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#White Papers
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Die Wahl zwischen eigenständigen Encodern und integrierter Motorrückführung
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Konstrukteure von Bewegungssteuerungssystemen für Roboter, Fertigungsanlagen und mobile Maschinen haben Optionen für die Bereitstellung digitaler Rückmeldesignale. Hier ist ein Blick auf die Alternativen. Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Automation 2021 veröffentlicht: Control Systems Ebook.
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Drehgeber: ein Schlüssel zur Bewegungssteuerung
Drehgeber sind seit den Anfängen digitaler Steuerungen Schlüsselkomponenten in Bewegungs- und Positionssteuerungssystemen, die Drehbewegungen in digitale Rückmeldesignale für Steuerungssysteme umwandeln.
Standalone-Drehgeber sind eigenständige Geräte mit eigenen Gehäusen und Wellen, Lagern und Dichtungen. Sie sind in einer Vielzahl von mechanischen Konfigurationen erhältlich und können praktisch überall in einer Maschine installiert werden, wo Drehbewegungen überwacht werden müssen.
Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung von Servomotoren oder rückkopplungsgeregelten Schrittmotoren, die Antrieb und Positionsrückmeldung in einer einzigen Einheit kombinieren. In diesem Fall wird das integrierte Motorfeedback durch einen "Bausatz" oder einen modularen Encoder bereitgestellt, der im oder unmittelbar neben dem Motorgehäuse montiert ist, wobei die Drehbewegungen direkt an der Antriebswelle gemessen werden. Dies kann eine effiziente Lösung für industrielle Bewegungssteuerungssysteme sein, die von Elektromotoren angetrieben werden, da sie den Bedarf an separaten Positionsgebern reduziert.
Lassen Sie uns über die relativen Vorteile dieser beiden Arten von Drehgebern sprechen.
Vielseitigkeit von Standalone-Drehgebern
Standalone-Drehgeber sind eine hervorragende Lösung für Maschinen, die mit nichtelektrischen Antrieben wie Pneumatik oder Hydraulik arbeiten. Da Standalone-Geräte nahe am Betriebsende der Maschine - und nicht nur am Motor - installiert werden können, lässt sich ein Verlust an Positionsgenauigkeit vermeiden, der auftreten kann, wenn die Leistung eines Motors über lange Getriebezüge, Riemen oder andere Mechanismen übertragen wird. Eigenständige Messgeräte können auch mit einem Seilzug oder Messrad verwendet werden, um lineare Bewegungsmessungen durchzuführen.
Da viele verschiedene mechanische Konfigurationen und Kommunikationsschnittstellen zur Verfügung stehen, können Konstrukteure mit ziemlicher Sicherheit Geräte finden, die ihren Anforderungen entsprechen. Für raue Umgebungen sind zum Beispiel Standalone-Drehgeber mit robusten Gehäusen und Dichtungen erhältlich, die eine Schutzart von bis zu IP69k bieten. Diese Geräte sind gegen Staub, Wasser und sogar gegen die aggressiven Reinigungslösungen und Hochdruckstrahlen geschützt, die in Druckwaschanlagen für Lebensmittel- oder pharmazeutische Verarbeitungsanlagen verwendet werden.
Im Gegensatz zu Standalone-Drehgebern, die als eigenständige Einheiten verpackt sind, sind "Kit"- oder modulare Drehgeber so konzipiert, dass sie in das Gehäuse eines Motors eingebaut oder daran befestigt werden und die Drehbewegung direkt von der Antriebswelle des Motors messen. Durch die Integration des Positionsgebers in den Motor entfällt die Notwendigkeit einer separaten Geberwelle, eines Lagers und einer Dichtung, so dass Bausatzgeber für integrierte Motorrückführung kompakter und preiswerter sein können als ihre eigenständigen Gegenstücke. Diese Anordnung reduziert auch die Anzahl der separaten Komponenten in der Maschine.
Ein Servomotor ist in der Regel ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der über einen eingebauten Encoder zur Positionsrückmeldung verfügt. Die Rückmeldung dient hier zwei Zwecken: der Überwachung der Drehposition der Motorwelle und der Bereitstellung eines Kommutierungssignals zur Steuerung des Stroms, der durch die Statorwicklungen des Motors fließt.
Bausatz-Encoder können auch mit Schrittmotoren verwendet werden, die eine Positionsrückmeldung im geschlossenen Regelkreis liefern. Dies verbessert die Genauigkeit, da Positionierungsfehler aufgrund übersprungener Schritte vermieden werden. (Dies kann bei höheren Geschwindigkeiten zu einem erheblichen Problem werden, wenn die Drehmomentabgabe von Schrittmotoren abnimmt und die Wahrscheinlichkeit ausgelassener Schritte steigt) Ein großer Vorteil von Schrittmotoren sind ihre relativ geringen Kosten, insbesondere im Vergleich zu High-End-Servomotoren. Preiswerte optische Inkrementalgeber können die Positioniergenauigkeit verbessern, indem sie überprüfen, ob eine Schrittbewegung abgeschlossen wurde. Für anspruchsvollere Positionssteuerungsanwendungen können kostengünstige magnetische Multiturn-Absolutwertgeber die bessere Wahl sein, da diese der Steuerung ein vollständiges Bild der Drehposition der Motorwelle liefern, einschließlich der Anzahl der vollzogenen Umdrehungen.
Messtechnologien
Für Drehgeber werden verschiedene Messtechnologien verwendet - sowohl eigenständige als auch Bausätze. (Manchmal bieten die Hersteller dieselben Messkomponenten sowohl in ihren Standalone- als auch in ihren Kit-Drehgebern an. In diesem Fall handelt es sich bei den Bausatz- oder Modulprodukten im Grunde um entbündelte Versionen der Einzelgeräte)
Optische Drehgeber: sind in verschiedenen Konfigurationen und Leistungsstufen erhältlich. Optische Präzisions-Absolutmesssysteme der oberen Leistungsklasse können Genauigkeiten von +/- 0,02 Grad und eine hervorragende Dynamik aufweisen. Sie eignen sich für fortschrittliche Servomotoren und Präzisionspositionssteuerungsanwendungen
Am anderen Ende der Preis-/Leistungsskala stehen kostengünstige inkrementale Drehgeber auf der Grundlage optischer Messtechnik zur Verfügung. Diese haben zwar eine geringere Präzision, können aber eine Rückmeldung für preiswerte Schrittmotoren liefern.
Optische Encoder bieten zwar eine hervorragende Genauigkeit, ihre internen Komponenten sind jedoch anfällig für Verschmutzung durch Staub, Öl und Kondensation. Um eine maximale Genauigkeit zu erreichen, müssen die Codescheiben und Photorezeptor-Arrays sehr genau ausgerichtet werden, was diese Geräte anfällig für Stöße und Vibrationen macht.
Magnetische Drehgeber: Sie verfügen über einen kleinen Permanentmagneten, der an der rotierenden Welle befestigt ist. Das davon ausgehende Magnetfeld wird von einer Reihe von Hall-Effekt-Sensoren gemessen, deren Ausgangssignal von einer Software verarbeitet und gefiltert wird, die auf einem winzigen, in das Gerät integrierten Mikroprozessor läuft. Das Ergebnis ist eine gute Auflösung und ein dynamisches Ansprechverhalten in robusten, kompakten Geräten (mit einem Durchmesser von nur 22 mm).
Magnetische Drehgeber können unter normalen Werksbedingungen installiert werden, da sie mäßige Fluchtungsfehler zwischen der Welle und dem Messmodul tolerieren können. Darüber hinaus sind magnetische Drehgeber mit Multiturn-Messfunktionen erhältlich, wobei die Umdrehungszähler durch die Wiegand Energy Harvesting-Technologie betrieben werden. Diese elegante Lösung macht Pufferbatterien oder das komplexe System von Codescheiben überflüssig, das häufig bei optischen Multiturn-Drehgebern verwendet wird.
Hohlwellen-Kit-Encoder: Die oben beschriebenen Kit-Encoder werden häufig auf der Rückseite des Motors montiert (siehe Abbildungen 2 und 3). In einigen Fällen kann es sinnvoll sein, die Rotationsmesselemente an der Antriebsseite eines Motors zu positionieren. Hohlwellen-Drehgeber, die eine große zentrale Öffnung aufweisen, können um die Antriebswelle herum oder an anderen Stellen im Antriebsstrang installiert werden. Dies kann von Vorteil sein, wenn das Antriebssystem drehmomentverstärkende Untersetzungsgetriebe enthält. Die Montage eines Hohlwellen-Drehgebers am Abtriebsende einer Antriebseinheit vermeidet Positionierungsfehler, die durch das Getriebespiel verursacht werden.
Lagerlose Drehgeber: sind ein relativ neues Konzept. Sie verfügen über das robuste Gehäuse eines eigenständigen Drehgebers, wobei jedoch der rotierende Teil des Messsystems (z. B. ein Permanentmagnet bei magnetischen Drehgebern) direkt an der Welle der Grundmaschine befestigt ist. Durch diese Anordnung entfallen die Lager und Wellendichtungen herkömmlicher Stand-alone-Drehgeber, was Platz und Kosten spart. Die äußere Hülle schützt die Messelemente vor physischen Schäden.
Kommunikationsschnittstellen
Standalone-Drehgeber sind mit einer Vielzahl von Kommunikationsschnittstellen erhältlich, die von analogen und digitalen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über Feldbuslösungen bis hin zu industriellen Ethernet-Systemen reichen. Dadurch ist es möglich, diese Geräte in eine Vielzahl von Steuerungssystemen zu integrieren, von einfachen einachsigen Bewegungssteuerungen bis hin zu komplexen Multiparameter-Fertigungsautomatisierungssystemen. Drehgeber mit fortschrittlichen Kommunikationsschnittstellen können auch Selbstdiagnosefunktionen aufweisen, die die Wartung und Fehlersuche vereinfachen.
Integrierte Motorsteuerungssysteme (Servomotoren, rückkopplungsgeregelte Schrittmotoren) erfordern häufig Echtzeitsteuerungen. Aus diesem Grund verwenden diese Systeme in der Regel Punkt-zu-Punkt-Verdrahtungslayouts (Motor-zu-Steuerung), die die Latenzverzögerungen vermeiden, die in Feldbus- oder Ethernet-Systemen auftreten können, wenn Kommunikationskanäle von mehreren Geräten gemeinsam genutzt werden. Es stehen mehrere proprietäre Kommunikationsprotokolle zur Verfügung, aber für viele Anwender bieten die Open-Source-Protokollsuiten SSI und BiSS eine zuverlässige und kosteneffiziente Lösung.
SSI (Serial Synchronous Interface) und BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) sind digitale Schnittstellen, die eine direkte Kommunikation zwischen Motoren und SPS oder anderen Steuerungen unterstützen können. SSI-Verbindungen bieten hohe Geschwindigkeit (Taktraten bis zu 2 MHz), hohe Auflösung, flexible Verkabelung und zuverlässige Kommunikation bis zu einigen hundert Metern (obwohl die Baudraten bei größeren Entfernungen reduziert werden). SSI-Protokolle bieten eine grundlegende Fehlererkennung (Drahtbruch, Kurzschluss, Datenkonsistenz). BiSS ist eine erweiterte Version von SSI, die Echtzeitkommunikation zwischen Steuergeräten und Sensoren/Aktoren in Servomotoren, Robotern und anderen Automatisierungssystemen unterstützt. Die Schnittstelle ermöglicht es der Steuerung auch, Betriebsparameter in Slave-Geräten einzustellen. Es gibt mehrere BiSS-Varianten, darunter BiSS C (kontinuierliche Kommunikation) und BiSS Line (für Konfigurationen, bei denen Energieversorgung und Datenübertragung in einem einzigen Kabel kombiniert werden). Die quelloffenen SSI- und BiSS-Schnittstellennormen sind herstellerunabhängig, und es gibt keine kostenpflichtigen Lizenzen.
SSI- und BiSS-Kommunikation verwenden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, typischerweise RS-422. Mehrere Geräte können in Reihe geschaltet werden, um eine effizientere Kabelführung zu ermöglichen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Automation 2021 veröffentlicht: Control Systems Ebook.
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