ENCODERS ZORGEN VOOR FEEDBACK MOTORPOSITIE

Verschil in absolute en incrementele types

Encoders zijn een quasi onmisbare schakel in hedendaagse machines. Van windmolens tot plotters over robotica: overal vinden we encoders voor roterende assen. Er zijn hierbij twee hoofdtypes: de absolute en incrementele encoders. Maar wat zijn nu precies de verschillen tussen beide types?

ONMISBARE COMPONENT

Encoders zijn alomtegenwoordig, en hun toepassingen divers. Een greepje uit de mogelijkheden:

• Kantoor- en particulier gebruik: printers en scanners bulken van de encoders.
• Automotive: in voertuigen controleren encoders als sensor de snelheid van de motorbeweging.
• Industrieel: robots, CNC-machines, meerassige bewerkingsmachines en verpakkingsmachines... bevatten alle encoders.
• Medische sector: in geautomatiseerde labs dienen ze onder meer in dispensers, labelingmachines en medische scanners.
• Militair/wetenschap: radarinstallaties maken frequent gebruik van encoders.
• Energie: mogelijk het meest bekende voorbeeld vormen windmolens, waar encoders dienen als positiebepaler, maar ze zitten bijvoorbeeld ook in roterende zonnepaneleninstallaties.

Positiebepaling

Om de positie van een as te bepalen, zijn encoders bijna onmisbare schakels. Kort uitgelegd, zetten ze de beweging van de as om in een signaal dat bruikbaar is voor een verdere verwerking door bijvoorbeeld een PLC of een teller. Dat maakt het mogelijk om factoren zoals snelheid, positie en richting van de beweging te communiceren en gebruiken om verdere acties te starten of te stoppen.

Voornaamste voordelen

Naast hun onmisbare functie beschikken encoders over nog meer voordelen. Dat verklaart een deel van hun populariteit. Zo combineren een schappelijke prijs met een hoge resolutie. Ze zijn zeer accuraat en ook de betrouwbaarheid levert in principe weinig problemen op. Bovendien laten ze zich in bestaande installaties inbouwen en zijn ze compact in opbouw.

Voornaamste beperkingen

De beperkingen van encoders schuilen voornamelijk in de signaaloverdracht tussen zender en ontvanger. Bij encoders met een optische werking (zie verder) bestaat het risico op vervuiling van de uitgestuurde lichtstraal ten gevolge van de deflectie van vuildeeltjes, wat resulteert in een onjuist signaal op de uitgang. Bij encoders van het magnetische type kan er ook een vervorming optreden, maar dan in de vorm van magnetische interferentie. Verder gelden voor encoders dezelfde aandachtspunten als voor lagers: vuil, olie en stof.

Werkingsprincipes

De absolute en incrementele encoders verschillen voornamelijk in het type informatie over de positie die ze doorgeven. Overkoepelend voor beide systemen zijn er twee werkingsprincipes: optisch of magnetisch.

Optisch

Bij een encoder met optische pulsgever stuurt een led een lichtstraal naar een transparante schijf met daarop een ondoorzichtig lijnenpatroon. Aan de andere kant van de schijf detecteert een lichtsensor de gesegmenteerde lichtstraal, behalve wanneer het lijnenpatroon de straal onderbreekt. Afhankelijk van het ingevallen licht stuurt de sensor een sinusvormige spanning door, die omgezet wordt in een pulstrein.

Magnetisch

Bij een pulsgever op basis van magnetisme is de schijf licht magnetisch en voorzien van radiale verdikkingen. De ontvanger zal, afhankelijk van de schijfdikte op het moment, een variërend magnetisch veld detecteren via een Halleffectsensor of magnetoresistieve sensor. Op basis daarvan zal dit een pulstrein genereren die mee evolueert met het toerental van de schijf.

INCREMENTELE ENCODERS

Dit type encoder is de eenvoudigste vorm van terugkoppeling. Hier zal de encoder enkel aangeven dat hij een beweging gemaakt heeft. Hij geeft dus geen enkele indicatie over zijn exacte locatie, enkel dat de as een beweging maakt. Bij het herstarten moet telkens de startpositie teruggezet worden om de positie te kennen. We maken verder nog het onderscheid tussen een single channel, waarbij de meting slechts via één zender- ontvangerkanaal verloopt, en de dubbelkanaals quadrature-uitvoering. Die laatste maakt gebruik van een A- en B-kanaal die 90° faseverschil hebben ten opzichte van elkaar. Door het uiteindelijke faseverschil te meten ten opzichte van die oorspronkelijke 90°, kan ook de richting bepaald worden. Na een spanningsverlies is een incrementele encoder zijn positie 'kwijt'. Hij weet niet waar hij zich bevindt, want er is geen referentiepunt meer. Om dat op te lossen, kan er gebruikgemaakt worden van een indexkanaal. Dat genereert één keer per omwenteling een puls en zorgt zo voor een referentiepunt. Na het herstarten kan door een vergelijking van het signaal met de referentiepuls toch bepaald worden waar de as zich exact bevindt.

ABSOLUTE ENCODERS

Absolute encoders hebben, in tegenstelling tot incrementele encoders, geen referentie ten opzichte van de nulpositie nodig om hun positie te bepalen. Dit komt omdat elke positie bij een absolute encoder een vastgelegde code heeft. Het grote voordeel hiervan is dat de positie altijd geweten is, ook na een stroomuitval of een tijdelijke onderbreking. Een prima voorbeeld van een toepassing zijn windmolens, waarbij absolute encoders onder meer ingezet worden voor de sturing van de hellingshoek van de wieken en de opvolging van de gondelpositie.

SELECTIEOVERWEGINGEN

Incrementeel/absoluut

De keuze voor een bepaald type encoder is gebonden aan meerdere criteria. De keuze tussen incrementeel/absoluut is een eerste. Dat onderscheid is vooral belangrijk voor het type uitgangssignaal. Een incrementele uitgang heeft een blokgolfvormig uitgangssignaal, want de uitgang is ofwel maximaal, ofwel nul. Bij absolute encoders is dat niet het geval, hier wordt de uitgang geformuleerd in bits waarmee de exacte positie aangeduid wordt. De keuze tussen beide hangt af van de exacte toepassing. Als het voor de applicatie nodig is dat men exact weet wat de positie is op een gegeven moment, dan wordt er gekozen voor absoluut. Incrementele encoders worden vooral ingezet in inductiemotoren.

Resolutie

De resolutie van incrementele encoders wordt vaak weergegeven als CPR (cycles per revolution) of PPR (pulses per revolution), dit geeft dus het maximale aantal pulsen weer per volledige omwenteling van de schijf. Bij een absolute encoder wordt er gesproken over een resolutie van een x-aantal bits. Een resolutie van 10 bits betekent dat er per omwenteling 210 of 1.024 verschillende posities aangenomen kunnen worden.

Behuizing

De uitlezing, zeker bij de optische systemen, kan verstoord worden door externe invloeden zoals stof of andere vuilpartikels. In dergelijke omstandigheden is het dus beter om een heavyduty-uitvoering te kiezen. Ook kan de behuizing een rol spelen om te weerstaan aan hevige trillingen.

KABELLENGTE/GEVOELIGHEID VOOR RUIS

Een encodersignaal kan belangrijke informatie bevatten voor de veiligheid van de arbeiders in de buurt. De exacte positie van een robotarm, om maar één voorbeeld te noemen. Het uitgangssignaal mag dus nooit het slachtoffer worden van EMC. Er is dus veel aandacht nodig voor het beperken van magnetische inkoppelingen. Zo kort mogelijke kabellengtes, de juiste connectoren en de juiste kabeltypes gebruiken is dus belangrijk als de omgeving vatbaar is voor EMC-gerelateerde problemen.

In het geval van incrementele encoders kan een vervormd signaal resulteren in een zaagtandvorm in plaats van een rechthoekige pulsvorm die onbruikbaar is voor de controller. Bij absolute encoders kan vervorming ertoe leiden dat er een onjuiste bitcode doorgegeven wordt, en dus een compleet andere positie!