Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
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Digitale und analoge Elektronik

Auswertung von Inkrementalgeber-Signalen

Beispielhaft für die Auswertung von Inkrementalgeber-Signalen wird hier eine Schaltung vorgestellt, welche die drei Ausgangssignale eines Inkrementalgebers, A, B und Idx decodiert und in Form zweier analoger Signale als Absolutwert des Winkels und der Drehzahl ausgibt.
Eine solche Baugruppe kann beispielsweise für die Überwachung eines Antriebs hilfreich sein. So wäre es möglich, Rotorwinkel und -Drehzahl als analoge Signale schnell und ergonomisch mittels eines Oszilloskops darzustellen oder aufzuzeichnen und so als Referenz für weitere Messwerte zu verwenden. Die Inkrementalgeber-Signale können an einem bestehenden Antrieb sehr einfach rückwirkungsfrei abgegriffen werden, beispielsweise über Optokoppler oder digitale Isolatoren, wie z.B. die ADUM-Familie.
In der vorliegenden Schaltung werden die beiden analogen Signale mittels eines Mikrocontrollers (MCU) erzeugt. Viele MCUs können Counter-Baugruppen direkt aus den beiden Signalen des Inkrementalgebers speisen. Teilweise wird sogar die Auswertung des Indexsignals in Hardware durchgeführt, so dass keine Latenzzeiten auftreten können, wie sie beispielsweise bei der Implementierung mittels Interrupts unvermeidbar sind.

Winkelmessung

Die abgebildete Schaltung zeigt einen entsprechend konfigurierten Mikrocontroller. Der aktuelle Wert des Winkelzählers wird direkt an den Digital-Analog-Umsetzer (DAC) übertragen, so dass der Rotorwinkel als analoges sägezahnförmiges Signal zur Verfügung steht. Besitzt der angeschlossene Inkrementalgeber ein Indexsignal, so steht nach spätestens einer Umdrehung der absolute Rotorwinkel zur Verfügung. Gegebenenfalls kann die Ausgabe des Rotorwinkels bis zum Auftreten des Indexsignals unterdrückt werden.
Mit zwei weiteren Zählern kann die Frequenz der Gebersignale und damit die Drehzahl des Antriebs ermittelt werden. In Verbindung mit der Zählrichtung des Winkelzählers kann nun die Drehzahl des Antriebs ebenfalls über einen DAC als Analogsignal ausgegeben werden.
Das nebenstehende Oszillogramm (anklicken für vergrößerte Darstellung) zeigt das sägezahnförmige analoge Winkelsignal (CH1) einer entsprechenden Schaltung. Darunter folgen als Referenz die beiden Encodersignale A (LC0) und, um 90° phasenverschoben, B (LC1). Der dritte Logikkanal (LC2) zeigt das zugehörige Indexsignal, welches erforderlich ist, um den absoluten Winkel zu ermitteln.
Durch Verwendung einer Direct Memory Access Baugruppe (DMA) des Mikrocontrollers kann der Rotorwinkel mit einer definierten Frequenz aktualisiert werden. Dieses Signal ist dann auch echtzeitfähig.

Drehzahlmessung

Auch die Messung der Drehzahl, bzw. der Frequenz, könnte durch Verwendung eines Capture-Zählers in Verbindung mit der DMA Baugruppe in einem festen Zeitraster erfolgen. Dieser Ansatz ist jedoch nicht empfehlenswert, da Störungen und Jitter auf den Encodersignalen zu erheblichen Verfälschungen der erfassten Drehzahl führen können. Vorteilhaft ist eine Durchführung der Drehzahlmessung der über mehrere Signalperioden hinweg, wie im Abschnitt zur Drehzahlmessung beschrieben, beispielsweise mit dem dort erklärten reziproken Messverfahren. Die daraus resultierende längere Messdauer relativiert sich durch die Tatsache, dass sich die Drehzahl eines Antriebs aufgrund des Massenträgheitsmoments nicht sprungartig ändern kann. Hierfür wäre eine unendlich große Leistung des Antriebs erforderlich.
Das nebenstehende Oszillogramm (anklicken für vergrößerte Darstellung) zeigt als oberste Kurve (CH1) das bereits bekannte analoge Lagesignal. Darunter (CH2) liegt nun das analoge Drehzahlsignal. Dargestellt ist der Hochlaufvorgang des Antriebs mit Inkrementalgeber. Da die Auswertungselektronik bereits vom vorhergehenden Anlaufvorgang initialisiert war, beginnt das Winkelsignal vom vorhergehenden Endwert aus. Das Drehzahlsignal startet von Nullwert aus, der sich in der Mitte zwischen positiver und negativer Maximaldrehzahl befindet. Beide Signale wurden, wie beschrieben, von einem Mikrocontroller erzeugt. Die fehlenden Index-Signale sind dem Aliasing geschuldet.

Die Entwicklung entsprechender kundenspezifischer Schaltungen wird vom Betreiber dieser Seiten explizit angeboten.