Encoder-Typen und Konfiguration für Servoantriebe
Was sind Encoder?
Encoder sind Positionssensoren, die dem Servoantrieb die aktuelle Winkellage und Geschwindigkeit des Rotors mitteilen. Sie sind unverzichtbar für die feldorientierte Regelung (FOC), die Positions- und Geschwindigkeitsregelung sowie die funktionale Sicherheit. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Encoder-Typen und Kommunikationsprotokolle zum Einsatz.
Warum ist die Encoder-Wahl wichtig?
Die Wahl des Encoders beeinflusst direkt die Leistungsfähigkeit des gesamten Antriebssystems:
- Auflösung — höhere Auflösung ermöglicht glattere Geschwindigkeitsregelung (weniger Quantisierungsrauschen), höhere Regler-Gains und bessere Drehmomentqualität bei niedrigen Drehzahlen
- Kommutierung — FOC benötigt den elektrischen Winkel. Absolutwertgeber liefern ihn sofort beim Einschalten, Inkrementalgeber erfordern eine Offset-Erkennung
- Genauigkeit — Auflösung und Genauigkeit sind nicht dasselbe. Ein 20-Bit-Encoder hat 1.048.576 Positionen pro Umdrehung, aber die tatsächliche Genauigkeit hängt von der Fertigung ab
- Sicherheit — für SIL 2/3 und PLd/e sind redundante Dual-Encoder-Konfigurationen mit Kreuzvalidierung erforderlich
- Kosten — von einfachen Hall-Sensoren bis zu hochauflösenden Absolutwertgebern mit Safety-Protokoll
Wie funktioniert es?
Inkrementelle Encoder (ABZ):
Zwei um 90° versetzte Rechtecksignale (A und B) erzeugen Quadratur-Impulse. Durch die Phasenbeziehung wird die Drehrichtung erkannt. Ein Index-Puls (Z) pro Umdrehung dient als Referenzpunkt. Auflösung typisch: 1024–8192 PPR (×4 durch Quadratur-Dekodierung). Position geht beim Ausschalten verloren.
Absolutwertgeber (Single-Turn / Multi-Turn):
Liefern eine eindeutige digitale Position für jeden Winkel — die Position bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Multi-Turn-Encoder zählen zusätzlich vollständige Umdrehungen (über Getriebe, Wiegand-Effekt oder Batterie).
BiSS-C (Bidirectional Synchronous Serial):
Offenes, bidirektionales serielles Protokoll mit Taktraten bis 10 MHz, CRC-Fehlerprüfung und Register-Zugriff. Hardware-kompatibel mit SSI. Bevorzugt für hochauflösende Absolutwertgeber.
SSI (Synchronous Serial Interface):
Unidirektionales serielles Protokoll (nur Lesen, kein Schreiben), bis 1,5 MHz. Einfach und robust, aber ohne Diagnose- oder Konfigurationsmöglichkeit.
Hall-Sensoren:
Drei um 120° versetzte Sensoren liefern eine grobe Positionsinformation (60° elektrische Auflösung, 6 Zustände pro elektrischem Zyklus). Kostengünstig und ausreichend für Block-Kommutierung, aber zu ungenau für hochpräzise FOC allein.
Hall + ABI Kombination:
SOMANET ermöglicht die Kombination von Hall-Sensoren (für sofortige Kommutierung beim Einschalten) mit einem Inkremental-Encoder (für hohe Auflösung im Betrieb). Sobald der Index-Puls erkannt wird, wird der elektrische Winkel auf den kalibrierten Offset-Wert nachgeführt.
Wie setzt SOMANET das um?
SOMANET Antriebe unterstützen zwei unabhängige Encoder-Ports (0x2110 und 0x2112) mit folgenden Schnittstellen: BiSS-C, SSI, Inkremental ABZ, Hall-Sensoren, SinCos, Nikon und REM 16MT (integrierter Magnetsensor). Jeder Encoder wird einer von drei Funktionen zugewiesen: Kommutierung, Motion-Control-Feedback oder Monitoring.
Der SOMANET Circulo integriert bis zu zwei magnetische Absolutwertgeber (bis 20-bit Auflösung) direkt im Antriebsgehäuse — einen auf der Motor- und einen auf der Abtriebsseite. Das ermöglicht echte Dual-Loop-Regelung ohne externe Encoder-Verkabelung.
Die Kommutierungs-Offset-Erkennung (0x2009) bietet drei Methoden: Strominjektions-Sweep, PID-gesteuerte Ausrichtung und statische Injektion bei angezogener Bremse.
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