Kapazitive, magnetische und optische Encoder – Vergleich der Technologien

25. Juni 2019 von Jeff Smoot

Kapazitive, magnetische und optische Encoder – Vergleich der Technologien

Wenn es um eine präzise Bewegungssteuerung geht, ist ein Encoder eine wesentliche Komponente, die mechanische Bewegung in elektrische Signale umwandelt. Encoder werden in vielen Anwendungen wie in Automatisierungsgeräten, industrieller Prozesssteuerung oder Robotik verwendet und liefern Daten zu Position, Geschwindigkeit, Entfernung und Richtung. Auf dem Markt stehen drei Hauptencoder-Technologien zur Auswahl: magnetisch, optisch und kapazitiv. Dieser Blog beschreibt die Betriebsprinzipien jeder Technologie und hebt einige der inhärenten Vorteile der kapazitiven Drehgebertechnologie hervor.

Merkmale der Hauptencoder-Technologien

Magnetischer Encoder

Magnetische Encoder bestehen aus einer drehbaren magnetisierten Scheibe mit wechselnden Polen und einem Hall-Effekt- oder Magnetwiderstandssensor, der durch die Erkennung von Änderungen in Magnetflussfeldern funktioniert. Magnetische Encoder sind robust und vertragen Erschütterungen und Vibrationen sehr gut, ohne dass Öl, Schmutz oder Feuchtigkeit eindringen. Andererseits sind sie anfällig für durch Elektromotoren verursachte magnetische Störungen und haben einen begrenzten zulässigen Betriebstemperaturbereich. Zwar wurden viele Verbesserungen an magnetischen Encodern vorgenommen, diese bieten jedoch in der Regel eine geringere Auflösung und Genauigkeit als optische und kapazitive Alternativen.

Optische Drehgeber

Im Vergleich zu einem magnetischen Encoder kann ein optischer Encoder eine höhere Auflösung und eine höhere Genauigkeit bieten. Ein optischer Encoder besteht aus einer LED-Lichtquelle (typischerweise Infrarot) und Fotodetektoren, die sich auf gegenüberliegenden Seiten einer Codierscheibe aus Glas oder Kunststoff befinden. Die Codierscheibe enthält eine Reihe alternierender transparenter und opaker Linien oder Schlitze. Wenn sich die Scheibe dreht, liefert das periodische Durchscheinen des Lichts durch die Fenster die typischen Rechteckwellen-A- und B-Quadraturimpulse. Obwohl optische Encoder seit Jahrzehnten den Markt für Bewegungssteuerungen beherrschen, weisen diese Geräte auch inhärente Nachteile auf. Da ein optischer Encoder auf „Sichtlinie“ beruht, ist er besonders anfällig für Staub, Schmutz und Öl. Optische Scheiben werden in der Regel aus Glas oder Kunststoff hergestellt. Dadurch können sie durch Vibrationen, extreme Temperaturen und Verschmutzungen beim Zusammenbau auf einem Motor beschädigt werden. Im Betrieb verbraucht ein optischer Encoder auch Strom ab 100 mA und seine Lebensdauer wird letztendlich durch die LED begrenzt.

Kapazitive Encoder

Ein kapazitiver Encoder besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Rotor, einem stationären Sender und einem stationären Empfänger. Der Rotor enthält ein sinusförmiges Muster und während er sich dreht, wird das Hochfrequenzreferenzsignal des Senders auf vorhersagbare Weise moduliert. Der Encoder erkennt die Änderungen der Kapazitätsreaktanz auf der Empfängerplatine und setzt sie mithilfe eines Demodulationsalgorithmus in Drehbewegungsinkremente um.

 Bild einer kapazitiven, optischen und magnetischen Codierscheibe nebeneinander
Vergleich einer kapazitiven, optischen und magnetischen Codierscheibe

Vorteile kapazitiver Encoder

Kapazitive Encoder basieren auf den gleichen Prinzipien wie digitale Messschieber und haben eine hervorragende Erfolgsbilanz, seit CUI die erste Generation 2006 auf den Markt brachte. Die AMT-Serie hat sich als äußerst zuverlässig und genau erwiesen und viele Anwendungsprobleme der optischen und magnetischen Technologie gelöst. Ein kapazitiver Encoder ist robuster als ein optischer Encoder und verträgt eine Reihe von Umweltverschmutzungen wie Staub, Schmutz und Öl. Kapazitive Encoder halten auch Vibrationen und extremen Temperaturen viel besser stand. Darüber hinaus haben sie ohne LED eine längere Lebensdauer, einen geringeren Platzbedarf und einen geringeren Stromverbrauch (6 bis 18 mA) als ein optischer Encoder. Sie sind unempfindlich gegen magnetische Interferenzen und elektrische Störungen und so robust wie magnetische Encoder, bieten jedoch eine höhere Genauigkeit und Auflösung.

Aufgrund ihrer digitalen Natur bieten kapazitive Encoder auch eine größere Flexibilität, sodass Benutzer die Auflösung des Encoders ändern können. Bei anderen Technologien wird die Auflösung durch die Codierscheibe bestimmt. Dies bedeutet, dass ein optischer oder magnetischer Encoder jedes Mal ausgetauscht werden muss, wenn eine andere Auflösung benötigt wird. Die in kapazitiven Encodern verfügbaren programmierbaren Auflösungen sind nicht nur für die Systemoptimierung nützlich, insbesondere beim Entwurf des PID-Regelkreises, sondern können den Lagerbestand verringern, da ein Modell für mehrere Anwendungen verwendet werden kann. Die kapazitive Technologie ermöglicht auch die digitale Einstellung des Indeximpulses und der Ausrichtung des Encoders für die BLDC-Kommutierung, während die integrierten Diagnosefunktionen Entwicklern den Zugriff auf wertvolle Systemdaten für eine schnelle Fehlerbehebung vor Ort ermöglichen.

Kapazitiv Optisch Magnetisch
Widerstand gegen Schmutz, Staub, Öl Hoch Gering Hoch
Genauigkeit Hoch Hoch Gering
Temperaturbereich Breite Mittel Eng
Stromverbrauch Gering Hoch Mittel
Programmierbarkeit Ja Nein Nein
Packungsgröße Gering Mittel Mittel
EMV-Störfestigkeit Hoch Hoch Hoch
Magnetische Störfestigkeit Hoch Hoch Gering
Auflösungsbereich Breite Breite Eng
Vergleich der Kompromisse zwischen den Encodertechnologien

Lösen der Kompromisse

Unabhängig von den Systemanforderungen bietet ein kapazitiver Encoder eine vielseitige, kostengünstige und zuverlässige Alternative zu optischen oder magnetischen Erfassungstechnologien. Die kapazitive Codierung bietet nicht nur eine hervorragende Leistung in Bezug auf Genauigkeit und Zuverlässigkeit unter praktisch allen Umgebungsbedingungen, sondern bietet durch den inhärenten digitalen Betrieb auch Programmierbarkeit und verbesserte Diagnosefunktionen und bleibt gleichzeitig mit der herkömmlichen Encoderfunktion kompatibel.

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Jeff Smoot

Jeff Smoot

VP of Application Engineering & Motion Control

Seit Jeff Smoot im Jahr 2004 zu CUI stieß, hat er die Qualitäts- und Engineering-Abteilungen der Firma revitalisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung, Unterstützung und Markteinführung von Produkten. Mit dem Fokus auf dem Erfolg des Kunden hat er auch die Einrichtung eines Application-Engineering-Teams vorangetrieben, um den Ingenieuren und Technikern während des Designprozesses online und vor Ort eine bessere Design- und technische Unterstützung zu bieten. Nach der Arbeit genießt Jeff die freie Natur (Skifahren, Rucksackreisen, Camping), verbringt Zeit mit seiner Frau und vier Kindern und ist ein lebenslanger Fan der amerikanischen Football-Mannschaft Denver Broncos.

 
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