Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
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Digitale und analoge Elektronik

Winkelmessung mit dem Inkrementalgeber — Grundlagen

Der einfachste Lagegeber für (elektrische) Antriebe ist der Inkrementalgeber. Er misst nicht den absoluten Winkel der Rotors bzw. dessen Welle, sondern lediglich die (inkrementale) Änderung des Winkels um eine definierte Schrittweite. Hierzu werden meist Gabel- bzw. Reflexlichtschranken oder Magnetsensoren (Hallsensoren) in Verbindung mit einem passenden Gebersystem verwendet. Die Geber sind dann meist Scheiben mit Schlitz- oder Lochblenden bzw. reflektierenden Markierungen oder entsprechend hochpolig auf ihrer Oberfläche magnetisierte Permanentmagnete.
Bei optischen Gebersystemen kann die Auflösung auch kleiner sein als die mechanische Ausdehnung des Sensorelements, indem vor dem Sensor ein Gitter mit mehreren Schlitzblenden angebracht wird. Diese Schlitze entsprechen denen der Geberscheibe in Abmessung und Winkelteilung. In der nebenstehenden Abbildung ist dieser Zusammenhang vereinfacht dargestellt.
Verwendet man zwei Gebersysteme, die räumlich um ein Viertel einer Periode, also um 90°, gegeneinander verschoben wurden, kann nicht nur die Änderung des Winkels erfasst werden, sondern auch die Drehrichtung. Hierzu wird die Phasenfolge der beiden resultierenden Ausgangssignale ausgewertet. Diese sind ebenfalls um 90° gegeneinander versetzt, wie in der nebenstehenden Abbildung dargestellt. Im einfachsten Fall kann die Auswertung der Drehrichtung mit einem D-Flipflop erfolgen. Hierzu wird das Gebersignal A an den Dateneingang (D) des Flipflops gelegt. Das Signal B wird mit dem Takteingang (Clk) verbunden. Der Pegel des Ausgangs (Q) zeigt nun an, ob sich die Geberscheibe des Sensors im Rechts- oder Linkslauf bewegt. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass die Auswertung lediglich ein einziges Mal pro Signalperiode erfolgt, nur bei der aktiven Flanke des Taktsignals.
Betrachtet man beide Gebersignale, stellt man fest, dass die Signale in einer Periode, wie beispielsweise dem Intervall [0, T] vier Zustände codieren. Es ist also möglich die Drehrichtung vier mal pro Signalperiode zu erkennen. Anstatt nun die vier Taktflanken einer Periode mit vier D-Flipflops auszuwerten, empfiehlt es sich, einen Zustandsautomaten zu entwerfen. Hierzu werden die beiden Gebersignale durch ein drittes Signal, die Drehrichtung, ergänzt. Somit kann der Zustandsautomat acht Zustände unterscheiden: S0R, S1R, S2R, S3R, S0L, S1L, S2L und S3L. Die Buchstaben R und L codieren die Drehrichtung als Rechts- bzw. Linkslauf. Im Rechtslauf wäre dann die Folge der Zustände S0RS1RS2RS3RS01… Wird nun beispielsweise aus dem Zustand S1R der Zustand S0 erkannt, liegt eine Äderung der Drehrichtung vor und der Automat nimmt den Zustand S0L an, anstatt des Zustandes S2R.
Der große Nachteil eines Inkrementalgebers ist, dass der absolute Winkel nicht bekannt ist. Als einfache und preiswerte Abhilfe bieten zahlreiche kommerziell erhältliche Geber ein drittes Signal an, welches nur während einer einzigen Periode der beiden Gebersignale A und B aktiv wird, das sog. Indexsignal. Nach spätestens einer Umdrehung ist dann der absolute Rotorwinkel bekannt.
Das nebenstehende Oszillogramm zeigt die Signale eines entsprechenden Inkrementalgebers (vergrößerte Darstellung durch anklicken), wobei das erste, sägezahnförmige Signal (CH1) als Referenz den absloluten Winkel als analogen Wert darstellt. Darunter folgen die beiden Encodersignale A (LC0) und, um 90° phasenverschoben, B (LC1). Der dritte Logikkanal (LC2) zeigt das erwähnte Indexsignal. Dieses ist genau dann aktiv, wenn der Winkel der Inkrememntalgeberwelle von nahezu 360° auf 0° springt.
Bei sicherheitsrelevanten Antriebssystemen erfolgt vor dem eigentlichen Anlauf des Antriebs eine sogenannte Referenzfahrt mit reduzierter Drehzahl (und Drehmoment), bis ein Indexsignal erkannt wurde.

Fortsetzung: Auswertung von Inkrementalgeber-Signalen