Maxon-Encoder ENX 16 RIO

Vorteile hochauflösender Encoder und ihr Praxisnutzen

| Autor / Redakteur: Dr. Volker Schwarz / Silvano Böni

ENX 16 RIO – der reflektive optische Encoder mit bis zu 65 536 Impulsen pro Umdrehung in einem robusten Gehäuse (16 mm Durchmesser, 7 mm lang).
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ENX 16 RIO – der reflektive optische Encoder mit bis zu 65 536 Impulsen pro Umdrehung in einem robusten Gehäuse (16 mm Durchmesser, 7 mm lang). (Bild: Maxon)

In jüngster Zeit kommen vermehrt hochauflösende Encoder auf den Markt. Auch Maxon Motor hat mit dem kompakten ENX 16 RIO ein Spitzenmodell präsentiert. Doch für welche Anwendungen sind hohe Encoderauflösungen besonders vorteilhaft?

Die Anforderungen an Encoder nehmen laufend zu. Das gilt besonders bei Positionier­anwendungen wie zum Beispiel der Platzierung elektronischer Bauelemente. Grund ist die steigende Anzahl elektrischer Kontakte bei gleichzeitig schrumpfenden Gehäuse­abmessungen moderner, hochkomplexer integrierter Schaltkreise wie Mikroprozessoren oder programmierbarer Logikbausteine (FPGA). Zum Beispiel erfordert ein modernes 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 dann 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 die notwendige 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 – und das neben der hohen Auflösung. Nicht zuletzt soll auch ein hochauflösender Encoder möglichst wenig zusätzlichen Bauraum beanspruchen und elektrisch wie mechanisch robust sein.

Die Maxon-Lösung mit 65 536 Impulsen pro Umdrehung

Der neue Maxon-Encoder ENX 16 RIO (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 durch den Einsatz neuester Technologien. Und sein Gehäuse mit 16 mm Aussendurchmesser und 7 mm Baulänge ist mechanisch sehr robust – dank einer kunststoffverspritzten Bauweise.

Direkt auf der Motorwelle platziert

Der ENX 16 RIO ist ein inkrementeller Dreikanal­encoder mit differentiellen 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 einer sehr hohen Auflösung von 16 384 Impulsen pro Umdrehung immer noch 10 000 rpm möglich. Und das 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 Encoder ENX 16 RIO 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 nach IP5x – dieser optische Encoder eignet sich also auch für «schmutzige» Umgebungen. 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

Der hochauflösende Encoder ist besonders geeignet für hochpräzise 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 differentielle Schnittstelle nach RS422 und die staubdichte Montage auf die vorgesehenen Maxon-Motoren ermöglichen neue Lösungen in vielen hoch-wertigen Anwendungsgebieten: Präzisionsmesstechnik, Druckmaschinen, Delta-Roboter, 3D-Drucker, Plotter, Operationsroboter, haptische Anwendungen, elektronische Bauteileplatzierung und vieles mehr.

Was man dabei nicht vergessen darf: Um den vollen Nutzen aus diesem neuen Encoder zu ziehen, müssen auch der Positions- beziehungsweise Drehzahlregler entsprechend dynamisch und gut eingestellt sein, was mit den performanten Controllern von Maxon (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. SMM

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