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Der neue reflektive optische Encoder ENX 16 Rio mit bis zu 65.536 Impulsen pro Umdrehung in einem robusten Gehäuse (16 mm Durchmesser, 7mm lang). Hier als Kombination mit einem konfigurierbaren DC-Motor (DCX 16 S). (Bild: Maxon Motor)

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Der reflektive optische Encoder ENX 16 Rio: ein Blick in das Sensorgehäuse. Maxon Motor

Die Anforderungen an Encoder nehmen laufend zu. Das gilt besonders bei Positionieranwendungen wie zum Beispiel der Platzierung elektronischer Bauelemente. Grund sind die steigende Anzahl elektrischer Kontakte bei gleichzeitig schrumpfenden Gehäuseabmessungen hochkomplexer integrierter Schaltkreise wie Mikroprozessoren oder programmierbare Logikbausteine (). Zum Beispiel erfordert ein WF-XBGA-Gehäuse nach der JEDEC-Norm MO-298 mit bis zu 2601 Kontakten im Rastermaß 0,4 mm eine Positionsgenauigkeit von 0,4°m oder 1/900 einer Umdrehung. Ein Rotationsencoder sollte eine etwa zehnfach höhere Auflösung haben. Für einen Inkrementalencoder ergibt sich somit eine Auflösung von mindestens 2250 Impulsen pro Umdrehung (cpt).

Für Anwendungen mit hochkonstanter Drehzahlregelung sind die Anforderungen an die Encoderauflösung nochmals wesentlich höher: Durch einen quadratischen Zusammenhang zwischen der geforderten maximalen Abweichung der Drehzahl vom Sollwert und der notwendigen Encoderauflösung sind hier Encoder mit mehreren 10.000 Impulsen pro Umdrehung gefordert. Dabei gilt: je kleiner und trägheitsarmer das Antriebssystem, desto höher ist die erforderliche Auflösung.

Encoder sollen robust und kompakt sein

In beiden Anwendungsfällen wird für ein agiles, dynamisches Endsystem eine verhältnismäßig hohe maximale Drehzahl mit fehlerfreier Encoderfunktion verlangt, zusätzlich zu einer hohen Auflösung. Nicht zuletzt soll auch ein hochauflösender Encoder möglichst wenig zusätzlichen Bauraum beanspruchen und elektrisch wie mechanisch robust sein.

Maxon-Lösung mit 65.536 Impulsen pro Umdrehung

Der Encoder ENX 16 Rio von Maxon (RIO steht dabei für Reflektiv, Interpoliert, Optisch) erfüllt die geforderten Eigenschaften eines hochauflösenden optischen Encoders in einer besonders kompakten Bauform. Er erreicht bis zu 65.536 Impulse pro Umdrehung. Dank einer kunststoffverspritzten Bauweise ist sein Gehäuse mit 16 mm Außendurchmesser und 7 mm Baulänge mechanisch sehr robust.

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Der ENX 16 Rio ist ein inkrementeller Dreikanalencoder mit differenziellen EIA-RS422-kompatiblen Ausgangssignalen. Die Auflösung ist von 512 Impulsen pro Umdrehung bis zur maximalen Auflösung werksseitig konfigurierbar. Bis zu einer Auflösung von 4096 Impulsen pro Umdrehung arbeitet der Encoder fehlerfrei bis zur Drehzahl von 40.000 rpm. Bei doppelter Auflösung halbiert sich die maximale Drehzahl aufgrund der maximalen Ausgangspulsfrequenz von 3 MHz. Allerdings sind mit sehr hohen Auflösungen von 16.384 Impulsen pro Umdrehung immer noch 10.000 rpm möglich, bei einer sehr kompakten Bauform. Die hohe Geschwindigkeit wird durch das „fremdgelagerte“ Konstruktionsprinzip ohne federnde Kupplungselemente unterstützt – durch die Montage des Target direkt auf die Motorwelle kann die volle Dynamik in Positionieranwendungen genutzt werden.

Beim ENX-16-Rio-Encoder kommt eine Strichscheibe mit 256 Strichen zum Einsatz. Mit der programmierbaren Interpolation bis 256 wird die Auflösung bis zu 65.536 Impulse pro Umdrehung erreicht. Durch Quadraturauswertung der Inkremente beträgt die maximale Positionsauflösung daher 18 bit. Der Encoder ist trotz seiner hohen Auflösung sehr robust: Der Einsatztemperaturbereich beträgt -40 bis +100 °C. Die kunststoffverspritzte Leiterplatte ergibt in Kombination mit dem passenden Motorflansch ein staubdichtes Gehäuse. Mit dem ENX 16 Rio erhalten Ingenieure eine modulare Lösung für einen großen Bereich von Maxon-Motoren. Kombinationen sind möglich für Direktantriebslösungen auf der Basis der Baureihen DCX 16 bis DCX 35, EC-4pole 22 und EC-4pole 30 sowie der eisenbehafteten Innenläufermotoren EC-i 30, EC-i 40 und EC-i 52.

Von 3D-Druckern bis Operationsroboter

Tabelle

Tabelle 1: Datenblatt des ENX-16-Rio-Encoders. Maxon Motor

In Tabelle 1 sind die wichtigsten Kenndaten des Encoders ENX 16 Rio zusammengefasst. Dieser neue hochauflösende Encoder ist dabei besonders geeignet für hochpräsize Positions- und Drehzahlregelung. Dabei sind wegen der hohen maximalen Impulsfrequenz und des fremdgelagerten Bauprinzips kaum Kompromisse bei der Geschwindigkeit und Dynamik der Regelungsaufgabe nötig. Das robuste Gehäuse im ENX-Format, der große Einsatztemperaturbereich, die differenzielle Schnittstelle nach RS422 und die staubdichte Montage auf die Motoren ermöglichen neue Lösungen in vielen hochwertigen Anwendungsgebieten: Präzisionmesstechnik, Druckmaschinen, Delta-Roboter, 3D-Drucker, Plotter, Operationsroboter, haptische Anwendungen, elektronische Bauteileplatzierung und vieles mehr.

Nicht zu vergessen: Um den vollen Nutzen aus diesem Encoder zu ziehen, müssen auch der Positions- beziehungsweise Drehzahlregler entsprechend dynamisch und gut eingestellt sein, was mit den performanten Controllern Escon, Epos4 und Maxpos) möglich ist. Ebenfalls müssen die abtriebsseitigen mechanischen Komponenten höchsten Qualitäts- und Präzisionsanforderungen genügen. Vorzugsweise werden hochauflösende Encoder daher in direkt angetriebenen Applikationen eingesetzt.

Dr. Volker Schwarz

Maxon Motor

(ah)

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