Encoder für nachhaltige Anwendungen

In den vergangenen Jahrzehnten war ein Trend weg von traditionellen, direkt am Netz betriebenen Motoren und hin zu mit Invertern betriebenen Motoren zu beobachten. Diese Veränderung im Bereich rotierender industrieller Anlagen hat zu enormen Prozess und Energieeinsparungen geführt und den Weg zu einer effizienteren Nutzung von Motoren und Anlagen geebnet. Leistungsfähigere Motorregelungen mit variabler Drehzahl sowie Servosysteme haben außerdem bewirkt, dass anspruchsvolle Anwendungen mittlerweile von einem Plus an Qualität und Synchronisation profitieren. Die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad von Motoren profitieren gleichermaßen vom Einsatz eines Leistungs-Umrichters, einer leistungsfähigen Positionserfassung sowie einer Spannungs und Stromregelung, wie sie in der Leistungsstufe in Bild 2 enthalten sind.

Tatsächlich sind Roboter und diskrete Regelungssysteme auf präzise, reproduzierbare Informationen zur Drehzahl und Position der Motorwelle angewiesen. Diese Informationen werden von Positions Encodern (Positionsgebern) geliefert, die die Drehzahl und die Lage einer rotierenden Welle verfolgen und entsprechende Rückmeldesignale erzeugen. Die größte Verbreitung haben optische und magnetische Encoder (Bild 3). In universellen Servoantrieben dienen sie zum Messen der Position der Welle, aus der sich wiederum die Drehzahl ableiten lässt. Optische Encoder enthalten eine Glasscheibe mit geätzten oder aufgedruckten feinen Strichen, die mithilfe einer Fotodiode abgetastet werden. Das analoge Ausgangssignal wird verstärkt, digitalisiert und über ein Kabel an den Wechselrichter weitergeleitet. Bei magnetischen Encodern sind an der Motorwelle Magnete angebracht, deren Felder von den Magnetfeld Sensoren in Sinus und CosinusAusgangssignale umgewandelt werden, die ebenfalls verstärkt und digitalisiert werden. Wie die Abbildung (Bild 3) verdeutlicht, haben die Signalketten für optische und magnetische Sensoren große Ähnlichkeit.

Typen, Technologien und Kenndaten von Motor-Encodern

Singleturn-Absolutwert-Encoder liefern unmittelbar nach dem Einschalten eine Information über die absolute Position (innerhalb mechanischer oder elektrischer 360°), sodass die Position der Motorwelle unmittelbar ausgelesen werden kann. Multiturn Absolutwert Encoder geben nicht nur die Lage der Motorwelle als Absolutwert aus, sondern zählen überdies auch die Anzahl der 360°-Umdrehungen. Im Gegensatz dazu liefern Inkremental Encoder eine Positionsinformation, bezogen auf den Beginn der Rotation. Sie enthalten eine Referenzmarke zur Kennzeichnung der 0°-Position und geben entweder Einzelimpulse zum Zählen der Umdrehungen oder aber Doppelimpulse aus, damit zusätzlich eine Information über die Drehrichtung zur Verfügung steht.

Unter der Auflösung eines Encoders versteht man die Zahl der Positionen, die über eine 360°-Drehung der Motorwelle hinweg unterschieden werden können. Eine wichtige Kennzahl ist die Wiederholgenauigkeit eines Encoders. Diese gibt an, wie genau der Encoder wieder an eine bestimmte Sollposition zurückkehren kann.