Inductieve encoder vult gat tussen optisch en resolver

5 juni 2008

Door de elektromagneten in een servomotor precies op het juiste moment van stroom te voorzien, is het krachtenkoppel te maximaliseren en loopt de motor soepeler. Servomotoren zijn daarvoor vaak uitgerust met encoders, die het toerental en de positie van de roterende servomotor meten en deze informatie aan de regelaar voeden. Encoders komen in twee types: resolvers en optische impulsgevers. Om het gat ertussen te dichten, ontwikkelde Heidenhain een nieuw type, de inductieve impulsgever.

Resolvers lijken op een motor waarin ten minste twee spoelen zitten. Afhankelijk van de positie van de servomotor ontstaan in deze spoelen inductieve spanningen. Daaruit is de onderlinge positie van rotor en stator te bepalen. Dit levert meestal één meetsignaal per motoromwenteling, oftewel de signaalperiode is gelijk aan een motoromwenteling. Dit signaal geeft de absolute positie, maar doordat maar één sinussignaal voor de elektronische interpolatie beschikbaar is, blijft de verkrijgbare resolutie gering. De nauwkeurigheid van de hoekbepaling ligt rond de vijf boogminuten. Voor hogere nauwkeurigheid bestaan ook resolvers met meer dan twee polen. Door het fysieke karakter van de encoder is dit echter niet ideaal.

Tegenover de relatief goedkope resolver staat de optische impulsgever, die de positie nauwkeurig doorgeeft en daarmee het beste is voor de gelijkloop van de motor. Optische impulsgevers hebben een glazen schijf die in de rondte is verdeeld met streepjes waar licht doorheen valt. De fijne verdeling geeft een hoge resolutie, tot duizenden signalen per motoromwenteling. Elke signaalperiode wordt nog een keer elektronisch geïnterpoleerd. Daarbij bestaan er uitvoeringen van optische impulsgevers die de meetwaarde over meer dan één omwenteling absoluut bepalen, de zogenaamde multi-turn-uitvoeringen. Door de hoge nauwkeurigheid die dit geeft, zijn zij de standaard voor toepassingen met hoge eisen, zoals de zeer dynamische positioneeraandrijvingen in gereedschapsmachines.

Tussen deze twee typen encoders zit een gat qua prijs en nauwkeurigheid. Om een absoluut multi-turn-meetsysteem te leveren dat even goedkoop en robuust is als een resolver, ontwikkelde Heidenhain de inductieve impulsgever. Het principe van deze encoders lijkt op dat van de resolver, met dat verschil dat zij uit een groot aantal minispoeltjes bestaan, geëtst op een ronde printplaat. Via een verdeling met 16 of 32 signaalperioden per motoromwenteling bereiken inductieve encoders een resolutie van zeventien bits en ze zijn ook in multi-turn-uitvoering te maken, waarbij 4096 omwentelingen eenduidig worden gedetecteerd.

 advertorial 

Keynote speech by Mark Vaes (Additive Industries)

Mark Vaes (Additive Industries) will deliver the keynote speech during the Idea to Industry Conference (Eindhoven, 7 October). During his presentation he will explain his experiences on how to bring an idea to the market and what it takes to grow from startup towards a scale up. Take a look at the full conference program and make sure you sign up in time for this corona-proof event, as seating capacity is limited.

Meetfouten

Behalve door het oplossend vermogen van de encoder ontstaan beperkingen in de nauwkeurigheid van de motor door de toevallige en de systematische fouten. Toevallige positiefouten komen onder meer door ruis op de analoge signalen van het meetsysteem. Hier is niets aan te doen. Systematische fouten zijn afwijkingen die periodiek optreden. Als ze bekend zijn, kunnen ze worden gecompenseerd. Door een gebrek aan stijfheid van encoderdelen kunnen er bijvoorbeeld trillingen ontstaan. Andere bronnen van systematische fouten zijn de overbrenging van de motor, fase- en amplitudefouten en hogere harmonischen in de analoge signalen van de impulsgever. Deze hogere harmonische uiten zich in het fluitende en zingende geluid dat de servomotor soms produceert. Bij inductieve metingen zijn deze geluiden een stuk minder te horen dan bij resolvers, wat aangeeft dat de loopcultuur van de motor beter is.

Bij inductieve aftastprincipes is wel de spleet tussen de spoelen belangrijk voor de nauwkeurigheid. Veranderingen in de spleet kunnen ontstaan door temperatuursinvloeden in de motor. Elektronica in de encoder compenseert de invloed van de luchtspleet op de gekoppelde inductiviteit en daarmee de meetwaarden.

De encoder moet elektrisch en mechanisch worden geïntegreerd via een universele interface. Daarmee zijn impulsgevers met verschillende aftastprincipes modulair te koppelen aan de aandrijfregeling. Een universele impulsgeverflens vergroot de flexibiliteit bij de keuze van encoders. Daarbij is de motoras voorzien van een conus die de aanbouw van zowel resolvers als impulsgevers mogelijk maakt. Bij resolvers zit de stator meestal via driepuntsmontage vast. Optische en inductieve impulsgevers worden via een centreergat in het motorhuis uitgericht en met een spreidkoppeling of een excenterschroef vastgezet.

Voor wat betreft de elektrische en de mechanische interface zijn inductieve en optische impulsgevers dus compatibel, waarbij een modulaire opbouw van de aandrijving mogelijk is met een instelbare nauwkeurigheid. De randvoorwaarden voor een hoge dynamiek in de regelkring is in het bijzonder bepalend voor elektronisch gesynchroniseerde aandrijvingen.

Zo bieden inductieve impulsgevers met een vergelijkbaar aftastprincipe als resolvers een hogere resolutie per omwenteling en verhogen daarmee de loopcultuur van de aandrijving.