Optische Geber vs. Induktivgeber

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Bei so vielen Positionierungstechnologien ist es nicht verwunderlich, dass Konstrukteure Schwierigkeiten haben, den richtigen Sensor für ihr Projekt auszuwählen. Dieser Artikel erklärt, wie optische und induktive Drehgeber funktionieren und untersucht deren jeweiligen Stärken und Schwächen.

Optische Drehgeber sind seit den 1970er Jahren bei Geräteherstellern eine beliebte Wahl für Positionssensoren. Sie sind bei einer Reihe von Herstellern weit verbreitet und finden sich in einer Vielzahl von Industriemaschinen wie Druckern, CNC-Drehmaschinen und Robotern wieder. Herkömmliche induktive Positionsgeber wie Resolver und lineare Differentialtransformatoren (LVDTs) gibt es seit den 1940er Jahren, werden aber weniger häufig eingesetzt. Sie werden in der Regel in rauen Umgebungen oder sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungssektor und in der Petrochemie eingesetzt, wo ihre Stärken in Bezug auf Zuverlässigkeit und Robustheit die hohen Kosten, die Größe und das Gewicht überwiegen. Ein neuer Gerätetyp, der induktive Encoder oder „Incoder“, gewinnt jedoch zunehmend Marktanteile und verändert das traditionelle Gleichgewicht. Incoder können als ein Hybrid aus induktiven und optischen Technologien betrachtet warden.

Was ist ein Encoder?

Beginnen wir zunächst mit der Klärung der Fachbegriffe. Ein Encoder ist eine Vorrichtung, die einen Positions- oder Bewegungswert in ein elektrisches Signal umwandelt – in der Regel einen digitalen Code. Verwirrend ist, dass sie auch als Drehgeber, Wellencodierer, Winkelcodierer, Winkelgeber oder gar Winkelsensoren, Winkelmesswandler bezeichnet werden können – die Liste der Bezeichnungen ist nicht erschöpft. In diesem Artikel werden wir uns auf den Begriff „Geber“ beschränken.

Geber können rotierend oder linear sein. Auch können sie Absolutwert- oder Inkrementalgeber sein und dies ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal. Wenn wir einen einfachen absoluten Drehgeber betrachten, dann zeigt sein elektrischer Ausgang die aktuelle Winkelposition der Welle unmittelbar nach dem Einschalten an. Der Ausgang von Inkrementalgebern liefert Informationen über die Bewegung der Welle. Das heißt, das Ausgangssignal eines Inkrementalgebers ändert sich nur bei Bewegung. Einige Inkrementalgeber sind mit einer Referenzmarke ausgestattet, so dass der Geber diese als Bezugspunkt verwenden kann, ab dem Signale inkrementiert oder dekrementiert werden.

Es werden mehr inkrementelle Drehgeber als absolute Drehgeber eingesetzt, aber das ändert sich mit der Zeit, da der Kostenaufwand für absolute Geräte sinkt. Darüber hinaus sind viele Märkte – insbesondere die Robotik und automatisierte Systeme – weniger bereit, eine Kalibrierroutine abzuwarten, die die Geräte beim Start durchlaufen, damit die Positionsgeber ihre Position bestimmen können.

Die häufigste elektrische Signalausgabe von Inkrementalgebern sind A/B-Impulse. Dies bezieht sich auf 2 oder mehr Ströme von Niederspannungsimpulsen mit Phasenverschiebung von 90°, die sich bei Positionsänderungen von hoch zu niedrig und umgekehrt ändern. Die Rotationserkennung erfolgt dadurch, dass Impulsstrom A vor Impulsstrom stattfindet oder umgekehrt. Die häufigste Ausgabe von Absolutwertgebern ist SSI (Synchronous Serial Interface), ein digitales Kommunikationsprotokoll, dessen verschiedene Bitwerte die absolute Position anzeigen.

Was ist ein optischer Encoder?

Geber verwenden eine Reihe von Abtastverfahren, wobei die gebräuchlichsten optisch sind. In einem optischen Geber wirft eine Quelle einen Lichtstrahl auf oder durch eine gerasterte optische Platte, so dass das Licht durchgelassen oder blockiert wird. Ein optischer Detektor oder Lesekopf erfasst den Durchgang des Lichts und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal. Die optischen Gitter können als eine Reihe von Markierungen angeordnet werden, die zur Messung von Winkeln oder Bewegungen dienen können. Die Skala der Markierungen kann sehr fein bis in den Mikrometerbereich sein, so dass viele optische Geber mit hoher Präzision messen können.

Abb. 1 – Optische Encoder verwenden einen optischen Sensor und eine optische Scheibe zur Winkelmessung.

Geber werden häufig integriert verbaut, wobei die Welle des Gebers mechanisch mit dem übergeordneten System verbunden ist. Die Welle des Gebers läuft in einer Lageranordnung und führt eine optische Scheibe mit, die wiederum eng mit dem optischen Geber verbunden ist. Elektrisch erfolgt die Verbindung in der Regel über ein mehradriges Kabel, das Gleichstrom liefert und die Positionsausgangsdaten des Gebers überträgt. Durch die einfache elektrische Schnittstelle in Kombination mit ihrer weitreichenden Verfügbarkeit sind die Geber einfach zu spezifizieren und einzusetzen. Ihr größter Nachteil ist, dass überhaupt nicht für raue Umgebungen geeignet sind, in denen Schwingungen, Stöße, Fremdkörper oder extreme Temperaturen auftreten können. Es erfolgt kaum oder gar keine Warnung vor einem drohenden Ausfall, der im schlimmsten Fall zu einem Szenario mit falscher Positionsdatenausgabe oder im besten Fall zu einer Fehlermeldung führen kann. Typischerweise sind falsche Positionssignale (ohne Fehlermeldung) ein viel schwerwiegenderer Fehlermodus als überhaupt keine Messung, da das Ergebnis katastrophal sein kann.

Bei Gebern mit größerem Durchmesser oder Ringgebern spezifiziert das Kleingedruckte im Datenblatt oft extrem enge Toleranzen für die Position des Lesekopfes zur optischen Platte oder zum Gitter, um die angegebene Messleistung zu erreichen. Solche nicht integrierten Ringgeber sind aufgrund der geringen Größe der optischen Merkmale im Vergleich zu den ähnlich großen Staub- oder Schmutzpartikeln besonders anfällig für Fremdkörper.

Da überrascht es nicht, dass optische Drehgeber in der Regel nicht die bevorzugte Wahl für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit oder Sicherheit sind.

Vorteile

Hohe Auflösung, hohe Verfügbarkeit, hohe Exaktheit möglich

Nachteile

Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen

Was ist ein induktiver Encoder?

Ein induktiver Encoder – oft auch als Incoder bezeichnet – verwendet induktive oder transformatorische Prinzipien, um die Position eines Ziels oder Rotors relativ zu einem Stator zu messen. Incoder nutzen die gleichen physikalischen Grundsätze wie herkömmliche induktive Vorrichtungen, z.B. bürstenlose Resolver oder LVDTs, aber ihre elektrische Schnittstelle ist ähnlich der eines optischen Encoders – eine einfache Gleichstromversorgung und ein digitales elektrisches Signal als Ausgang.

Die meisten herkömmlichen Resolver sehen eher wie ein Elektromotor aus – mit Kupferwicklungen auf dem Stator, die mit einem metallischen Rotor oder Ziel interagieren. Die induktive oder transformatorische Kopplung zwischen den Wicklungen des Stators variiert je nach Position des Rotors. Anstelle von gewickelten Transformatorkonstruktionen verwenden Incoder Leiterplatten für Rotor und Stator, was sie weniger sperrig, genauer und kostengünstiger in der Herstellung macht.

Seit ihrem Einsatz in Militärflugzeugen im Zweiten Weltkrieg haben sich Resolver und LVDTs einen wohlverdienten Ruf für Genauigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit erworben und sind daher oft die erste Wahl für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit. Die transformatorische Funktionsweise wird im Allgemeinen nicht durch raue Umgebungsbedingungen wie Schmutz, Wasser und Eis beeinflusst.

Spezifikation und Einsatz von Incodern ist ebenso einfach wie für optische Geber, da auch sie nur eine DC-Versorgung benötigen und ein digitales Signal ausgeben, das die Position darstellt. Dies bedeutet, dass Incoder sämtliche Vorteile von Resolvern, jedoch keine von deren Nachteilen aufweisen.

Da Incoder keine empfindlichen optischen Bauteile nutzen, sind sie nicht anfällig gegenüber Fremdkörpern und können nicht nur in begrenzten Temperaturbereichen betrieben werden. Darüber hinaus ist eine genaue Positionsmessung nicht von der genauen Ausrichtung der beweglichen und stationären Elemente abhängig – was großzügige Einbautoleranzen und einen „lagerlosen“ Betrieb ermöglicht. Der Wegfall von Lagern hat zu dünnen ringförmigen Konstruktionen mit geringer axialer Höhe und großer Bohrung geführt, die sich leicht in Geräte mit engen Größen- oder Gewichtstoleranzen wie Kardanringe, Roboterarme und Stellglieder integrieren lassen.