Wanneer gebruik je welke encoder?

Als je een encoder voor je systeem moet uitzoeken, zie je al snel door de bomen het bos niet meer. Moet het een incrementele of een absolute encoder zijn? Kies je voor inductieve, capacitieve of optische technologie? En is een holle-asencoder de beste optie voor jouw applicatie? Sensorintegrator Sentech helpt je op weg.

Alexander Pil
19 mei

Absolute encoders zijn al jaren op de markt, maar de mogelijkheden van deze sensorfamilie blijven continu groeien. Sensorspecialist Sentech ziet het om zich heen gebeuren. ‘Vooral voor wat betreft de roterende absolute encoders kan er steeds meer’, stelt accountmanager Sean Ram. ‘Er is keuze in verschillende technieken en natuurlijk in diverse uitvoeringen, allemaal met hun eigen voor- en nadelen. Welke encoder voor een klant de beste optie is, ligt sterk aan de specifieke applicatie. En er zit uiteraard een kosten-batenanalyse achter. We schuiven daarom graag bij onze klant aan tafel om de ideale oplossing te vinden.’

Holle-asencoders op basis van capacitieve technologie, zoals deze van Netzer, halen een nauwkeurigheid van 0,005 graden.

Wat is ook alweer het verschil tussen absolute en incrementele encoders? Absolute encoders geven, zoals de naam al verraadt, een absolute positiewaarde. Hun incrementele broertjes meten slechts veranderingen van positie door bij een beweging het aantal doorgegeven pulsen te tellen. Zo’n systeem heeft een vast referentiepunt nodig om tot een absolute positiemeting te komen. ‘Het nadeel van incrementele encoders is dat ze minder geschikt zijn voor snelle bewegingen. Als ze een puls missen, weet je immers echt niet meer waar je bent’, legt Ram uit. ‘Bij een absolute encoder kun je er ook weleens naast zitten, maar dat kun je eenvoudig corrigeren bij het volgende meetpunt. De aansturing voor een motor met een incrementele of een absolute encoder is daarom heel anders.’

Als er een referentiepunt in het systeem kan worden opgenomen, en de snelheden rijzen niet de pan uit, is een incrementele encoder vaak een prima oplossing. ‘Maar als homing in een applicatie niet mogelijk is, bijvoorbeeld uit veiligheidsoverwegingen, dan ligt een absolute encoder meer voor de hand’, aldus Ram.

Open binnenwerk

Zowel van de absolute als de incrementele encoders zijn lineaire en roterende varianten op de markt. Sentech constateert dus een groeiende vraag naar roterende, absolute encoders. ‘We zien meer en meer klanten die vanaf scratch hun eigen robots bouwen’, vertelt Ram. ‘In de medische sector, in de land- en tuinbouw, overal ontwikkelen bedrijven hun eigen robotoplossingen. Soms met slechts één vrijheidsgraad, maar ook dan moet de rotatie nauwkeurig worden gemeten. Vaak werken die systemen namelijk met borstelloze motoren en die willen bij de opstart precies weten waar de spoel zich bevindt ten opzichte van de magneten zodat ze de aansturing goed kunnen inregelen. Daar heb je dus een absolute encoder voor nodig.’

‘Ook zijn steeds meer Nederlandse bedrijven bezig met een combinatie van agv’s en cobots’, gaat Ram verder. ‘Ze kopen dan geen kant-en-klaar systeem, maar bouwen het zelf, omdat ze iets speciaals nodig hebben, uit kostenoverwegingen en vaak omdat ze de maakcapaciteiten toch al in huis hebben.’

Voor de meest veeleisende omgevingen valt de keuze meestal op inductieve encoders.

Voor dat soort toepassingen adviseert Sentech over het algemeen om een zogenaamde holle-asencoder te gebruiken. Ram: ‘Dat zijn ringvormige encoders met een open binnenwerk. Heel handig als je kabels door het systeem wilt trekken voor datasignalen of voeding. In het verleden ging dat met sleepcontacten of via speciale kabels die bestand waren tegen verdraaiingen. Je kunt je voorstellen dat dat niet ideaal is. Je bent immers op zoek naar eenvoud, betrouwbaarheid en signaalzekerheid.’

Holle-asencoders bieden hier uitkomst; de kabels gaan door het gat en hebben geen last van de rotaties die de robot maakt. Zulke encoders bestaan uit twee delen: een zender en een ontvanger die contactloos kunnen ronddraaien. ‘Dat is een tweede voordeel. Omdat de delen elkaar niet raken, treedt er ook geen slijtage op zoals in traditionele absolute encoders met assen en lagers’, weet Ram.

Hamvraag

De keuze is reuze in absolute-encoderland. Er zijn heel wat varianten en technologieën op de markt en ze werken allemaal net even anders. In de basis komt het erop neer dat een van de encoderdelen de elektronica aan boord heeft en een veld genereert. Dat kan magnetisch-inductief of elektrisch-capacitief zijn. Het andere deel van de encoder is passief en beïnvloedt dat veld. Die verstoring kun je meten en geeft je informatie over de hoekverdraaiing. Het passieve encoderdeel bevat namelijk een patroon met over de gehele 360 graden een unieke codering – en dus een unieke verstoring. Zo weet het systeem op elk moment en zonder enige voorkennis in welke hoek de encoder staat.

Welke nauwkeurigheid haal je met deze encoders? ‘Dat scheelt nogal per technologie en merk’, antwoordt Ram. ‘Voor de inductieve varianten kiezen we vaak voor de Zettlex-producten van het Amerikaanse Celera Motion. Daarmee kom je tot ongeveer 0,01 graden. De capacitieve encoders, die we meestal betrekken bij het Israëlische Netzer, halen 0,005 graden.’

Er bestaat nog een derde encodervariant, die werkt op basis van optische technologie. Daar kiest Sentech over het algemeen voor de MicroE-productreeks, ook van Celera. ‘Die componenten halen een nauwkeurigheid die vergelijkbaar is met de capacitieve encoders’, weet Ram, die gelijk benadrukt dat het niet alleen om de precisie gaat en er meer parameters meespelen. ‘De applicatie bepaalt voor welke technologie we kiezen.’

De hamvraag is dus: wanneer gebruik je welk encodertype? ‘In een superschone omgeving waarbij de encoder helemaal is ingekapseld en er geen kans is op vervuiling, kun je prima uit de voeten met een optische encoder. Licht, relatief goedkoop en hoge prestaties’, stelt Ram. ‘Als er echter stof of andere deeltjes in het spel zijn, kan zo’n optische encoder vervuilen. Dan kiezen we liever voor een capacitieve encoder van Netzer.’ Die technologie is dan weer gevoelig voor vochtdeeltjes omdat die de capaciteit van het systeem veranderen en de meting verstoren. ‘In de meest veeleisende omgevingen gebruiken we inductieve encoders. Die functioneren bijvoorbeeld zelfs in een op afstand bestuurde onderzeeër die een halve kilometer onder water zijn werk doet.’

Kalibratie

Waar moeten bedrijven op letten als ze absolute encoders in hun systeem willen integreren? ‘Het zijn twee losse delen die je natuurlijk goed ten opzichte van elkaar moet positioneren. Hoe nauwgezet je ook werkt, een menselijk fout sluipt er zo in’, weet Ram. ‘Voor de luchtspleet en de niet-excentriciteit van de ringen moet je denken aan een nauwkeurigheid in de orde van een tiende millimeter. Voor de meeste bedrijven zijn dat specs waarvan ze niet zullen schrikken. Sommige leveranciers zoals Netzer helpen je verder door een kalibratierun in te bouwen. De twee delen tasten elkaars positie af en zo corrigeer je relatief eenvoudig eventuele inbouwfouten.’

De encoders zitten over het algemeen diep in het hart van de machine, dicht tegen de motoren aan. Stoort het sterke magneetveld van die motoren de encodermeting niet? ‘Nee’, zegt Ram. ‘Alle technologieën zijn goed bestand tegen stoorvelden van buitenaf. Dat zit ’m erin dat de ontwikkelaars het signaal tussen de twee delen slim moduleren en aparte frequenties hebben gekozen. Stoorvelden doen er daarom niet toe. Bij de optische variant is dat magneetveld uiteraard sowieso geen probleem.’

Een laatste punt dat Ram wil maken, zal mechanici aanspreken. ‘De encoders zijn heel plat en bijzonder licht. Dat maakt ze zeer geschikt voor robots met hoge versnellingen, waar elke gram extra telt.’