Hva slags enkoderfunksjoner øker robustheten? Faststoffelektronikk (solid-state electronics), kanskje?

Enkodere brukes overalt, fra BattleBots (krigsroboter) til Mars Rover (romkjøretøy), fra store anleggsmaskiner til produksjonsutstyr for halvledere og i en rekke medisinske og militære bruksområder.

Kort sagt, der det finnes bevegelse, kan du være sikker på at det finnes en enkoder. De er kanskje ikke like glamorøse som noen av produktene de sitter i, men de er kritiske for dagens komplekse og sofistikerte bevegelsesstyringssystemer.

Roterende kodere er avgjørende komponenter i bevegelsesstyrings-tilbakeføringssløyfen i bruksområder innen industri, robotikk, luft- og romfart, energi og automasjon. De må fungere under vanskelige forhold med eksponering for støv, smuss og fett, varierende temperaturer og kraftige vibrasjoner.

I tillegg øker behovet for roterende kodere på grunn av den økte bruken av børsteløse DC-motorer (BLDC), hvor koderne tilfører fordeler for styring, presisjon og effektivitet. Enkoderen har en enkel oppgave: Den skal indikere posisjonen for motorakselen til systemstyringen. Med disse dataene kan styringen nøyaktig kommutere motorviklingen og avgjøre hastighet, retning og akselerasjon – parametere som en bevegelsesstyringssløyfe må opprettholde for å innfri motorens målytelse. I bruksområder med roterende koder er det behov for langvarig pålitelighet, holdbarhet og optimert ytelse, alt dette viser at en intelligent roterende koder blir stadig viktigere i de fleste bruksområder som krever presis bevegelsesstyring.

Tilkomsten av nye tilnærminger som bruker intelligent funksjonalitet, fører med seg nye kapasiteter og muligheter som utvider horisonten til den lille koderen.

Selv om de er viktige, anses ofte roterende kodere som dumme enheter som bare gir pulssignaler til en styring på høyere nivå. Enkoderbrukere anses vanligvis som motvillige for forandringer, men nå kan de stole mer på teknologier slik som kapasitive enkodere med sine fullt utprøvde prinsipper og mange suksessfulle år i felten.

Med tilføyelsen av en mikrostyring og tilpasset ASIC-er i designen har enkoderen blitt betydelig mer allsidig, noe som gir muligheten til raskt å konfigurere enkoderens oppløsning, nullstilling og polantall. Denne digitale tilnærmingen til bevegelsesavsøking gir fordeler og et nytt nivå av intelligens for designere som bruker roterende kommuteringsenkodere.

Tre typer enkoderteknologier – fordeler og ulemper

De tre mest kjente enkodermetodene bruker optiske, magnetiske eller kapasitive teknikker.

Optiske oppsett bruker en skive med spor med en LED på den ene siden og bildeomformere på den andre. Skiven roterer og bryter lysbanen, slik at de resulterende pulsene indikerer akselretning og -rotasjon (figur 1). Disse er billige, men påliteligheten til den optiske enkoderen forverres med forurensninger som smuss, støv og olje … og LED-ene har en begrenset levetid.

Figur 1: Dette er et tradisjonelt oppsett for optisk enkoder. (Bildekilde: CUI Devices)

Konstruksjonen til en magnetisk enkoder ligner mye på en optisk enkoder, men den bruker et magnetfelt i stedet for en lysstråle. I stedet for et optisk hjul med hull, har den en magnetisert skive som spinner over en magnetoresistiv sensormatrise. Hjulrotasjonen fremkaller et svar i disse sensorene, som går til en signalbehandlende front-end-krets for å bestemme akselposisjon. Selv om de tilbyr høy holdbarhet, er ikke magnetiske enkodere like nøyaktige, og de er mottakelige for magnetisk interferens som stammer fra elektriske motorer og stasjoner.

Kapasitive enkodere har de samme fordelene som optiske og magnetiske enkodere, uten ulempene. De er mye mer robuste og ganske ufølsomme for miljøpartikler og magnetisk interferens. En kapasitiv enkoder har to linjemønstre med ett satt på et fast element, og det andre satt på et bevegelig element. Sammen danner disse en variabel kondensator som er konfigurert som en sender-mottaker-sammenkobling (figur 2). Enkoderen roterer for å utløse en integrert ASIC for å telle linjeendringer og interpolerer for å spore akselretningen med standard kvadraturutganger – samt kommuteringsutganger som andre koder leverer for å styre BLDC-motorer.

Figur 2: Dette er kapasitiv avsøking med kvadraturrader med søyler og utgangsbølgeformer. (Bildekilde: CUI Devices)

Digital forbedring av enkodertilbakekobling

Kapasitive enkodere gir robust ytelse. I tillegg (i motsetning til optiske og magnetiske enkodere) tar den digitale utgangen designen inn i det 21. århundre – og gjør produktutvikling, installasjon og til og med vedlikehold enklere.

Én fordel er enkoderens evne til å justere oppløsning (antall pulser per omdreining) uten at det kreves en bryter til en enkoderskive med høyere eller lavere oppløsning. Dette øker fleksibiliteten under utviklingen når optimaliseringen av styringssløyfe finner sted.

Den digitale teknologien legger også til rette for enkel «ett-trykk»-nullstilling for rask og enkel installering og justering av kommuteringssignaler med BLDC-motorviklinger. Her låser brukeren akselen i målposisjonen ved å aktivisere de riktige motorfasene, og sender kommando til enkoderen om å nullstille ved denne posisjonen. Det kreves ingen spesialverktøy, og total tid for å utføre denne funksjonen er et par minutter. Til sammenligning er nullstilling av en optisk eller magnetisk enkoder (for mekanisk justering av kommuteringssignaler til motorviklinger) en kompleks og frustrerende prosess som kan ta 20 minutter.

Med intelligensen som er bygd inn i CUIs AMT-serie, sammen med det tilhørende AMT Viewpoint GUI, får du også en innebygd diagnostikk for raskere analyse av feltfeil, muligheten til å kjøre forebyggende tiltak som en «enkoderbekreftelse»-testsekvens og raskere tid til markedet.

Slike diagnostiske data hjelper utvikleren under designarbeidet med å eliminere enkoderen fra mistenktlisten under feilsøking.

Diagnostikk hjelper også i felten ved å gi sluttbrukernes innsikt i enkoderhelsen før svikt … og bidrar til å skille enkoderoppførsel fra analysen av motordrift for vedlikeholdsformål. Dette kan spore problemer som feiljustering eller lagerslitasje. Med innebygd diagnostikk kan systemer bekrefte at enkodere er i drift før motorer startes i kritiske bruksområder for bevegelsesstyring. Dette gjøres for å unngå potensiell skade.

Smarte funksjoner og IoT-tilkobling for alle enkodertyper

Fordelene med AMT-enkoderserien basert på kapasitiv teknologi er mye mer enn bare forbedret ytelse og pålitelighet. De leverer intelligent funksjonalitet samt en hel rekke programmerbare oppsetts- og installasjonsfunksjoner. Digital teknologi er neste trinn i å utnytte kraften i et intelligent grensesnitt for å få fordeler som ikke er tilgjengelige med tradisjonelle enkoderteknologier.