Kapazitive, Magnetische und Optische Encoder – Ein Vergleich der Technologien

Merkmale der primären Encoder-Technologien

Magnetische Encoder Ein magnetischer Encoder besteht aus einer rotierenden magnetisierten Scheibe mit wechselnden Polen und einem Hall-Effekt- oder magnetoresistiven Sensor. Er funktioniert, indem er Veränderungen in Magnetflussfeldern erkennt. Magnetische Encoder sind robust und kommen sehr gut mit Erschütterungen und Vibrationen zurecht, während sie unempfindlich gegenüber dem Eindringen von Öl, Schmutz und Feuchtigkeit sind. Andererseits sind sie anfällig für magnetische Störungen, die durch Elektromotoren verursacht werden, und haben einen begrenzten Betriebs-Temperaturbereich. Obwohl viele Verbesserungen an magnetischen Encodern vorgenommen wurden, liefern sie typischerweise eine geringere Auflösung und Genauigkeit als optische und kapazitive Alternativen.

Optische Encoder
Im Vergleich zu einem magnetischen Encoder kann ein optischer Encoder eine höhere Auflösung und Genauigkeit bieten. Ein optischer Encoder besteht aus einer LED-Lichtquelle (typischerweise Infrarot) und Fotodetektoren, die sich auf gegenüberliegenden Seiten einer Encoder-Scheibe aus Glas oder Kunststoff befinden. Die Encoder-Scheibe enthält eine Reihe von abwechselnden transparenten und undurchsichtigen Linien oder Schlitzen. Während sich die Scheibe dreht, erzeugt das Ein- und Ausschalten des Lichts, das durch die Fenster passiert, die typischen A- und B-Quadratur-Impulswellen in Form eines Rechtecksignals. Obwohl optische Encoder den Bewegungssteuerungsmarkt seit Jahrzehnten dominieren, haben diese Geräte auch inhärente Nachteile. Da ein optischer Encoder auf "Sichtlinie" angewiesen ist, sind sie besonders anfällig für Staub, Verschmutzung und Öl. Optische Scheiben werden typischerweise aus Glas oder Kunststoff hergestellt, wodurch sie anfällig für Schäden durch Vibrationen, extreme Temperaturen sowie Verunreinigungen während des Montageprozesses am Motor sind. Im Betrieb verbraucht ein optischer Encoder außerdem Strom von bis zu 100 mA, und seine Lebensdauer ist letztlich 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 hochfrequente Referenzsignal des Senders auf vorhersehbare Weise moduliert. Der Encoder erkennt die Änderungen der Kapazitätsreaktanz auf der Empfängerplatine und wandelt diese mittels eines Demodulationsalgorithmus in inkrementelle Drehbewegungen um.

Vorteile von kapazitiven Encodern

Abgeleitet von denselben Prinzipien wie digitale Messschieber, haben kapazitive Encoder seit der Einführung der ersten Generation durch Same Sky im Jahr 2006 eine hervorragende Erfolgsbilanz. Die AMT-Serie hat sich als äußerst zuverlässig und präzise erwiesen und viele Anwendungsprobleme gelöst, die bei optischen und magnetischen Technologien auftreten. Ein kapazitiver Encoder ist robuster als ein optischer Encoder und toleriert eine Vielzahl von Umweltverunreinigungen wie Staub, Schmutz und Öl. Kapazitive Encoder halten außerdem deutlich besser Vibrationen und extremen Temperaturen stand. Darüber hinaus hat er, da er keine LED enthält, eine längere Lebensdauer, einen kleineren Platzbedarf und einen geringeren Stromverbrauch (6 bis 18 mA) als ein optischer Encoder. Immun gegen magnetische Interferenzen und elektrische Störungen, ist er ebenso robust wie ein magnetischer Encoder, bietet jedoch eine höhere Genauigkeit und Auflösung.

Aufgrund ihrer digitalen Natur bieten kapazitive Encoder auch eine erhöhte Flexibilität, da Benutzer die Auflösung des Encoders ändern können. Bei anderen Technologien wird die Auflösung durch die Encoder-Scheibe bestimmt. Das bedeutet, dass ein optischer oder magnetischer Encoder jedes Mal ausgetauscht werden muss, wenn eine andere Auflösung benötigt wird. Die programmierbaren Auflösungen, die in kapazitiven Encodern verfügbar sind, sind nicht nur nützlich für die Systemoptimierung, insbesondere beim Entwurf der PID-Regelschleife, sondern können auch die Lagerhaltung reduzieren, da ein Modell für mehrere Anwendungen verwendet werden kann. Die kapazitive Technologie ermöglicht außerdem das digitale Einstellen des Indeximpulses und der Ausrichtung des Encoders für die BLDC-Kommutierung, während ihre integrierten Diagnosetools Designern Zugang zu wertvollen Systemdaten für eine schnelle Fehlerbehebung im Einsatz bieten.

Bewältigung der Kompromisse

Unabhängig von den Systemanforderungen bietet ein kapazitiver Encoder eine vielseitige, kosteneffektive und zuverlässige Alternative zu optischen oder magnetischen Sensortechnologien. Kapazitive Encoder bieten nicht nur eine überlegene Leistung in Bezug auf Genauigkeit und Zuverlässigkeit unter nahezu allen Umgebungsbedingungen, sondern ihre inhärent digitale Arbeitsweise ermöglicht auch Programmierbarkeit und erweiterte Diagnostikfunktionen, während sie mit traditionellen Encoder-Funktionalitäten kompatibel bleiben.