Unterscheidung zwischen Inkrementalgebern und Absolutwertgebern

Encoder lassen sich anhand ihres Signalprinzips in Inkremental- und Absolutwertgeber unterteilen. Das Funktionsprinzip eines Inkrementalgebers (Drehgeber) ist wie folgt: Er besteht aus einer fotoelektrischen Codierscheibe mit zentraler Achse und kreisförmigen hellen und dunklen Markierungen. Fotoelektrische Sende- und Empfangseinheiten lesen diese Markierungen aus und erzeugen vier Sätze von Sinussignalen A, B, C und D. Jede Sinuswelle ist um 90 Grad phasenverschoben (360 Grad relativ zu einer Periode). Die Signale C und D werden invertiert und den Phasen A und B überlagert, um die Signalstabilität zu verbessern. Zusätzlich wird pro Umdrehung ein Z-Phasenimpuls ausgegeben, der die Nullpositionsreferenz darstellt. Da die Phasen A und B um 90 Grad phasenverschoben sind, lässt sich die Drehrichtung (vorwärts oder rückwärts) durch Vergleich der Phasen A und B bestimmen. Die Nullpositionsreferenz des Encoders wird über den Nullpositionsimpuls ermittelt. Codierscheiben von Encodern bestehen aus Glas, Metall oder Kunststoff. Glascodierscheiben besitzen sehr dünne, auf Glas aufgebrachte Linien und bieten dadurch gute thermische Stabilität und hohe Präzision. Metallcodierscheiben weisen direkt aufgebrachte Linien mit und ohne leitfähige Oberflächen auf und sind daher weniger bruchgefährdet. Aufgrund der Metalldicke ist die Präzision jedoch begrenzt, und ihre thermische Stabilität ist um eine Größenordnung geringer als die von Glas. Kunststoffcodierscheiben sind kostengünstig, weisen aber eine geringere Präzision, thermische Stabilität und Lebensdauer auf. Auflösung: Die Auflösung des Encoders wird durch die Anzahl der leitfähigen oder nichtleitenden Linien pro 360°-Drehung gemessen, auch Auflösungsskala oder einfach Linienanzahl genannt. Sie liegt typischerweise zwischen 5 und 10.000 Linien pro Umdrehung. Signalausgang: Zu den Signalausgängen gehören Sinuswellen (Strom oder Spannung), Rechteckwellen (TTL, HTL), Open-Collector-Ausgänge (PNP, NPN) und Gegentakt-Ausgänge. TTL ist ein Differenzialantrieb mit langen Leitungen (symmetrisch A, A-; B, B-; Z, Z-). HTL wird auch als Gegentakt- oder Push-Pull-Ausgang bezeichnet. Die Schnittstelle des Signalempfängers des Encoders muss mit der Schnittstelle des Encoders übereinstimmen. Signalverbindungen – Encoder-Impulssignale werden typischerweise an Zähler, SPSen und Computer angeschlossen. SPS- und Computer-Anschlussmodule sind in Ausführungen für niedrige und hohe Drehzahlen mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen erhältlich. Einphasige Anschlüsse werden für unidirektionales Zählen und Drehzahlmessung verwendet. Zweiphasige (AB) Anschlüsse dienen dem Vorwärts- und Rückwärtszählen, der Richtungsbestimmung und der Drehzahlmessung. Dreiphasige (A, B, Z) Anschlüsse werden für die Positionsmessung mit Referenzkorrektur verwendet. Anschlüsse mit A, A-, B, B- und Z, Z- führen aufgrund ihrer symmetrischen negativen Signale zu keiner elektromagnetischen Feldwirkung des Stroms im Kabel, minimaler Dämpfung, optimaler Störfestigkeit und größeren Übertragungsdistanzen. Bei TTL-Encodern mit symmetrischen negativen Signalausgängen kann die Signalübertragungsdistanz bis zu 150 Meter betragen. Bei HTL-Encodern mit symmetrischen negativen Signalausgängen kann die Signalübertragungsdistanz bis zu 300 Meter betragen. Probleme von Inkrementalgebern: Inkrementalgeber weisen einen kumulativen Nullpunktfehler auf, sind störungsanfällig und benötigen einen Speicher für den stromlosen Betrieb, wenn das Empfangsgerät angehalten wird. Beim Einschalten muss die Nullstellung oder die Referenzposition neu ermittelt werden. Diese Probleme lassen sich durch den Einsatz von Absolutwertgebern beheben. Inkrementalgeber werden häufig zur Geschwindigkeitsmessung, zur Messung der Drehrichtung sowie zur Messung relativer Bewegungswinkel und -strecken verwendet. Absolutwertgeber (Drehgeber) verfügen über zahlreiche optische Kanäle, die auf ihren Codierscheiben eingraviert sind. Jeder Kanal ist sequenziell mit 2, 4, 8, 16 Zeilen usw. angeordnet. An jeder Position des Gebers wird durch Auslesen des Ein-/Aus-Zustands jedes Kanals ein eindeutiger Binärcode (Gray-Code) von 2⁰ bis 2ⁿ⁻¹ erzeugt. Dies wird als n-Bit-Absolutwertgeber bezeichnet. Die Position eines solchen Gebers wird durch die mechanische Position der fotoelektrischen Codierscheibe bestimmt und ist unempfindlich gegenüber Stromausfällen oder Störungen. Jede durch die mechanische Position bestimmte Position eines Absolutwertgebers ist eindeutig. Es benötigt weder Speicher, noch einen Referenzpunkt oder kontinuierliches Zählen; die Position wird nur bei Bedarf ausgelesen. Dies verbessert die Störfestigkeit und Datenzuverlässigkeit des Encoders erheblich. Von Ein- bis Mehrgang-Absolutwertgebern: Ein- bis Mehrgang-Absolutwertgeber messen während der Rotation jede Zeile der fotoelektrischen Codierscheibe, um einen eindeutigen Code zu erhalten. Bei einer Rotation über 360 Grad kehrt der Code zum Ursprung zurück, was dem Prinzip der eindeutigen absoluten Codierung widerspricht. Diese Codierung ist nur für Messungen innerhalb eines Rotationsbereichs von 360 Grad geeignet, daher der Name Ein- bis Mehrgang-Absolutwertgeber. Für die Messung von Rotationen über 360 Grad hinaus wird ein Mehrgang-Absolutwertgeber verwendet. Hersteller von Encodern nutzen das Prinzip der Uhrwerkmechanik. Wenn sich die zentrale Codierscheibe dreht, treibt sie über Zahnräder einen weiteren Satz Codierscheiben (oder mehrere Sätze von Zahnrädern und Codierscheiben) an und fügt so der Ein- bis Mehrgang-Codierung weitere Codierungen hinzu, um den Messbereich des Encoders zu erweitern. Dieser Typ von Absolutwertgeber wird als Mehrgang-Absolutwertgeber bezeichnet. Die Codierung erfolgt positionsabhängig, wobei jede Position einen eindeutigen, nicht wiederkehrenden Code besitzt. Dadurch entfällt das Auswendiglernen von Codes. Ein weiterer Vorteil von Mehrgang-Encodern liegt in ihrem großen Messbereich, der im praktischen Einsatz oft mehr Spielraum bietet. Dies macht die aufwendige Nullpunktbestimmung bei der Installation überflüssig; eine bestimmte Zwischenposition kann als Ausgangspunkt dienen, was Installation und Fehlersuche erheblich vereinfacht.