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Ratgeber

Encoder

Bei einem Encoder, auch Drehgeber oder Impulsgeber genannt, handelt es sich in der Regel um ein elektromechanisches Gerät, das die Winkelposition einer Welle in einen binären Code umwandelt. Sie finden sich sehr oft in der Robotik sowie in modernen Fotoobjektiven und in Maschinen mit rotierenden Plattformen. Es gibt zwei Haupttypen: absolut und inkrementell.

Hier erfahren sie, wie Encoder funktionieren und welche Typen es gibt.

Wie funktionieren Encoder?
Absolute Impulsgeber
Inkrementelle Impulsgeber

Wie funktionieren Encoder?

Bei Encodern wird zwischen absoluter und inkrementeller Abtastung unterschieden.

Absolute Impulsgeber

Sehen wir uns zunächst die wichtigsten absoluten Impulsgeber an, die sich wiederum in mechanische, optische und magnetische Typen unterscheiden lassen:

Diese Impulsgeber enthalten eine starr mit der Welle verbundene isolierte Metallscheibe mit einer Reihe von konzentrischen Öffnungen. Schleifkontakte sind so befestigt, dass jeder Kontakt in einem unterschiedlichen Abstand zur Welle die Metallscheibe berührt. Wenn sich die Scheibe mit der Welle dreht, berühren einige der Kontakte das Metall, während andere in die Öffnungen fallen. Die Metallscheibe ist mit einer elektrischen Stromquelle und jeder Kontakt mit einem separaten elektrischen Sensor verbunden. Das Metallmuster ist so gestaltet, dass jede mögliche Position der Achse einen eindeutigen Binärcode erzeugt: Bei der Berührung des Schleifkontakts mit Metall fließt Strom, dieses elektrische Signal repräsentiert die 1 im Binärcode. Die 0 entsteht dann, wenn der Kontakt in eine stromlose Öffnung fällt.

Da bürstenartige Kontakte Verschleiß unterliegen, sind Encoder mit Schleifkontakten heute kaum noch üblich. Sie finden sich lediglich in Anwendungen mit geringer Geschwindigkeit, beispielsweise bei der manuellen Lautstärkeregelung in Autoradios.
Die Scheibe des optischen Encoders besteht aus Glas oder Kunststoff mit transparenten und undurchsichtigen Bereichen. Eine Lichtquelle und ein Fotodetektor-Array lesen das optische Muster, das sich aus der jeweiligen Position der Scheibe ergibt. Für das Muster wird häufig der Gray-Code verwendet. Dieser Code kann von einem Steuergerät – zum Beispiel einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller – gelesen werden. Der Wert steht für den Winkel der Welle.
Magnetische Encoder verwenden eine Reihe von Magnetpolen, um die Encoderposition für einen magnetischen Sensor – basieren beispielsweise auf dem Hall-Effekt – darzustellen. Der Magnetsensor liest dabei die Positionen der Magnetpole. Auch dieser Code lässt sich von Mikrocontrollern zur Bestimmung des Winkels verarbeiten, ähnlich wie bei einem optischen Encoder.

Aufgrund der Art der Aufzeichnung von magnetischen Effekten sind diese Encoder optimal für den Einsatz unter Bedingungen geeignet, bei denen andere Arten von Encodern aufgrund von Staub- oder Schmutzansammlungen versagen können. Magnetische Drehgeber sind auch relativ unempfindlich gegenüber Vibrationen, kleinen Ausrichtungsfehlern oder Erschütterungen.
Eingebaute Impulsgeber werden zur Anzeige des Winkels der Motorwelle in permanentmagnetischen, bürstenlosen Motoren verwendet. Man findet sie häufig in CNC-Maschinen, Robotern und anderen Industrieanlagen. In solchen Fällen dient der Encoder als Rückmeldeeinrichtung, die eine wichtige Rolle für den ordnungsgemäßen Betrieb der Anlage spielt. Bürstenlose Motoren erfordern eine elektronische Kommutierung, die oft zum Teil durch die Verwendung von Rotormagneten als Absolutwertgeber mit niedriger Auflösung realisiert wird. Der resultierende Drehwinkel wird an den Servoantrieb übermittelt, damit dieser zu jedem Zeitpunkt die richtige Statorwicklung erregen kann.
In einem kapazitiven Absolutwertgeber wird eine asymmetrisch geformte Scheibe innerhalb des Gebers gedreht. Diese Scheibe verändert die Kapazität zwischen zwei Elektroden, die gemessen und in einen Winkelwert zurückgerechnet werden kann.

Ein Multiturn-Impulsgeber kann mehr als eine Umdrehung erfassen und speichern. Der Begriff absoluter Multiturn-Impulsgeber bedeutet, dass der Geber Bewegungen seiner Welle selbst dann erfasst, wenn er nicht mit externer Energie versorgt wird.

Der batteriebetriebene Multiturn-Impulsgeber verwendet eine Batterie, um die Zählungen über Stromzyklen hinweg aufrechtzuerhalten.

Getriebemultiturn-Impulsgeber verwenden einen Zug von Zahnrädern, um die Anzahl der Umdrehungen mechanisch zu speichern. Die Position der einzelnen Zahnräder wird mit einer der oben erwähnten Technologien erfasst.

Eigengespeiste Multiturn-Impulsgeber nutzen das Prinzip des „Energy Harvesting“, um Energie aus der bewegten Welle zu gewinnen. Dieses 2007 eingeführte Prinzip verwendet einen Wiegand-Sensor zur Erzeugung von Strom, der ausreicht, um den Geber mit Energie zu versorgen und die Anzahl der Umdrehungen in einen nichtflüchtigen Speicher zu schreiben.

Inkrementelle Impulsgeber

Inkrementelle Encoder sind aufgrund ihrer Fähigkeit, Positionsinformationen in Echtzeit zu liefern, die am weitesten verbreiteten Impulsgeber. Die Messauflösung eines Inkrementalgebers ist zudem nicht durch seine beiden internen, inkrementalen Bewegungssensoren begrenzt – man findet auf dem Markt Inkrementalgeber mit 10.000 Zählungen pro Umdrehung und mehr.

Hinzu kommt: Diese Impulsgeber melden Positionsänderungen unaufgefordert und übermitteln diese mit Datenraten, die um Größenordnungen schneller sind als die der meisten absoluten Drehgeber-Typen. Aus diesem Grund werden Inkrementalgeber häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Messung von Position und Geschwindigkeit erfordern. Er kann zudem mechanische, optische oder magnetische Sensoren verwenden, um Änderungen der Drehposition zu erfassen.

Der mechanische Typ wird üblicherweise als manuell betätigte "Digitalpotentiometer"-Steuerung an elektronischen Geräten eingesetzt, zum Beispiel in modernen Heim- und Auto-Stereoanlagen. Drehgeber mit mechanischen Sensoren benötigen eine Schalterentprellung und sind daher in den Drehzahlen begrenzt. Der optische Typ wird eingesetzt, wenn höhere Drehzahlen auftreten oder ein höherer Grad an Präzision erforderlich ist.

Typisch für inkrementelle Drehgeber sind zwei Ausgangssignale – A und B – die eine periodische digitale Wellenform in Quadratur ausgeben, wenn sich die Geberwelle dreht. Die Frequenz der Wellenform gibt die Geschwindigkeit der Wellendrehung an und die Anzahl der Impulse den zurückgelegten Weg, während die A-B-Phasenbeziehung die Drehrichtung übermittelt.

Einige inkrementale Drehgeber besitzen einen zusätzlichen Index-Ausgang, typischerweise mit Z bezeichnet, der einen Impuls abgibt, wenn die Welle einen bestimmten Winkel durchläuft. Einmal pro Umdrehung wird das Z-Signal aktiviert, typischerweise immer bei demselben Winkel, bis zum nächsten AB-Zustandswechsel. Dies wird häufig in Radarsystemen und anderen Anwendungen verwendet, die ein Erfassungssignal benötigen, wenn sich die Geberwelle in einem bestimmten Referenzwinkel befindet.

Im Gegensatz zu Absolutwertgebern verfolgt ein Inkrementalgeber weder die absolute Position des mechanischen Systems, an dem er angebracht ist, noch zeigen seine Ausgänge diese an. Um die absolute Position zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen, ist es daher notwendig, sie mit einer Inkrementalgeber-Schnittstelle quasi zu verfolgen.