden.

Ein dritter Ansatz, die kapazitive Kodierung, bietet alle Vorteile optischer und magnetischer Kodierungssysteme, jedoch ohne deren Schwächen. In dieser Version kommt dasselbe Prinzip zum Einsatz wie beim etablierten, günstigen und doch präzisen Messschieber. Er enthält zwei Muster mit Balken oder Linien - eines für das feste Element und das zweite für das bewegliche Element. Gemeinsam bilden sie einen variablen Kondensator, der als Sender-/Empfänger-Kombination ausgeführt ist (Abbildung 3). Wenn sich der Drehgeber dreht, zählt ein interner ASIC diese Linienwechsel und interpoliert, um die Position der Welle und die Drehrichtung zu ermitteln. Daraus werden die standardmäßigen Quadraturwerte und Kommutationswerte erzeugt, die andere Drehgeber für die Steuerung bürstenloser DC-Motoren verwenden.

Der Vorteil dieser kapazitiven Technologie ist, dass sie keine Verschleißteile enthält und nicht anfällig für Verschmutzungen wie Staub, Schmutz und Öl ist, die häufig in industriellen Umgebungen vorkommen. Diese Geräte sind daher zuverlässiger als optische Geräte. Kapazitive Drehgeber bieten zudem Leistungsvorteile, die mit ihren digitalen Steuerfunktionen verbunden sind. So kann u. a. die Auflösung des Drehgebers (Zahl der Impulse pro Drehung) eingestellt werden, ohne dass ein Drehgeber mit einer höheren oder geringeren Auflösung eingesetzt werden muss.

Abbildung 3: Ein kapazitiver Encoder zählt die empfangenen Impulse, die aus der Modulation des Sendesignals durch den an der Motorwelle befestigten Rotor resultieren.

Die beste aller Welten

Die neue AMT31-Serie von Same Sky ist ein Beispiel für einen hochmodernen kapazitiven Encoder, der A- und B-Quadratursignale, ein Indexsignal sowie U-, V- und W-Kommutierungsphasensignale liefert. Zur Auswahl stehen 20 einstellbare inkrementelle Auflösungen mit 48 bis 4096 Impulsen pro Umdrehung (Pulses per Revolution, PPR) und sieben Motorpol-Paare von 2 bis 20. Die AMT31-Serie bietet zudem eine Verschlussnabe zur Erleichterung der Installation. Sie wird über eine 5-V-Schiene betrieben und benötigt einen Speisestrom von nur 16 mA.

Die Vorteile des kapazitiven Drehgebers gehen jedoch über die hervorragende Leistung, Flexibilität und die kurz- und langfristige Zuverlässigkeit hinaus. Im Gegensatz zu optischen und magnetischen Encodern führt die digitale Ausgangsseite das Systemdesign ins 21. Jahrhundert und bietet viele einzigartige Systemvorteile in allen Phasen der Encodernutzung, von der Produktentwicklung über die Installation bis hin zur Wartung.

Warum ist das so? Die Ausgänge der optischen oder magnetischen Drehgeber sind zwar funktional, aber „dumm“. Sie bieten Anwendern keine Flexibilität, keine Einblicke oder betrieblichen Vorteile. Kapazitive Drehgeber funktionieren dagegen auf digitaler Basis und nutzen einen integrierten ASIC und einen Mikrocontroller, wodurch zusätzliche Funktionen und eine bessere Leistung möglich sind. Diese intelligenten Werte beeinflussen die Anwendung und Leistung auf verschiedene Art und Weise, während gleichzeitig eine 100-prozentige Kompatibilität mit den Werten standardmäßiger Drehgeber erreicht wird.

Wesentliche, vorteilhafte Veränderungen sind vorhanden

Betrachten wir die Verbesserungen, die durch den ASIC und den Mikrocontroller ermöglicht werden, die Teil eines kapazitiven Encoders wie der AMT31-Serie von Same Sky sind, etwas genauer:

• Der digitale Charakter des kapazitiven Encoders von Same Sky ermöglicht einen einfachen und schnellen „One Touch“-Nullabgleich. Dieser Vorgang ist kinderleicht: Sie verriegeln die Welle in der gewünschten Position durch Anregung der entsprechenden Motorphasen und geben dem Drehgeber den Befehl zur „Nullstellung“ in dieser Position. Dies dauert insgesamt nur ein bis zwei Minuten und erfordert kein spezielles Werkzeug.

Die Nullrückstellung bei der mechanischen Ausrichtung der Kommutierungssignale und Motorwicklungen mit einem optischen oder magnetischen Drehgeber ist dagegen ein mehrstufiger, komplexer und häufig auch frustrierender Prozess. Er erfordert die Feststellung des Rotors, die physische Ausrichtung und anschließend das Zurückfahren des Motors bei gleichzeitiger Verwendung eines Oszilloskops zur Überwachung der hinteren EMF und der Wellenformen des Drehgebers, um eine ordnungsgemäß genullte Kreuzausrichtung zu erreichen. Hierbei handelt es sich häufig um einen Wiederholungsprozess, d. h. die Schritte müssen zur Abstimmung und Prüfung in der Regel mehrmals wiederholt werden. Der gesamte Prozess kann daher zwischen 15 und 20 Minuten dauern.

• Die digitalen Funktionen der AMT-Serie sorgen weiterhin für eine deutliche Verbesserung der Systemplanung, denn sie bieten Flexibilität, Diagnosefunktionen und ermöglichen eine Bewertung der Leistung von Motor und Motor-Controller. Da ein einziger kapazitiver Drehgeber eine Vielzahl von Auflösungen und Polpaar-Werten unterstützen kann, können Designer diese programmierbare Auflösungsfunktion einsetzen, um die Reaktion und Leistung des PID-Steuerkreises bei der Entwicklung von Controller und Algorithmus dynamisch einzustellen, ohne einen komplett neuen Drehgeber kaufen und installieren zu müssen.

Die in die AMT-Serie eingebaute Intelligenz ermöglicht auch eine Onboard-Diagnose für eine schnellere Analyse von Feldausfällen - eine Branchenneuheit. Der Drehgeber kann abgefragt werden, um seinen ordnungsgemäßen Betrieb oder Störungen aufgrund von mechanischen Ausrichtungsfehlern der Welle oder anderen Fehlern festzustellen. Der Designer kann also schnell herausfinden, ob eine Störung im Drehgeber vorliegt, und ggf. an anderer Stelle nach der Ursache eines Problems suchen. Das heißt, der Drehgeber selbst kann schnell als Problemquelle ausgeschlossen werden. Darüber hinaus können Ingenieure diese Funktion für vorbeugende Maßnahmen nutzen - zum Beispiel die Ausführung einer "Encoder good"-Testsequenz vor der Ausführung der Anwendung. Diese Fähigkeiten, die bei optischen oder mechanischen Encodern nicht verfügbar sind, ermöglichen es den Konstrukteuren, Ausfallzeiten auf ein Minimum zu beschränken und gleichzeitig Probleme, die bei den Geräten im Feld auftreten könnten, zu antizipieren.

• Durch die digitale Oberfläche kann zudem die Stückliste (Bill of Materials, BOM) vereinfacht werden. Da der Drehgeber über die Software gemäß den notwendigen Anforderungen zugeschnitten werden kann (PPR, Polpaare und Kommutierungsrichtung), müssen keine verschiedenen Versionen, die in Produkten mit mehreren Motoren oder für verschiedene Produkte erforderlich sind, am Installationsort aufgeführt und vorgehalten werden.

Intelligenter Encoder plus GUI: leistungsstarke Paarung

Die Windows-PC-basierte Software AMT Viewpoint™ für kapazitive Encoder von Same Sky beschleunigt die Entwicklung und verwandelt zeitraubende alltägliche Aufgaben wie die Identifizierung von Modellnummer und Version in einfache Vorgänge. Dafür sind lediglich ein USB-Kabel zur Anbindung des Drehgebers und die Implementierung eines einfachen seriellen Datenformats erforderlich.

Über die GUI kann der Anwender den Drehgeber auf die Vorgaben der Anwendung einstellen und zuschneiden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Software AMT Viewpoint von Same Sky bietet eine benutzerfreundliche Entwicklungsoberfläche.

Über eine Einstellungsmaske in der GUI können Anwender wichtige Wellenformen und Zeitwerte des Drehgebers abrufen, die bei Änderung der Drehgeber-Optionen automatisch angepasst werden. Die Programmierung des Drehgebers über die GUI erfordert nur wenige Schritte und kann in ca. 30 Sekunden abgeschlossen werden. Im Vergleich zu einem nicht programmierbaren Drehgeber ist der wichtigste Unterschied jedoch, dass die Ausrichtung und Nullrückstellung eines Drehgebers im A-/B-, Index- oder Umschaltmodus nur wenige Sekunden erfordert.

Im Demo-Modus können Anwender die GUI kennenlernen und einige Arbeitsschritte für den Drehgeber so ausführen, als wäre dieser tatsächlich angeschlossen. So können sie sich schnell und bequem mit den Geräten und Tools vertraut machen, bevor der Kauf oder der Einsatz im Feld erfolgt. Die GUI unterstützt schließlich auch die Erstellung von bestellbaren Teilenummern für spezielle Drehgeber-Versionen, die u. a. Optionen für das Ausgabeformat, Hülsenadapter (Bohrhülse) und Befestigungssockel beinhalten.

Zusammenfassung

Die Vorteile von kapazitiven Drehgebern gehen weit über eine verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit hinaus. Ein Baustein wie der AMT31 von Same Sky bietet mit seinem eingebauten ASIC/Mikrocontroller intelligente Funktionalität, die programmierbare Einrichtungs- und Installationsfunktionen unterstützt, Einblicke in den Betrieb ermöglicht und das Bestandsmanagement vereinfacht. Werden diese Funktionen mit der PC-basierten GUI kombiniert, ermöglicht dies die Umsetzung benutzerfreundlicher und anspruchsvoller Fähigkeiten, die alle Aspekte der Verwendung von Drehgebern erleichtern - vom Entwurf, der Bewertung und Fehlerbehebung in Verbindung mit Prototypen, über Installation und Konfiguration, bis hin zu Diagnosefunktionen und Bestandsreduzierung. Die Kosten dieses vielseitigen Drehgebers sind mit den Preisen anderer Drehgeber vergleichbar, während gleichzeitig die Kompatibilität mit standardmäßigen Ausgabetypen und -formaten aufrechterhalten und ein geringerer Stromverbrauch erreicht werden kann. Der AMT31 mit seinen einfach zu montierenden Adaptern für verschiedene Wellengrößen (Abbildung 5) stellt den logischen nächsten Schritt dar, um die Leistungsfähigkeit einer intelligenten Schnittstelle zu nutzen und so weitreichende Vorteile zu erzielen, die mit anderen Encoder-Technologien nicht verfügbar sind.

Abbildung 5: Der AMT31-Encoder von Same Sky bietet eine einzigartige Kombination aus Langlebigkeit und Flexibilität.