Inkrementalgeber

Zur Auswertung der Signale von Inkrementalgebern ist immer eine externe Auswerteeinheit, z. B. ein Zähler, erforderlich.

• Soll der Winkel erfasst werden, müssen die Informationen aus den Inkrementen ausgewertet werden. Liefert der Inkrementalgeber z. B. 360 Impulse/Umdrehung, so entspricht 1° genau einem Impuls.
• Für die Messung der Winkelgeschwindigkeit (Winkeländerung pro Zeiteinheit) wird die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit berechnet.

Generell sind bei der Signalauswertung einige Punkte zu beachten, siehe Signalauswertung von Inkrementalsignalen.

Für die technische Realisierung eines Inkrementalgebers stehen verschiedene Sensorprinzipien zur Verfügung. Die wohl am weitesten verbreitete Technologie ist die optoelektronische Abtastung, die bei optischen Drehgebern zum Einsatz kommt. Eine weitere Möglichkeit stellen magnetische Messprinzipien dar. Auch „Hall-Encoder“ mit inkrementalen Ausgängen werden angeboten. MEGATRON setzt hier ausschließlich auf moderne, gradientenbasierte Hallsensoren.

Optische vs. magnetische Inkrementalgeber - ein kurzer Vergleich

Optische Inkrementalgeber liefern besonders genaue Signale und eignen sich für Anwendungen, die eine hohe Auflösung erfordern. Sie sind jedoch empfindlicher gegenüber Staub und Feuchtigkeit, was sie in rauen Umgebungen anfälliger macht. Magnetische Inkrementalgeber sind robuster gegenüber Umwelteinflüssen wie Schmutz und Feuchtigkeit und daher besser für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen geeignet, bieten aber im Allgemeinen eine geringere Auflösung.

Kurze Erläuterung des Übertragungsverfahrens:

Das Licht wird kollimiert (parallelisiert) und durchläuft das Kodierrad. Das Rad sorgt dafür, dass periodisch abwechselnd helle und dunkle Bereiche auf die Detektoren treffen. Die Signale der beiden Photodetektoren sind in der Regel um 90° phasenverschoben. Aus der Abfolge der Signale bzw. ihrem Abstand im Ausgangssignal kann die Drehrichtung ermittelt werden.
Der Aufbau variiert je nach Anforderung. Zusätzliche Elemente im Aufbau des Sensors erzeugen z.B. einen Referenzimpuls, der nur einmal pro Umdrehung ein Signal auf einem dritten Kanal erzeugt. Mit dieser Referenz kann der absolute Winkel berechnet werden. Das bedeutet, dass die Anzahl der Impulse von der Referenz aus gezählt wird. Geht der Zählerwert durch eine Unterbrechung der Spannungsversorgung verloren, kann die Information über den Absolutwinkel durch eine Referenzfahrt wiederhergestellt werden.

Kodierräder werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, in der Regel aus Metall, Glas oder Kunststoff. Für preisgünstige Kodierräder wird überwiegend Kunststoff verwendet. Kodierräder aus Metall sind sehr robust. Vergleicht man Metall mit Glas oder Kunststoff, so lassen sich bei gleichem Durchmesser mit Metall im transmissiven Verfahren nicht so hohe optische Auflösungen erzielen. Beim reflektiven Verfahren wird die Inkrementalstruktur auf das Kodierrad aufgedruckt und es können feinere Strukturen realisiert werden.

Genauigkeit und Auflösung unter verschiedenen Bedingungen

Die Genauigkeit eines Inkrementalgebers wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:

• Auflösung des Gebers: Die Anzahl der Pulse pro Umdrehung bestimmt zum großen Teil die Messgenauigkeit. Denn ein Geber kann eine hohe Auflösung haben, aber durch äußere Einflüsse oder Materialtoleranzen an Genauigkeit einbüßen.
• Signalqualität: Die Qualität des Ausgangssignals kann von Rauschen oder Signalverzerrungen beeinträchtigt werden.
• Betriebsbedingungen: Schmutz, Staub, Feuchtigkeit oder extreme Temperaturen können die Genauigkeit, besonders bei optischen Gebern, reduzieren.
• Montage und Ausrichtung: Eine exakte Installation minimiert Abweichungen.
• Mechanische Belastung: Vibrationen oder mechanische Spannungen können die Genauigkeit ebenfalls beeinflussen.

Die Rechtecksignale von „Kanal B“ sind den Signalen von „Kanal A“ entweder um 90° voraus oder um 90° nacheilend. Ob das Signal von „Kanal B“ dem Signal von „Kanal A“ um 90° vorauseilt oder nacheilt, hängt vom Produkt ab und ist im Datenblatt angegeben. In der Regel findet sich dort eine Abbildung der Signalausgangsfunktion in Verbindung mit der Angabe dem Drehsinn, in der die Signalfolge der Kanäle dargestellt ist.

Beispiel: In der nebenstehenden Abbildung ist als Drehsinn als CW (CW=ClockWise) definiert.
Betrachtet man den Encoder von vorne (das Wellenende des Winkelcodierers zeigt in Richtung des Betrachters) und dreht die Welle des Encoders im Uhrzeigersinn, so eilt das Signal von „Kanal B“ dem Signal von „Kanal A“ um 90° hinterher. Dreht sich die Welle dagegen gegen den Uhrzeigersinn, so eilt das Signal von „Kanal B“ dem Signal von „Kanal A“ um 90° voraus.

Dieser Zusammenhang kann in einer Auswerteeinheit zur Drehrichtungserkennung genutzt werden. Impulszahl, Impulslänge und Periodendauer von Spur A und Spur B sind identisch. Beim Austausch eines Drehgebers durch einen anderen Typ sind diese Eigenschaften entscheidend, da die Programmierung der Auswerteeinheit nicht geändert werden muss, wenn die Signalfolgen der auszutauschenden Produkte identisch sind.

Häufig ist optional eine weitere Spur wählbar, die sogenannte Indexspur oder „Z-Spur“. Am Ausgang der Z-Spur wird bei jeder vollen Wellenumdrehung (360°) ein Indexsignal in Form eines einzelnen Rechteckimpulses ausgegeben.

Das Indexsignal hat zwei Hauptfunktionen:

• Als Nullpunktreferenz: Nach einer Spannungsfreiheit kann mit Hilfe des Indeximpulses ein definierter Nullpunkt angefahren werden.
• Als Referenzimpuls: Insbesondere bei Drehgebern, die mit sehr hohen Betätigungsgeschwindigkeiten betrieben werden, hat der Referenzimpuls als separater Zählimpuls für eine volle Betätigung / Umdrehung eine Kontrollfunktion.

Fallbeispiel:
Es wird geprüft, ob zwischen zwei aufeinander folgenden Indeximpulsen die Anzahl der „normal“ gezählten Impulse mit der erwarteten Anzahl übereinstimmt. Wird z. B. ein Winkelcodierer mit der Spezifikation 16000 Imp./Udr. verwendet und die Auswerteeinheit zählt weniger als 16000 Impulse pro volle Umdrehung, so liegt ein Fehler vor.

Beispiel:
Ist im Datenblatt des Inkrementalgebers eine Auflösung von 1024 Imp./Udr. angegeben, so würde diese bei Flankenauswertung vervierfacht, was 4096 Signalen pro Umdrehung pro Kanal entspricht. Die soeben beschriebene Flankenauswertung wird auch als „Quadratursignal mit Richtungsinformation“ bezeichnet. Eine Flankenauswertung kann z.B. auf Basis des von MEGATRON angebotenen integrierten Schaltkreises LS7083 realisiert werden.

Beispiel für die Beschreibung des Toleranzfeldes einer viertel Periodendauer

Im Idealfall besteht ein Inkrement und damit eine Periode aus vier äquidistanten Signalanteilen (C/4). Da in der Praxis eine Signalperiode nicht aus vier gleichen Teilen besteht, wird das mögliche Verhältnis und damit das Toleranzband der vier Teile einer Signalperiode (T) zueinander beschrieben. Der folgende Term besagt, dass ein Viertel der Signalperiode um ein Zwölftel der Signalperiode schwanken kann:

\(S1,S2,S3,S4 = \frac {C} {4} \pm \frac {C} {12}\)

Beispiel für die Beschreibung des Toleranzfeldes einer halben Periodendauer

Ein Inkrement und damit eine Signalperiode besteht im Idealfall aus zwei äquidistanten Signalanteilen (C/2). Da eine Signalperiode nicht immer genau aus zwei gleich langen Wellenpaaren besteht, wird das mögliche Verhältnis der beiden Wellenpaare einer Signalperiode (T) zueinander beschrieben. Der folgende Term besagt, dass eine halbe Periodendauer bzw. eine halbe Signalperiode bzw. eine halbe Wellenlänge um plus/minus ein Zwölftel vom Ideal abweichen kann.

\(P = \frac {C} {2} \pm \frac {C} {12}\)

Beschreibung des möglichen Phasenversatzes zwischen Kanal A und B

Im Idealfall beträgt die Phasenverschiebung zwischen den Kanälen A und B genau 90° (neunzig Grad). Diese 90° werden durch das Verhältnis C/4 dargestellt. Ein Viertel einer Signalperiode entspricht also 90°. Der Fehler kann in diesem Fall ± C/24 betragen, also plus/minus ein Vierundzwanzigstel. Ein Vierundzwanzigstel entspricht 360°/24, was einem möglichen Phasenfehler von plus/minus 15° entspricht. Die Inkrementbeziehung zwischen den Kanälen A und B kann also im Bereich von 90° ±15° und die Phasenbeziehung zwischen den Kanälen A und B im Bereich von 75°...105° liegen.

\(Ф = \frac {C} {4} \pm \frac {C} {24}\)

Beschreibung des Toleranzbandes der Pulslänge des Index-Impulses (Kanal Z)

Der Indeximpuls wird bei kontinuierlichem Betrieb der Welle in einer Richtung einmal pro 360° ausgegeben. Eine Periode entspricht C. Die Darstellung C/4 bedeutet, dass der Indeximpuls im Idealfall ¼ der Länge einer Signalperiode entspricht. Die Pulsbreite des Indeximpulses kann vom Ideal, d.h. der Länge einer viertel Signalperiode (=C/4), um plus/minus ein Zwölftel einer Signalperiode abweichen.

Das bedeutet, dass die Pulsbreite des Indeximpulses zwischen 1/3 (=C/3) und 1/6 (=C/6) einer Signalperiode variieren kann.

\(Po = \frac {C} {4} \pm \frac {C} {12}\)

Bei diesem Verfahren wird das optische System des Drehgebers nicht wie bei einem konventionellen optischen Inkrementalgeber so genutzt, dass abrupte Zustandswechsel zwischen Transmission und Transmissionsunterbrechung bzw. Reflexion und Reflexionsunterbrechung auftreten. Stattdessen wird ein möglichst fließender Übergang zwischen keiner und maximaler Transmission bzw. Reflexion realisiert. Dieser fließende Übergang führt zu einem sinusförmigen Signalverlauf. Um einen zweiten Kanal zu realisieren, der ein Kosinussignal erzeugt, werden eine weitere LED und ein Fototransistor benötigt. Das Sinus- und Kosinussignal werden anschließend digitalisiert. Hierbei wird in der Regel eine kontinuierliche Abtastrate verwendet.

Beispiel:
Bei Verwendung eines Kodierrades, aus dem 8 Sinusperioden gewonnen werden, entspricht dies einer Auflösung von 3 Bit. Wird dieses Sinussignal jedoch mit 10 Bit abgetastet, so ergibt sich eine (Digitalisier-)Auflösung von 213 Bit, was einer Auflösung von 8192 Imp./Udr. entspricht. Der Vorteil des Prinzips liegt also auf der Hand.

Es sind auch optische und magnetische Drehgeber mit Analogausgang erhältlich, die sinus- und kosinusförmige Analogsignale liefern. Mit einem solchen Geber ist eine nachgeschaltete Interpolation möglich.

Inkrementale Signale eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften (hoch-niedrig, ein-aus, Bool‘sche Logik) besonders für die Zusammenarbeit mit digitalen Schaltungen. Viele Serien von Inkrementalgebern bieten daher Schnittstellen an, die eine einfache Integration in solche Schaltungen ermöglichen:

• OC (Open Collector)
• Standard-Spannungsausgang bzw. TTL (Transistor-Transistor-Logik)
• PP (Push Pull)

Bei der Open-Collector-Schaltung ist es in der Regel erforderlich, zwischen der Versorgungsspannung und den Signalausgängen A, B und Z des Gebers (Collector) jeweils einen Pull-Up-Widerstand zu platzieren. Damit wird sichergestellt, dass die Pegel von der Auswerteeinheit als Low- und High-Pegel erkannt werden können. Ein typischer Wert für den Pull-up-Widerstand kann 4,7 kOhm betragen. Die maximale Kollektorspannung hängt vom verwendeten Transistor ab und ist in der Regel im Datenblatt des Drehgebers angegeben. Da sie in einigen Fällen über 50 V liegt, können Inkrementalsignale mit sehr hohem Signalpegel über große Leitungslängen übertragen werden. Durch die Variabilität der Höhe der Kollektorspannung ist auch eine Pegelwandlung möglich.