In der Fertigung und bei Industrieanlagen sind die präzise Positionssteuerung und die Drehzahlregelung von Motoren entscheidende Faktoren, die die Produktqualität beeinflussen. Unverzichtbar für deren Umsetzung sind Positionssensoren, die als „Encoder“ bezeichnet werden.
Encoder messen den Drehwinkel und den linearen Verfahrweg mit hoher Genauigkeit und geben diese Werte als elektrische Signale aus, wodurch eine präzise Steuerung von Motoren und Aktuatoren ermöglicht wird.
In diesem Artikel erläutern wir aus technischer Sicht die grundlegende Funktionsweise von Encodern, ihre verschiedenen Typen sowie wichtige Auswahlkriterien und bieten Ihnen Informationen, die für die Geräteentwicklung und Produktverbesserung in Ihrem Unternehmen von Nutzen sind. Entwicklungsingenieure, die eine hochpräzise Positionssteuerung realisieren möchten, sollten diesen Artikel bis zum Ende lesen.
| Unter der Aufsicht der Vertriebsgruppe für elektronische Bauteile der C.I. TAKIRON Corporation Dieser Artikel wurde auf der Grundlage der hochentwickelten technischen Kompetenz und des Fachwissens erstellt, die wir seit unserer Gründung im Jahr 1919 als führendes Unternehmen in der Kunststoffverarbeitung erworben haben.Unsere Abteilung analysiert kontinuierlich die Markttrends und neuesten Technologien im Bereich ultrakompakter, hochpräziser Mikromotoren und konzentriert sich darauf, Konstrukteuren und Entwicklern Informationen mit hohem Mehrwert zur Verfügung zu stellen. Als Expertenteam mit fundierten Kenntnissen der Produkteigenschaften unterstützen wir Sie durch die Bereitstellung präziser und praxisorientierter Inhalte bei der Lösung Ihrer Herausforderungen und bei technologischen Innovationen. |
Grundlagen und Funktionen von Encodern – Die Bedeutung der Positionserfassung bei der Motorsteuerung
Ein Encoder ist ein Sensor, der den Drehwinkel oder den Verfahrweg einer Maschine erfasst und diese Werte in digitale Signale oder Impulssignale umwandelt und ausgibt. In Kombination mit einem Motor ermöglicht er die genaue Ermittlung der Drehrichtung, der Drehzahl und der aktuellen Position und ermöglicht so eine Rückkopplungsregelung.
Sie finden breite Anwendung in Bereichen, in denen eine präzise Positionierung erforderlich ist, wie beispielsweise bei Industrierobotern, Werkzeugmaschinen und medizinischen Geräten, und bilden damit eine grundlegende Technologie, die die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Produkte gewährleistet.
Inhalt dieses Abschnitts
- Was ist ein Encoder?: Ein Sensor, der Drehbewegungen und Verschiebungen „sichtbar macht“
- Die Rolle des Encoders bei der Motorsteuerung
- Hauptanwendungsbereiche und Anwendungsbeispiele in verschiedenen Industriezweigen
In diesem Abschnitt werden die grundlegenden Konzepte von Encodern erläutert, ihre konkrete Rolle bei der Motorsteuerung sowie Anwendungsbeispiele aus der Industrie vorgestellt.
Was ist ein Encoder?: Ein Sensor, der Drehungen und Bewegungen „sichtbar“ macht
Ein Encoder ist ein Messgerät, das physikalische Dreh- oder Linearbewegungen in elektrische Signale umwandelt. Durch die Montage an der Motorwelle erfasst er in Echtzeit, um wie viel sich der Motor gedreht hat und in welche Richtung er sich bewegt.Die erfassten Informationen werden als Impuls- oder Digitalsignale an die Steuerung übertragen und ermöglichen so eine präzise Positionierung an der Zielposition sowie einen Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit.
Das Funktionsprinzip eines Encoders besteht darin, Licht- oder Magnetmuster zu erfassen, die sich bei Drehungen oder Bewegungen verändern, und diese Veränderungen in elektrische Signale umzuwandeln. Bei einem optischen Encoder beispielsweise erfasst ein Sensor das auf einer Scheibe eingravierte Schlitzmuster und gibt die Hell-Dunkel-Veränderungen des Lichts als Impulssignal aus.Die Steuereinheit berechnet die Verschiebung anhand der Anzahl der Impulse und ermittelt die Bewegungsrichtung anhand der Reihenfolge, in der die Impulse erzeugt werden.
Dieses Gerät fungiert als das „Auge“ der Maschine und übermittelt dem Steuerungssystem Informationen über den Bewegungszustand – ähnlich wie der Mensch Entfernungen und Geschwindigkeiten anhand seiner Sehwahrnehmung einschätzt. Ohne einen Encoder lässt sich nicht genau feststellen, an welcher Position sich der Motor gerade befindet und wie weit er sich bewegt hat, was eine präzise Steuerung erschwert.
Die Rolle des Encoders bei der Motorsteuerung
Da ein Motor allein weder seine Drehzahl noch seine Position selbst erfassen kann, sind Rückmeldesignale vom Encoder unerlässlich. Die Steuerung liest die vom Encoder ausgegebenen Impulssignale aus, erkennt dadurch Abweichungen vom Sollwert und passt den Antrieb des Motors entsprechend an.
Durch diese Regelung im geschlossenen Regelkreis werden eine hochpräzise Positionierung sowie eine hochpräzise Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung ermöglicht, was zu einer Verbesserung der Produktqualität und der Produktionseffizienz führt. Insbesondere bei medizinischen Geräten und Präzisionsgeräten, bei denen eine Positionsgenauigkeit im Mikrometerbereich gefordert ist, hat die Leistungsfähigkeit des Encoders direkten Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Produkts.
Hauptanwendungsbereiche und Anwendungsbeispiele in verschiedenen Industriezweigen
Encoder kommen in einer Vielzahl von Industriebereichen zum Einsatz und werden für folgende Anwendungen genutzt.
[Wichtige Anwendungsbeispiele nach Bereichen]
- Steuerung von Industrieroboterarmen
- Positionierung von Schneidwerkzeugen bei CNC-Werkzeugmaschinen
- Bewegung der Bühne bei Halbleiterfertigungsanlagen
- Antrieb der Objektive bei medizinischen Endoskopen
- Steuerung elektronischer Schlösser bei Sicherheitsanlagen
- Autofokusmechanismus für optische Geräte
Insbesondere bei medizinischen Geräten und Präzisionsgeräten, bei denen kompakte Abmessungen und hohe Genauigkeit gefragt sind, erweisen sich kompakte Encoder in Kombination mit kernlosen Motoren als äußerst nützlich. In diesen Bereichen stellt die Vereinbarkeit von kompakter Bauweise und Steuerungsgenauigkeit eine Herausforderung dar, weshalb die Auswahl des Encoders ein entscheidender Faktor für die Produktleistung ist.
Funktionsweise und wichtigste Arten von Encodern – Erfassungsverfahren und Merkmale der verschiedenen Typen
Die Erfassungsverfahren von Drehgebern lassen sich im Wesentlichen in optische und magnetische Verfahren unterteilen; je nach Messobjekt werden sie in Drehgeber und Lineargeber klassifiziert. Darüber hinaus werden sie aufgrund der unterschiedlichen Signalausgabeverfahren in inkrementale und absolute Drehgeber unterschieden, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungsbereiche aufweisen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Klassifizierung nach Erkennungsverfahren: optisch und magnetisch
- Drehgeber und Lineargeber
- Der Unterschied zwischen inkrementeller und absoluter Messung
In diesem Abschnitt werden die Funktionsprinzipien und Merkmale der einzelnen Typen erläutert und grundlegende Kenntnisse für die Auswahl entsprechend dem jeweiligen Anwendungszweck vermittelt.
Klassifizierung nach Erfassungsverfahren: optisch und magnetisch
Optische Encoder sind Messsysteme, die mithilfe einer geschlitzten Scheibe und eines Lichtsensors Drehbewegungen erfassen und sich durch hohe Auflösung und Präzision auszeichnen. Sie bestehen aus einer Kombination aus LEDs und Fotodioden, die das Hell-Dunkel-Muster des durch die Schlitze der Scheibe fallenden Lichts in Impulssignale umwandeln.
Magnetische Encoder nutzen Magnete und Hall-Elemente und zeichnen sich durch eine hohe Umweltbeständigkeit aus, weshalb sie sich besonders für Umgebungen mit hohem Staubaufkommen und starken Vibrationen eignen. In der Medizin- und Präzisionstechnik, wo Kompaktheit und präzise Steuerung gefragt sind, werden in der Regel optische Encoder eingesetzt, während in rauen industriellen Umgebungen eher magnetische Encoder zum Einsatz kommen.
Drehgeber und Lineargeber
Drehgeber messen den Drehwinkel der Motorwelle, während Lineargeber die Position eines sich linear bewegenden Objekts erfassen. Bei Drehgebern wird ein scheibenförmiger Sensor direkt an der Motorwelle angebracht, und die Drehbewegung wird als Impulssignal ausgegeben.Sie finden breite Anwendung in Industriemotoren, Servomotoren, Schrittmotoren und ähnlichen Antrieben.
Linearmesssysteme kommen beim Tischvorschub von Werkzeugmaschinen sowie bei der Stufensteuerung von Halbleiterfertigungsanlagen zum Einsatz und ermöglichen eine hochpräzise Messung der linearen Verfahrwege. Die Auswahl des für die jeweilige Anwendung geeigneten Typs trägt zur Verbesserung der Regelungsleistung bei.
Der Unterschied zwischen inkrementeller und absoluter Messung
Bei inkrementellen und absoluten Systemen bestehen erhebliche Unterschiede hinsichtlich der Art der Positionsdatenausgabe.
| Punkt | Inkrementeller Typ | Absolut-Typ |
| Positionsdaten | Relative Verschiebung | Absolute Position |
| Bei ausgeschaltetem Gerät | Gehen die Standortdaten verloren | Standortdaten werden beibehalten |
| Zurück zu den Anfängen | Notwendig | Nicht erforderlich |
| Kosten | Niedrige Kosten | Hohe Kosten |
| Hauptanwendungsbereiche | Geschwindigkeitsregelung, einfache Positionierung | Präzisionspositionierung, Mehrachsensteuerung |
Inkrementalgeber geben die relative Verschiebung als Impulssignal aus; sie sind einfach aufgebaut und kostengünstig, haben jedoch die Eigenschaft, dass die Positionsdaten bei ausgeschalteter Stromversorgung verloren gehen.
Da der Absoluttyp stets die absolute Position ausgeben kann, ist nach dem Einschalten keine Rückführung zum Nullpunkt erforderlich, wodurch sich die Systemstartzeit verkürzen lässt. Je nach Anwendungszweck und den Anforderungen des Steuerungssystems ist eine entsprechende Auswahl erforderlich.
Kriterien für die Auswahl von Encodern und Lösungen zur Realisierung einer hochpräzisen Steuerung
Um den geeigneten Encoder auszuwählen, müssen mehrere technische Spezifikationen berücksichtigt werden, darunter Auflösung, Ansprechgeschwindigkeit, Befestigungsart und Umweltbeständigkeit. Insbesondere bei Encodern für Motoren ist die Kompatibilität mit den Motoreigenschaften entscheidend für die Regelungsleistung.
Inhalt dieses Abschnitts
- Auflösung und Genauigkeit: Wie man die für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneten Leistungsmerkmale ermittelt
- Kompatibilität mit dem Motor: Montageverfahren und elektrische Anbindung
- Lösungen von C.I. Takiron für hochpräzise Steuerung
In diesem Abschnitt fassen wir die wichtigsten Auswahlkriterien zusammen und stellen Ihnen Encoder-Lösungen vor, die sich durch kompakte Bauweise, hohe Präzision und lange Lebensdauer auszeichnen.
Auflösung und Genauigkeit: Wie Sie die für Ihre Anwendung geeigneten Leistungsmerkmale ermitteln
Die Auflösung gibt an, wie viele Impulse ein Encoder pro Umdrehung ausgeben kann, und wird in der Einheit PPR (Pulses Per Revolution) angegeben. Sie variiert je nach Anwendungsbereich und Hersteller erheblich; je höher der Wert ist, desto feiner ist die Positionserfassung, wodurch sich die Regelgenauigkeit verbessert.
Bei medizinischen Geräten und optischen Instrumenten sind mitunter mehrere Zehntausend PPR erforderlich. Da eine höhere Auflösung jedoch mit höheren Kosten und größeren Abmessungen einhergeht, muss bei der Auswahl ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der erforderlichen Regelgenauigkeit und dem Gesamtsystem berücksichtigt werden. Eine übermäßige Auflösung erhöht die Belastung der Regelkreise und macht diese anfälliger für Störeinflüsse; daher ist es wichtig, die für den jeweiligen Anwendungszweck optimalen Spezifikationen zu ermitteln.
Kompatibilität mit dem Motor: Montageverfahren und elektrische Anpassung
Bei der Montage des Encoders an der Motorwelle müssen sowohl die physikalische Passgenauigkeit als auch die elektrische Kompatibilität überprüft werden.
| Zu prüfende Punkte | Wichtigste Prüfpunkte |
| Wellendurchmesser | Übereinstimmung zwischen dem Durchmesser der Motorwelle und den Befestigungsbohrungen des Encoders |
| Einbauraum | Maßliche Einschränkungen am hinteren Teil des Motors |
| Kupplungsarten | Flexibel, starr, direkt gekoppelt usw. |
| Ausgangssignalformate | Spannungspegel (5 V/12 V/24 V) |
| Signalübertragungsverfahren | Differenzausgang/Single-Ended |
| Schnittstelle | Kommunikationsprotokoll mit der Steuereinheit |
Für Kleinmotoren eignen sich platzsparende Encoder, wobei auch die mechanische Montagegenauigkeit die Regelungsleistung beeinflusst. Um Fehlauslesungen aufgrund von Wellenversatz oder Schwingungen zu vermeiden, sind die Auswahl einer geeigneten Kupplung sowie eine sichere Befestigung erforderlich.
Lösungen von C.I. Takiron für eine hochpräzise Steuerung
Die C.I. TAKIRON Corporation kann Steuerungslösungen anbieten, die kompakte, hochpräzise kernlose Motoren mit Encodern kombinieren.Kernlose Motoren, die sich durch eine ruckfreie und gleichmäßige Drehbewegung auszeichnen, zeigen in Kombination mit der Positionsrückmeldung durch Encoder eine hervorragende Leistung in Anwendungsbereichen, in denen eine hochpräzise Steuerung erforderlich ist, wie beispielsweise bei medizinischen Geräten, Präzisionsgeräten und Industrierobotern.
Die Stärken unserer Mikromotoren liegen in ihrer hohen Zuverlässigkeit, die auf inländischer Konstruktion und Qualitätskontrolle beruht, sowie in unserer Fähigkeit, die Produkte an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anzupassen. Wir verfügen über ein Produktangebot, das auf die Optimierung des Gesamtsystems ausgerichtet ist, darunter auch Modelle mit Getriebekopf, und bieten Ihnen technische Beratung bereits ab der Entwicklungsphase an. Wenn Sie weitere Informationen zu unseren Produkten wünschen oder eine technische Beratung in Anspruch nehmen möchten, können Sie sich gerne über unser Kontaktformular an uns wenden.
Zusammenfassung
Encoder sind Sensoren, die für die Positions- und Drehzahlregelung von Motoren in zahlreichen Anwendungen, in denen eine hochpräzise Positionierung erforderlich ist, unverzichtbar sind; je nach Erfassungsprinzip und Art der Signalausgabe gibt es verschiedene Typen.
Durch die richtige Auswahl entsprechend dem jeweiligen Anwendungszweck lassen sich die Leistungsfähigkeit des Produkts steigern und dessen Zuverlässigkeit gewährleisten. Insbesondere in Bereichen, in denen kompakte Bauweise und hohe Präzision gefragt sind, erweisen sich Lösungen aus der Kombination von kernlosen Motoren und Encodern als besonders effektiv.
C.I. Takiron unterstützt Sie bei der Entwicklung Ihrer Geräte mit hochwertigen Mikromotorprodukten und technischer Beratung.
Produktinformationen und Kontakt
Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.
- Produktseite: https://cik-ele.com/
- Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Bürstenlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Sollten Sie bei der Auswahl von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
