Absolutwertgeber vs. Inkrementalgeber

Terminologie

Befassen wir uns zunächst mal mit der Terminologie. Einige Techniker und Ingenieure fragen, was der Unterschied zwischen Winkelsensoren, Winkelmesswandlern, Winkelgebern, Drehsensoren und Drehgebern ist. Die Antwort: es gibt keinen. All diese Geräte liefern ein elektrisches Signal proportional zum Winkel oder der Änderung des Winkels.

In diesem Artikel werden wir uns auf den Begriff „Geber“ beschränken.

Inkrementalgeber und Absolutwertgeber

Geber (engl. encoder) können in zwei Grundarten unterteilt werden – Inkrementalgeber und Absolutwertgeber.

Das Unterscheidungsmerkmal eines Inkrementalgebers ist, dass dieser eine Änderung des Winkelsmisst und signalisiert. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass ein Inkrementalgeber nach dem Einschalten seine Winkelposition erst dann meldet, wenn ihm ein Bezugspunkt geliefert wird, von dem aus er eine Messung vornehmen kann.

Ein Absolutwertgeber meldet seine Position dagegen unzweideutig innerhalb einer Skala oder eines Bereichs. Das heißt also, dass ein Absolutwertgeber nach dem Einschalten seine Position meldet, ohne dass dafür irgendwelche Bezugsdaten erforderlich wären. Was nach dem Einschalten passiert ist also ein wichtiger Anhaltspunkt zur Unterscheidung zwischen einem Absolutwertgeber und einem Inkrementalgeber.

Einige Hersteller tragen nun aber noch mehr zur Verwirrung bei, indem sie sogenannte „Pseudo-Absolutwertgeber“ auf den Markt bringen. Diese Geber müssen nach dem Einschalten mithilfe eines kurzen Routinevorgangs sozusagen „wachgerüttelt“ werden, um die absolute Winkelposition messen zu können. Genauer ausgedrückt, handelt es sich hierbei um Inkrementalgeber, die eine kurze Kalibrierung benötigen, um Absolutwerte generieren zu können.

Wenn ein Winkelgeber einen wie auch immer gearteten Kalibrierungsschritt durchlaufen muss, handelt es sich um einen Inkrementalgeber – anderenfalls handelt es sich um einen Absolutgeber.

Winkelgebertechnologie

In der Industrie werden immer noch am häufigsten Potentiometer zur Winkelmessung eingesetzt. Nichtsdestotrotz ist in den vergangenen 25 Jahren der Einsatz von berührungslosen Technologien stark gestiegen. Diese noch andauernde Entwicklung hin zu berührungslosen Geräten hat ihren Grund in den Problemen, die mit dem Verschleiß und der Zuverlässigkeit von Potentiometern zu tun haben – insbesondere in rauen Umgebungen (vor allem Schwingungen) oder bei verlängerter Lebensdauer.

Optische Encoder sind eine gängige Form von berührungslosen Drehgebern. Bei einem optischen Encoder scheint ein Licht durch oder auf ein optisches Gitter und die Berechnung der Position erfolgt auf der Grundlage der Intensität des zurückgestrahlten Lichts. Die meisten optischen Geräte sind Inkrementalgeber. Üblicherweise werden die Positionsdaten in Form einer Reihe von Impulsen übermittelt – gewöhnlich mithilfe des I&Q-Verfahrens, damit die Bewegungsrichtung bestimmt werden kann. In diesem Zusammenhang spricht man gewöhnlich von A/B-Impulsen. Eine separate Impulsfolge, üblicherweise als Z-Referenz bezeichnet, liefert einen Impuls pro Umdrehung, um als Referenzmarke dienen zu können.

Abb. 1 – Schematische Darstellung eines optischen Inkrementalgebers mit Referenzimpuls.

Absolutwertgeber funktionieren ähnlich, nutzen aber eine andere Skala. In dieser Anordnung wird der absolute Winkel beim Einschalten gemessen, ohne dass eine Referenzmarke erforderlich ist. Üblicherweise besitzen Absolutwertgeber einen digitalen Ausgang und ihre Auflösung wird durch die Anzahl an Bits in der Ausgabe bestimmt. Ein Gerät mit 10 Bit bietet 1024 Zählungen, ein Gerät mit 11 Bit bietet 2048 Zählungen und so weiter.

Winkelgeberkommunikation

Serielle bzw. parallele Daten sind die herkömmlichen Arten der Ausgabe von Winkelpositionen durch Absolutwertgeber. Heutzutage dominiert die Hochgeschwindigkeitsausgabe von seriellen Daten und parallele Daten werden nur noch selten genutzt. Serielle Daten werden üblicherweise über den RS-422-Hardwarestandard in verschiedenen Formaten übertragen. Die beliebtesten Formate für Absolutwertgeber sind SSI (Synchronous Serial Interface), BiSS-C und SPI (Serial Peripheral Interface). Vor allem ist zu erwähnen, dass es sich hierbei um offene Standards handelt. Einige Hersteller von Gebergeräten haben ihre eigenen geschlossenen Kommunikationsstandards entwickelt und vermarktet, um unachtsame Kunden dazu zu verleiten, nur die eigenen, kompatiblen Produkte zu verwenden. Hier ist Vorsicht geboten!

Die jeweiligen Vorteile von Absolutwertgebern und Inkrementalgebern

Traditionell waren Absolutwertgeber immer teurer als Inkrementalgeber. Das ist zwar immer noch der Fall, aber der Unterschied ist nicht mehr sehr groß.

Die Umstellung auf (berührungslose) absolute Positionsmessung kann bessere Leistung, höhere Präzision und geringere Gesamtkosten bieten. Der Grund dafür ist, dass bei Inkrementalsensoren praktische Probleme auftreten können. Das offensichtlichste davon ist, dass das System nach jedem Ausfall der Stromversorgung einen Kalibrierungsschritt erfordert, wodurch die Systemleistung verlangsamt wird und die Sicherheit beeinträchtigt werden kann, wenn es zu einem plötzlichen Ausfall der Stromversorgung kommt.

Zweitens wird die Position ausgehend von einer Referenzmarke berechnet. In einigen Fällen, – insbesondere bei schwankender Spannungsversorgung oder Positionsänderungen mit hoher Drehzahl– kann die Zählung verloren gehen. Dies kann sich potenziell katastrophal auf die Funktion auswirken, da bei ausbleibender Überprüfung länger andauernde Betriebsstörungen auftreten können. Die meisten Inkrementalencoder basieren auf optischen Technologien und für hochauflösende Messungen sind sehr feine Öffnungen des optischen Gitters erforderlich. Manchmal messen diese Öffnungen nur einen Bereich von wenigen Mikrometern. Zwar sorgen so feine Öffnungen für genauere Messungen, allerdings bedeutet dies auch, dass sie empfindlicher gegenüber Fremdkörpern werden. Flusen, Feuchtigkeit, Fett oder Schmutz können in einem optischen Encoder Fehler verursachen – oder, viel schlimmer noch, zu fehlerhaften Messungen führen.

Optische Encoder & Induktivencoder

Der Preisunterschied zwischen Absolut- und Inkrementalgebern ist in den letzten Jahren nicht nur aufgrund der steigenden Anzahl eingesetzter Absolutsensoren geringer geworden, sondern vor allem durch die Einführung neuer Absolutwerttechniken.

Während optische Sensoren für einige Ingenieure immer noch die erste Wahl sind, bieten induktive Drehgeber (manchmal auch als Incoder bezeichnet) heutzutage eine sehr genaue absolute Winkelmessung, die nicht von rauen Umgebungen beeinflusst wird.

Anstatt eines Gitters und eines optischen Sensors nutzen diese induktiven Geräte gedruckte laminare Wicklungen und ihre grundlegenden Funktionsprinzipien ähneln denen eines Transformators oder Resolvers. Ihre grundlegende Physik ermöglicht absolute, hochauflösende Positionsmessung mit kompakten und leichten Geräten. Diese grundlegenden Absolutwertgeräte haben noch weitere Vorteile: sie sind unempfindlich gegen Fremdstoffe und ihre Messleistung wird durch Versatz oder Montagetoleranzen grundsätzlich nicht beeinflusst. Dies bedeutet, dass sie keine eigenen Präzisionsgehäuse oder Lagerbaugruppen benötigen, sondern ganz einfach an dem aufnehmenden System befestigt werden können, z. B. an einem Motoren- oder Getriebegehäuse. Dies ermöglicht wiederum Vereinfachung sowie Reduktion von Größe und Gewicht der bestehenden Maschinen durch Entfallen von Lagern, Wellen, Kupplungen, Dichtungen, etc. Der Vorteil dieser Geber der neuesten Generation ist, dass sie axial sehr dünn sind und mit einer großen Bohrung zur Durchführung von Wellen, Kabeln oder Schleifringen ausgerüstet sind.