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2    Impulsgeber

Einstieg Drehgeber und Lineargeber dienen zur Erfassung von Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, Weg und Position bewegter Objekte.
Präzision, Dynamik, Handhabung und Wirtschaftlichkeit sind die Parameter, durch deren Abwägung eine Vielzahl von Typen und Bauformen entstanden sind.
Summary Rotary and linear encoders are used for recording direction, speed, travel and position of moving objects.
Trade-off among parameters like precision, dynamics, usability and cost-effectiveness have produced a variety of types.

2.1   Definition

Impulsgeber lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Drehgeber (Winkelgeber, Winkelschrittgeber) erfassen die Winkelstellung einer Drehachse, Lineargeber die Position bei einem linearen Verschiebungsweg. Beide stellen die quantisierte Information auf 1 bis n Binärkanälen zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.

2.2   Verwendung

Je nach Anwendungszweck ermittelt eine nachgeschaltete Informationsverarbeitung daraus
  • Winkelweg, Winkelgeschwindigkeit, Drehrichtung und Winkelposition bzw.

  • Linearweg, Lineargeschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Linearposition.

Für die verschiedenen Einsatzgebiete wurde eine Vielzahl von spezialisierten Ausführungen entwickelt. Die folgende Beschreibung beschränkt sich auf Drehgeber. Die meisten Prinzipien sind jedoch auch auf Lineargeber übertragbar.

2.3   Technologie

Die historische Entwicklung und die unterschiedlichen Anforderungen diverser Anwendungen führten zu einer Vielzahl von technischen Ausführungsformen:

2.3.1 Mechanische Drehgeber

Verbindet man die Welle eines mechanischen Drehschalters mit der zu messenden Welle, erhält man die einfachste Ausführung eines Drehgebers mit mechanischen Schleifkontakten. Auch wenn weiterentwickelte Ausführungen auf höhere Drehzahlen und längere Lebensdauer getrimmt wurden, genügt dieser Typ jedoch den heutigen Anforderungen nicht mehr und verliert deshalb zunehmend an Bedeutung.

2.3.2 Magnetische Drehgeber

Magnetische Ausführungen arbeiten meist mit Hallsensoren und einer Anordnung von Permanentmagneten. Sie werden vorteilhaft bei Handbetrieb eingesetzt.

2.3.3 Induktive Geber

Sie haben ihren Einsatzbereich vor allem bei ungünstigen Umgebungsbedingungen wie Schmutz oder Erschütterungen, z.B. im Auto. Metallische Geber beeinflussen die Güte von Spulen. Als Ausgangssignale erhält man sinusmodulierte Hochfrequenzschwingungen, die auch bei Stillstand noch auswertbar sind.

2.3.4 Elektromagnetische Geber

"Drehmelder" benutzen transformatorische Kopplung zwischen Stator- und Rotorwicklungen, um Sinussignale zu erzeugen, deren Frequenz der Drehzahl des Rotors proportional ist. Da sehr langsame Bewegungen kaum auswertbar sind, waren und sind diese Typen vor allem für Drehzahlregelungen im Einsatz. Sie verlieren jedoch zunehmend an Bedeutung. Typen mit mehreren phasenverschobenen Ausgangssignalen werden auch als "Resolver" bezeichnet.

2.3.5 Lichtschranken

Optoelektrische Geber sind am weitesten verbreitet. Sie enthalten eine oder mehrere feststehende Lichtschranken. Bei der Durchlichtversion stehen sich Lichtsender und -empfänger in Form einer Gabellichtschranke gegenüber. Zwischen beiden befindet sich eine runde Codescheibe mit lichtdurchlässigen (hellen) und lichtundurchlässigen (dunklen) Sektoren (Abb. 2-1). Diese Codescheibe ist mit der Welle, deren Winkelstellung bestimmt werden soll, direkt oder indirekt verbunden. Bei Drehung der Welle werden die Lichtstrahlen von den Sektoren der Codescheibe durchgelassen oder unterbrochen. Der Fotoempfänger wandelt das empfangene modulierte Licht in Stromimpulse um. Bei der Auflichtversion verwendet man Reflexionslichtschranken, bei denen sich Sender und Empfänger auf der gleichen Seite der Codescheibe befinden, die in diesem Fall reflektierende und nicht reflektierende Sektoren enthält. Die nachfolgenden Beschreibungen beziehen sich alle auf die Durchlichtversion, obwohl die meisten Funktionen auch mit Auflicht realisiert werden können.
Ist die Breite eines Sektors groß gegenüber dem Strahldurchmesser der Lichtschranke, erhält man trapezförmige, ist sie klein gegenüber dem Strahldurchmesser, erhält man sinusförmige Ausgangssignale (Abb. 2-2). Für Standardanwendungen werden beide durch nachfolgende Komparatoren in Rechteckform gebracht.

2.4   Antriebsart

Impulsgeber für Handbetrieb gibt es mit Auflösungen von 10 bis etwa 100 Schritten pro Umdrehung. Zur relativ groben Auswahl von Tabellenpositionen wird ein Zeiger über ein Bildschirmmenu bewegt. Dafür werden mechanische oder magnetische Ausführungen bevorzugt, weil diese mit ausgeprägter Rastung erhältlich sind und so das Loslassen an einer Zwischenposition verhindern. Zur feineren Positionsbestimmung auf dem Bildschirm werden optoelektrische Ausführungen meist paarweise in Mäusen (Abschnitt 4.4.3: Maus) und in Rollkugeln (Abschnitt 4.4.4: Rollkugel) verwendet.
Bei geregelten Antrieben (Geschwindigkeits- oder Positionsregelung) werden motorgetriebene Impulsgeber mit der Antriebsachse verbunden und zur Erfassung der Istzustände eingesetzt. Für diese Anwendung werden optoelektrische Ausführungen bevorzugt, die bei kleineren Reibungsverlusten wesentlich höhere Auflösungen ermöglichen.

2.5   Grundfunktion

2.5.1 Weg und Geschwindigkeitsmessung

Die einfachste Anwendung ist die Ermittlung von (relativen) Wegen. Dazu genügt es, die Impulse (Hell-Dunkel-Paare) eines Kanals eines inkrementalen Impulsgebers zu zählen (Abb. 2-2):

Weg/Winkel und Winkel/Impuls sind konstruktiv bedingt und daher bekannt.
Verbunden mit einer Zeitmessung erhält man eine Aussage über die Geschwindigkeit:

Bei schneller Bewegung zählt man die Impulse pro Zeiteinheit, bei langsamer Bewegung misst man die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsflanken.
Will man zusätzlich die Drehrichtung (Bewegungsrichtung) erkennen (z.B. rechts/links, vorwärts/rückwärts), benötigt man zwei Kanäle eines inkrementalen Impulsgebers mit elektrisch phasenverschobenen Ausgangssignalen (vorzugsweise 90°). Bei Rechtsdrehung der Impulsscheibe trifft die Flanke hell-dunkel des Kanals 1 auf den Zustand hell des Kanals 2, bei Linksdrehung trifft sie auf den Zustand dunkel.
Eine Auswerteschaltung besteht aus einer Richtungserkennung (z.B. einem Latch) und einem Zähler, der bei erkannter Vorwärtsrichtung aufwärts und bei Rückwärtsrichtung abwärts zählt. In der einfachsten Version zählt man z.B. die positiven Impulse eines Kanals. Mit etwas elektrischem Aufwand (Exklusiv-Oder-Verknüpfung der beiden Kanäle) kann man bei gleicher Geometrie die Gesamtauflösung (Zählwerte/Winkel) verdoppeln bzw. vervierfachen, wenn man alle Flanken der beiden Kanäle auswertet.

2.5.2 Positionsmessung

Der Auswertezähler eines inkrementalen Impulsgebers kann beim Einschalten der Versorgungsspannung einen beliebigen Wert annehmen. Um ihn für die Messung von Absolutpositionen verwenden zu können, muss zunächst eine bestimmte Null- oder Referenzposition angefahren werden, deren Erreichen mit anderen Mitteln festgestellt werden muss. An dieser Position wird der Zähler auf einen definierten Anfangswert gesetzt. Manche Impulsgeber liefern bereits einen Referenzimpuls über einen dritten Kanal. Sie enthalten dafür einen weiteren Ring auf ihrer Impulsscheibe mit nur einem einzigen Hell-Dunkel- und einem Dunkel-Hell-Übergang. Bei der Montage muss der Impulsgeber so justiert werden, dass der Referenzimpuls an der definierten Referenzposition auftritt. Umfasst der Messbereich mehr als eine Umdrehung der Impulsscheibe, wird der Referenzimpuls mehrdeutig. Er muss dann mit anderen Mitteln eindeutig gemacht werden, z.B. durch einen zweiten Impulsgeber, der sich mit Hilfe eines Getriebes um einen Schritt bewegt, während der erste eine volle Umdrehung macht..
Erscheint dieses Verfahren zu unsicher oder muss die absolute Position auch unmittelbar nach dem Einschalten oder nach Stromausfall bekannt sein, ist der Einsatz eines (wesentlich teureren) absoluten Impulsgebers erforderlich. Seine Impulsscheibe enthält beim Basistyp n Sektorringe, die von n Lichtschranken abgetastet werden. Der Messwert für die absolute Position wird mit n bit parallel zur Auswerteschaltung übertragen. Die ohne Klimmzüge erreichbare Auflösung beträgt 2048 Schritte pro Umdrehung. Die Verwendung eines Gray-Codes, bei dem nie zwei Kanäle gleichzeitig ihren Zustand wechseln, reduziert die benötigte mechanische Präzision und damit die Kosten (Abb. 2-3).

2.6   Spezialtypen

2.6.1 Doppelschrittgeber

Sie werden auch Doppelspurgeber genannt und enthalten je einen Sektorring mit grober und einen mit feiner Einteilung (auf 1 oder 2 Impulsscheiben). Bei schneller Bewegung wird der grobe, bei langsamer Bewegung der feine Ring ausgewertet.

2.6.2 Differenzspurgeber

Sie enthalten zwei zueinander komplementäre Sektorringe, die von einem gemeinsamen Lichtsender bestrahlt werden, aber einen Empfänger pro Ring enthalten. Leitet man die beiden Ausgangssignale auf die Eingänge eines Komparators, erhält man ein symmetrisches Rechtecksignal ohne zusätzlichen Justieraufwand. Auch Alterungseffekte der Lichtquelle werden damit kompensiert.

2.6.3 Doppelreferenzimpulsgeber

Bemisst man den Hellsektor des Referenzkanals so, dass er genau dem benötigten Messbereich entspricht, kann man Anfang und Ende des Messbereichs als Referenzpunkte verwenden.

2.6.4 Hochauflösende Inkrementalgeber

Um die Auflösung zu steigern, kann man die Strichbreite der Codierscheibe verkleinern. Da die Optoempfänger nicht im selben Maß beliebig verkleinert werden können, kommt man irgendwann in Bereiche, wo die Strichbreiten klein sind gegenüber der aktiven Fläche des Empfängers. Es befinden sich deshalb immer mehrere Hell- und Dunkelsektoren im Strahlengang. Bei dem in (Abb. 2-2) dargestellten Prinzip würde die Ausgangsamplitude sehr klein. Man führt deshalb eine feststehende "Phasenscheibe" mit gleichem Strichmuster wie auf der Codierscheibe ein. Bei Drehung werden damit alle Sektoren im Strahlengang gleichzeitig ab- oder aufgeblendet.

2.6.5 Hochauflösende Absolutgeber

Beim herkömmlichen Absolutgeber braucht man pro Bit einen Optoempfänger und eine Spur auf der Codierscheibe. Bei Auflösungen von 4096 Schritten (12 bit) / Umdrehung und höher können deshalb die Codierscheiben unhandlich groß werden. Dem kann man dadurch entgehen, dass man einen zyklischen Pseudozufallscode (PRC) auf eine Spur der Scheibe abbildet. Die Sender-Empfänger-Paare (wie bei der Standardversion n Stück für n bit) sind jetzt entlang dieser Spur angeordnet (Prinzip s. Abb. 2-1 letzte Zeile) im gegenseitigen Abstand einer Sektorbreite. Die dafür erforderlichen Opto-Asics sind bei Absolutgebern sowieso Stand der Technik. Die Abmessungen der verwendeten Asics legen allerdings den Durchmesser der Codierscheibe fest. Erkauft wird der Vorteil durch die Aufgabe des Gray-Codes. Es könnten jetzt wieder Toleranzprobleme auftreten bei gleichzeitigen Hell-Dunkel-Übergängen. Dafür führt man jedoch eine zusätzliche Inkrementalspur ein, mit der man nicht nur den optimalen Abtastzeitpunkt für die PRC-Spur bestimmen, sondern über AD-Wandler noch weitere Auflösungsbits erhalten kann. Eine praktische Umsetzung dieses Prinzips arbeitet mit zwei antivalenten PRC-Spuren (Differenzspurgeber) mit einer Auflösung von 12 bit/Umdrehung und einer zusätzlichen Inkrementalspur, die weitere 6 bit Auflösung beisteuert. Das Resultat ist ein 18 bit Absolutgeber in ziemlich kompakter Bauweise.