Herkömmliche Inkrementalgeber verwenden eine Teilungsscheibe, die eine Messteilung mit entweder einer oder zwei konzentrischen Spuren aufweist. Jede Spur ist ein Muster von Inkrementen in gleichmäßigen Abstand, die entweder transparent oder lichtundurchlässig sind. Ein Lichtstrahl, der durch die Scheibe tritt, wird durch einen optischen Sensor detektiert, der periodische Impulse ausgibt, während sich die Scheibe dreht. In einer zweispurigen Anordnung, wie in Abbildung 1 dargestellt, wird jede Spur mit einem optischen Sensor abgetastet. Die beiden Sensoren erzeugen zwei sinusförmige Analogsignale mit einer Phasendifferenz. Die einspurige Anordnung liefert zwei gleichartige Signale mittels zweier Sensoren, die um eine Viertelperiode versetzt sind. Diese analogen Signale werden dann in digitale Signale (Rechteck) umgewandelt, die um 90° elektrisch phasenverschoben sind. Durch Überwachung der Phasendifferenz der beiden Ausgangskanäle, kann die Drehrichtung ermittelt werden. Optische Drehgeber haben typischerweise ein inkrementelles Muster bei dem eine Anzahl n periodischer Teilungen, im Bereich von 250 bis zu mehreren Tausend, auf dem Scheibenumfang gleichmäßig verteilt sind. Mit der digitalen Signalverarbeitung können 4xn Positionen pro Umdrehung gezählt werden. Die analogen Werte der zwei Signale werden verwendet, um die exakte Position innerhalb einer Periode des Teilungsscheibenmusters zu berechnen. Entsprechend kann die inkrementelle Position mit einer hohen Auflösung ausgewertet werden. Um jedoch eine absolute Position innerhalb einer Umdrehung zu bestimmen, muss die Startposition bekannt sein. Um absolute Positionen zu bestimmen, verfügt die Scheibe eines modernen Absolutdrehgebers über eine zusätzliche Absolutspur mit einem binären Code-Muster. Die Absolutspur ist aus Segmenten unterschiedlicher Länge gemäß des Muster-Designs zusammengesetzt. Jedes Segment ist ein Vielfaches des durch die Auflösung bestimmten Teilungsschritts. Die Absolutspur erfordert eine Auflösung, die mindestens so hoch ist wie die Auflösung der Inkrementalspur. Die Länge der einzelnen Teilungsschritte des Absolutmusters ist daher gleich der Periodenlänge (Teilungsperiode) des inkrementellen Musters. Um die Absolutspur abzulesen, werden mehrere Sensoren verwendet, die aufeinanderfolgende Teilungsschritte des Musters abtasten. Der Abstand zwischen benachbarten Sensoren muss der Teilungsschrittlänge der Absolutspur, beziehungsweise der Teilungsperiode der Inkrementalspur entsprechen. Aufgrund der resultierenden geringen Baugröße solcher Sensoren, werden bevorzugt speziell entworfenen miniaturisierte optische Sensoren als Sensorarray auf einem anwendungsspezifischen Halbleiterchip zusammengefasst. Bild 2 zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung eines Absolutdrehgebers. Die digitalisierten Ausgangssignale des Sensorarray ergeben einen Gray-Code. Gray-Codierung ist ein binäres Zahlensystem, in dem nur ein Bit des Codes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Werten verändert wird. Da benachbarte inkrementelle Positionscodes sich nur in einer Binärziffer unterscheiden, verhindert die Gray-Codierung, dass ein fehlerhafter Code an Übergängen zwischen Positionen generiert wird.
Magnetische Drehgeber
Magnetische Drehgeber, die auf dem Prinzip von Inkrementalgebern basieren, haben den Vorteil, dass sie robuster als optische Geber sind, da sie weniger empfindlich auf Stöße, Vibrationen und Verschmutzung reagieren. Sie sind auch langlebiger, da es zu keiner Alterung von Leuchtdioden kommt. Da das Magnetfeld jedoch mit zunehmendem Abstand von der Magnetoberfläche rasch abnimmt, ist die Anzahl der periodischen Teilungen des Musters auf wenige Dutzend begrenzt. Wenn die Teilungsperiode sehr klein ist, muss der Magnetsensor sehr nahe an der Magnetoberfläche liegen, um einen deutlichen Übergang zu erfassen. Üblicherweise kompensieren magnetische Drehgeber die geringe Anzahl von Perioden durch eine analoge Signalverarbeitung mit höherer Auflösung. Allerdings führt dies zu einer höheren Empfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen. Darüber hinaus ist das Signal in einer Periode weniger präzise, wodurch die Gesamtgenauigkeit magnetischer Drehgeber schlechter ist als bei vergleichbaren optischen Gebern. Beide, optische und magnetische Absolutdrehgeber, haben mehrere Nachteile. Sie erfordern mindestens zwei Spuren und eine Reihe von Sensoren zur Bestimmung der Absolutposition der drehenden Scheibe. Insbesondere für magnetische Drehgeber ist die Anordnung von zwei konzentrischen magnetischen Mustern auf einer Geberscheibe schwierig. Bei sowohl optischen als auch magnetischen Absolutgebern hängt die Zuverlässigkeit der Positionserfassung weitgehend von der Genauigkeit der Abbildung des Codes auf das Sensorarray ab. Aufgrund der geringen Maßtoleranzen der Codespuren ist eine hohe Präzision bei der Herstellung von Absolutgeber-Codescheiben erforderlich und deren kleinste Größe begrenzt. Dies erklärt, warum Absolutdrehgeber gewöhnlich 256 Teilungen haben, während Inkrementalgeber der gleichen Baugröße in der Regel mit 1024 Inkrementen angeboten werden.
Neues Design für magnetische Absolutdrehgeber
Der neue magnetische Absolutdrehgeber von Servotronix überwindet viele der Nachteile herkömmlicher Absolutgeber. Das Design des Servotronix-Gebers ist in Bild 3 dargestellt. Permanentmagnete unterschiedlicher Größen, die entlang des Umfangs der Codescheibe, in einer einzelnen kreisförmigen Spur angeordnet sind, bilden eine magnetische Codespur mit nicht-periodischem Muster. Magnetfeldsensoren (Hall-Sensoren) sind an einem statischen Teil des Gebers fixiert und äquidistant, konzentrisch sowie in unmittelbarer Nähe zur Magnetcodespur angeordnet. Das im Servotronix-Design verwendete nicht-periodische Muster, das einen Gray-Code mit einer maximalen Anzahl von Positionen für eine vorgegebene Anzahl von Sensoren liefert, wird mittels eines patentierten Algorithmus hergeleitet. Ferner kann anhand der analogen Ausgangssignale der Sensoren unmittelbar eine hochauflösende Absolutposition bestimmt werden, ohne dass zusätzliche inkrementelle Messwerte erforderlich sind. Die Sensoren erzeugen elektrische Signale, die proportional sind zur Stärke des vom zugewandten Magneten erzeugten Magnetfeldes. Diese analogen Signale werden zunächst durch einen Vergleich mit einem Schwellenwert digitalisiert. Dabei wird ein Gray-Code erzeugt, der eine absolute Position mit niedriger Auflösung beschreibt. Eine Konfiguration von sieben Sensoren und sieben Magneten erzeugt beispielsweise einen Gray-Code, der 98 Positionen unterscheidet. Um eine höhere absolute Auflösung zu erreichen, wird ein weiteres patentiertes Verfahren zur Signalauswertung angewandt. Jedem Gray-Code sind zwei Analogsignale gemäß einer definierten Signaltabelle zugeordnet. Die Absolutposition der Codescheibe entspricht dem in einer vorher aufgezeichneten Positionstabelle zugehörigen Positionswert des Analogsignals, dessen Wert am nächsten zum Schwellwert liegt. In der Praxis erreicht die Servotronix-Technologie eine Auflösung von 20Bit mit einem 12Bit-Analog-Digital-Wandler und einer Konfiguration für sieben Sensoren.
Die Drehgeber-Produktserie
Servotronix hat das neue Drehgeber-Design kürzlich in der Sensar-Produktserie eingeführt. Der erste magnetische Absolutgeber in dieser Serie bietet eine Auflösung von 20Bit und eine Genauigkeit von ±0.02° (± 72\’\‘). Der Geber ist zunächst in einer Baugröße erhältlich, mit einem Durchmesser von 36mm und einer Höhe von 28mm. Einfachheit ist der Hauptvorteil dieses neuen Gebers, der einen Gray-Code mittels einer einzigen Spur erzeugt, während andere Absolutdrehgeber mindestens zwei Spuren und eine Reihe anwendungsspezifischer Sensoren benötigen. Eine hohe Auflösung wird durch eine intelligente Signalauswertung erreicht, im Gegensatz zu den hochauflösenden inkrementellen Messwerten die typischerweise in Absolutgebern verwendet werden und diese Geräte größer und komplexer machen. Außerdem ermöglicht die mechanische Konstruktion, die serienmäßig verfügbare Hall-Sensoren verwendet und keinen Miniatur-Sensorarray erfordert, die Herstellung kostengünstiger Geber. Magnettechnologie in Verbindung mit einem einfachen mechanischen Aufbau verleihen der Sensar-Geberreihe Kompaktheit, Robustheit und Langlebigkeit. Die Geber verwenden wenige mechanische Bauteile und keine optischen Komponenten, und sind dadurch kaum empfindlich gegenüber Verunreinigungen. Ein zuverlässiger Einsatz in schmutzigen, staubigen oder feuchten Umgebungen und bei Temperaturen von -20 bis 125°C ist problemlos möglich. Diese Geber gestatten zugleich mechanische Toleranzabweichungen, mit einer zulässigen Axial- und Radialbewegung der Motorwelle von ±0,3mm beziehungsweise ±0,025mm. Aufgrund des Wegfalls optischer Komponenten und Lager kann eine lange Lebensdauer und Wartungsfreiheit des Gebers gewährleistet werden. Selbst bei Drehzahlen bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute und einer Winkelbeschleunigung von bis zu 100.000rad/s2 erreicht Sensar eine lange Lebensdauer (MTBF bei 80°C: 788.400 Stunden). Die Robustheit der Geber empfiehlt sie für Motorfeedback-Anwendungen, die schweren Stößen, beispielsweise bei Notbremsungen, oder hohen Vibrationen ausgesetzt sind, wie zum Beispiel in der Bergbau-, Stahl-, Zement- und Papierindustrie.
