Inkrementalgeber

Inkrementaler Drehgeber mit an der Durchgangsbohrung befestigter Welle ⓘ

Einführung in Inkrementalgeber, aus VideoWiki-Skript Inkrementalgeber ⓘ

Ein Inkrementalgeber ist ein lineares oder rotierendes elektromechanisches Gerät, das über zwei Ausgangssignale, A und B, verfügt, die bei Bewegung des Geräts Impulse abgeben. Zusammen zeigen die Signale A und B sowohl das Auftreten als auch die Richtung der Bewegung an. Viele Inkrementalgeber verfügen über ein zusätzliches Ausgangssignal, in der Regel mit Index oder Z bezeichnet, das anzeigt, dass sich der Geber an einer bestimmten Referenzposition befindet. Einige Drehgeber verfügen auch über einen Statusausgang (in der Regel als Alarm bezeichnet), der interne Fehlerzustände wie Lagerausfall oder Sensorfehlfunktion anzeigt. ⓘ

Im Gegensatz zu einem Absolutwertgeber zeigt ein Inkrementalgeber keine absolute Position an; er meldet lediglich Positionsänderungen und für jede gemeldete Positionsänderung die Bewegungsrichtung. Um die absolute Position zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen, ist es daher erforderlich, die Encodersignale an eine Inkrementalgeber-Schnittstelle zu senden, die wiederum die absolute Position des Encoders "verfolgt" und meldet. ⓘ

Inkrementalgeber melden Positionsänderungen nahezu sofort, wodurch sie die Bewegungen von Hochgeschwindigkeitsmechanismen nahezu in Echtzeit überwachen können. Aus diesem Grund werden Inkrementalgeber häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Messung und Steuerung von Position und Geschwindigkeit erfordern. ⓘ

Als Inkrementalgeber werden Sensoren zur Erfassung von Lageänderungen (linear) oder Winkeländerungen (rotierend) bezeichnet, die Wegstrecke und Wegrichtung bzw. Winkelveränderung und Drehrichtung erfassen können. Weitere Bezeichnungen rotierender Geber sind Inkrementaldrehgeber, Drehimpulsgeber oder allgemeiner Drehgeber. Gegenüber kontinuierlich arbeitenden Messsystemen wie Servo-Potentiometern besitzen Inkrementalgeber eine Maßverkörperung mit sich wiederholenden, periodischen Teilstrichen. Die Messung beruht auf einer Richtungsbestimmung und einer Zählung (Digitale Messtechnik). Am häufigsten verwendet werden rotierende optische Geber. ⓘ

Inkrementalgeber müssen (im Gegensatz zu Absolutwertgebern) nach dem Einschalten gegebenenfalls referenziert werden, da Änderungen der Position in ausgeschaltetem Zustand nicht erfasst werden. ⓘ

Typische Einsatzgebiete sind die Positions- und Drehzahlbestimmung in der Automatisierungstechnik sowie endlose Dreheinsteller, also Bedienungselemente von elektronischen Geräten (salopp auch „digitales Endlos-Poti“ genannt). ⓘ

Inkrementalgeber als Dreheinsteller; daneben der abgenommene Bedienknopf ⓘ

Quadratur-Ausgänge

Zwei Rechteckwellen in Quadratur. Die Bewegungsrichtung wird durch das Vorzeichen der Phasendifferenz A-B angegeben, die in diesem Fall negativ ist, da A hinter B liegt. ⓘ

Ein Inkrementalgeber verwendet einen Quadratur-Encoder, um seine Ausgangssignale A und B zu erzeugen. Die von den Ausgängen A und B ausgegebenen Impulse sind quadraturkodiert, d. h., wenn sich der Inkrementalgeber mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, sind die Wellenformen von A und B Rechteckwellen und es besteht eine Phasendifferenz von 90 Grad zwischen A und B. ⓘ

Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die Phasendifferenz zwischen den Signalen A und B positiv oder negativ, je nach Bewegungsrichtung des Drehgebers. Bei einem Drehgeber beträgt die Phasendifferenz +90° bei Drehung im Uhrzeigersinn und -90° bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn oder umgekehrt, je nach Ausführung des Geräts. ⓘ

Die Frequenz der Impulse am A- oder B-Ausgang ist direkt proportional zur Geschwindigkeit des Drehgebers (Rate der Positionsänderung); höhere Frequenzen zeigen eine schnelle Bewegung an, während niedrigere Frequenzen langsamere Geschwindigkeiten anzeigen. Statische, unveränderliche Signale werden an A und B ausgegeben, wenn sich der Geber nicht bewegt. Bei einem Drehgeber gibt die Frequenz die Geschwindigkeit der Drehung der Geberwelle an, bei linearen Gebern die Geschwindigkeit der linearen Verfahrbewegung. ⓘ

Konzeptzeichnungen von Quadratur-Encoder-Abtastmechanismen ⓘ

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  Drehgeber, mit den entsprechenden A/B-Signalzuständen auf der rechten Seite

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  Lineares Messgerät; das R-Signal zeigt an, dass sich das Messgerät in seiner Referenzposition befindet ⓘ

Auflösung

Die Auflösung eines Inkrementalgebers ist ein Maß für die Genauigkeit der von ihm erzeugten Positionsdaten. Die Auflösung eines Drehgebers wird in der Regel durch die Anzahl der A- (oder B-) Impulse pro Wegeinheit oder durch die Anzahl der A- (oder B-) Rechteckwellenzyklen pro Wegeinheit angegeben. Bei Drehgebern wird die Auflösung als Anzahl von Impulsen pro Umdrehung (PPR) oder Zyklen pro Umdrehung (CPR) angegeben, während die Auflösung von Längenmessgeräten typischerweise als Anzahl von Impulsen angegeben wird, die für einen bestimmten linearen Verfahrweg ausgegeben werden (z. B. 1000 Impulse pro mm). ⓘ

Dies steht im Gegensatz zur Messauflösung des Messgeräts, die die kleinste Positionsänderung ist, die das Messgerät erkennen kann. Jede Signalflanke an A oder B zeigt eine erkannte Positionsänderung an. Da jeder Rechteckwellen-Zyklus an A (oder B) vier Signalflanken umfasst (steigendes A, steigendes B, fallendes A und fallendes B), entspricht die Messauflösung des Encoders einem Viertel der durch einen vollen A- oder B-Ausgangszyklus dargestellten Verschiebung. Ein linearer Encoder mit 1000 Impulsen pro mm hat beispielsweise eine Messauflösung pro Zyklus von 1 mm / 1000 Zyklen = 1 μm, so dass die Auflösung dieses Encoders 1 μm / 4 = 250 nm beträgt. ⓘ

Symmetrie und Phase

Inkrementalgeber weisen Symmetrie- und Phasenfehler auf, die auf Unzulänglichkeiten des Sensors zurückzuführen sind ⓘ

Bei einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit würde ein idealer Inkrementalgeber perfekte Rechteckwellen an A und B ausgeben (d. h. die Impulse wären genau 180° breit) mit einer Phasendifferenz von genau 90° zwischen A und B. Bei realen Drehgebern sind die Impulsbreiten jedoch aufgrund von Sensorunvollkommenheiten nie genau 180° und die Phasendifferenz ist nie genau 90°. Außerdem variieren die Impulsbreiten von A und B von einem Zyklus zum anderen (und voneinander) und die Phasendifferenz variiert bei jeder A- und B-Signalflanke. Folglich variieren sowohl die Impulsbreite als auch die Phasendifferenz in einem bestimmten Wertebereich. ⓘ

Die Bereiche für die Impulsbreite und die Phasendifferenz werden für jeden einzelnen Drehgeber durch die Spezifikationen für "Symmetrie" und "Phase" (oder "Phasing") definiert. Bei einem Drehgeber mit einer Symmetrie von 180° ±25° beispielsweise beträgt die Breite jedes Ausgangsimpulses garantiert mindestens 155° und höchstens 205°. Analog dazu beträgt bei einer Phasenspezifikation von 90° ±20° die Phasendifferenz bei jeder A- oder B-Flanke mindestens 70° und höchstens 110°. ⓘ

Signaltypen

Inkrementalgeber verwenden verschiedene Arten von elektronischen Schaltungen, um ihre Ausgangssignale zu treiben (zu übertragen), und die Hersteller haben oft die Möglichkeit, ein bestimmtes Gebermodell mit einem von mehreren Treibern zu bauen. Zu den gängigen Treibern gehören Open Collector, mechanische Treiber, Push-Pull-Treiber und differentielle RS-422-Treiber. ⓘ

Offener Kollektor

Schematisches Diagramm eines typischen Open-Collector-Treibers. Der Ausgangs-Pull-up-Widerstand ist in einigen Encodern eingebaut; wenn er nicht eingebaut ist, wird ein externer Widerstand benötigt. ⓘ

Open-Collector-Treiber arbeiten über einen weiten Bereich von Signalspannungen und können oft einen beträchtlichen Ausgangsstrom aufnehmen, was sie für die direkte Ansteuerung von Stromschleifen, Opto-Isolatoren und faseroptischen Transmittern nützlich macht. ⓘ

Da er keinen Strom liefern kann, muss der Ausgang eines Open-Collector-Treibers über einen Pull-up-Widerstand mit einer positiven Gleichspannung verbunden werden. Einige Encoder verfügen über einen internen Widerstand für diesen Zweck, andere nicht und benötigen daher einen externen Pull-up-Widerstand. Im letzteren Fall befindet sich der Widerstand in der Regel in der Nähe der Encoder-Schnittstelle, um die Störfestigkeit zu verbessern. ⓘ

Die High-Level-Logiksignalspannung des Encoders wird durch die an den Pull-up-Widerstand angelegte Spannung (V_OH im Schaltplan) bestimmt, während der Low-Level-Ausgangsstrom sowohl durch die Signalspannung als auch durch den Lastwiderstand (einschließlich Pull-up-Widerstand) bestimmt wird. Wenn der Treiber vom niedrigen auf den hohen Logikpegel umschaltet, wirken der Lastwiderstand und die Schaltkreiskapazität zusammen, um einen Tiefpassfilter zu bilden, der die Anstiegszeit des Signals streckt (erhöht) und somit seine maximale Frequenz begrenzt. Aus diesem Grund werden Open-Collector-Treiber normalerweise nicht verwendet, wenn der Encoder hohe Frequenzen ausgibt. ⓘ

Mechanisch

Ein auf einer Leiterplatte montierter mechanischer Inkrementaldrehgeber ⓘ

Mechanische (oder Kontakt-) Inkrementalgeber verwenden elektrische Schleifkontakte, um die Ausgangssignale A und B direkt zu erzeugen. In der Regel sind die Kontakte im geschlossenen Zustand elektrisch mit der Signalmasse verbunden, so dass die Ausgänge auf einen niedrigen Wert "getrieben" werden. Damit sind sie das mechanische Äquivalent zu Open-Collector-Treibern und unterliegen daher den gleichen Anforderungen an die Signalaufbereitung (d. h. externer Pull-up-Widerstand). ⓘ

Die maximale Ausgangsfrequenz wird durch dieselben Faktoren begrenzt, die auch die Open-Collector-Ausgänge beeinflussen, und darüber hinaus durch das Prellen der Kontakte - das durch die Encoder-Schnittstelle gefiltert werden muss - und durch die Betriebsgeschwindigkeit der mechanischen Kontakte, wodurch diese Geräte für den Hochfrequenzbetrieb ungeeignet sind. Außerdem unterliegen die Kontakte bei normalem Betrieb einem mechanischen Verschleiß, was die Lebensdauer dieser Geräte begrenzt. Andererseits sind mechanische Drehgeber relativ kostengünstig, da sie keine interne, aktive Elektronik besitzen. Zusammengenommen machen diese Eigenschaften mechanische Drehgeber zu einer guten Wahl für Anwendungen mit geringer Belastung und niedriger Frequenz. ⓘ

Mechanische Inkrementalgeber, die auf Leiterplatten oder in Schalttafeln montiert sind, werden häufig als handbetätigte Steuerungen in elektronischen Geräten eingesetzt. Solche Geräte werden als Lautstärkeregler in Audiogeräten, als Spannungsregler in Tischnetzteilen und für eine Vielzahl anderer Funktionen verwendet. ⓘ

Inkrementalgeber mit Schleifkontakten arbeiten prinzipiell wie ein Drehschalter. Übliche Auflösungen sind etwa 32 Positionen pro Umdrehung. Nachteil der kostengünstigen Lösung mit Schleifkontakten ist der mechanische Verschleiß. Mechanische Inkrementalgeber werden daher nur bei gelegentlicher Betätigung eingesetzt, etwa für digitale Drehknöpfe. Gegebenenfalls müssen die Kontakte elektronisch oder softwareseitig entprellt werden. Häufig ist über axiale Betätigung auch noch ein Tasterkontakt realisiert, etwa zum Ein- und Ausschalten, Bestätigen einer Eingabe etc. ⓘ

Von Vorteil ist der geringe Ruhestromverbrauch, der bei geeigneter Auslegung der Raststellungen Null sein kann und sich damit für batteriebetriebene Fernbedienungen eignet. ⓘ

Push-Pull

Push-Pull-Ausgänge (z. B. TTL) werden in der Regel für direkte Schnittstellen zu Logikschaltungen verwendet. Sie eignen sich gut für Anwendungen, bei denen Geber und Schnittstelle nahe beieinander liegen (z. B. durch Leiterbahnen oder kurze, abgeschirmte Kabelstrecken miteinander verbunden sind) und von einer gemeinsamen Stromversorgung gespeist werden, so dass elektrische Felder, Erdschleifen und Übertragungsleitungseffekte vermieden werden, die die Signale verfälschen und dadurch die Positionsverfolgung stören oder, schlimmer noch, die Geberschnittstelle beschädigen könnten. ⓘ

Differenzielles Paar

Differenzielle Ausgangswellenformen eines Inkrementalgebers ⓘ

Die differentielle RS-422-Signalübertragung wird in der Regel bevorzugt, wenn der Drehgeber hohe Frequenzen ausgibt oder weit von der Drehgeberschnittstelle entfernt ist, oder wenn die Drehgebersignale elektrischen Feldern oder Gleichtaktspannungen ausgesetzt sein können, oder wenn die Schnittstelle in der Lage sein muss, Verbindungsprobleme zwischen Drehgeber und Schnittstelle zu erkennen. Beispiele hierfür sind KMGs und CNC-Maschinen, Industrieroboter, Fabrikautomation und Bewegungsplattformen, die in Simulatoren für Flugzeuge und Raumfahrzeuge eingesetzt werden. ⓘ

Wenn RS-422-Ausgänge verwendet werden, stellt der Encoder ein differentielles Leiterpaar für jeden logischen Ausgang zur Verfügung; zum Beispiel sind "A" und "/A" allgemein gebräuchliche Bezeichnungen für das aktiv-hoch und aktiv-low differentielle Paar, das den A-Logikausgang des Encoders umfasst. Folglich muss die Encoder-Schnittstelle RS-422-Leitungsempfänger bereitstellen, um die eingehenden RS-422-Paare in unsymmetrische Logik umzuwandeln. ⓘ

Wichtigste Anwendungen

Positionsverfolgung

Inkrementalgeber werden üblicherweise zur Überwachung der physikalischen Positionen mechanischer Geräte eingesetzt. Der Inkrementalgeber ist mechanisch mit dem zu überwachenden Gerät verbunden, so dass sich seine Ausgangssignale ändern, wenn sich das Gerät bewegt. Beispiele für solche Geräte sind die Kugeln in mechanischen Computermäusen und Trackballs, Steuerknöpfe in elektronischen Geräten und rotierende Wellen in Radarantennen. ⓘ

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  Trackballs und elektromechanische Computermäuse verwenden zwei rotierende Inkrementalgeber, um die Positionsverfolgung auf zwei Achsen zu erleichtern.

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  Elektronische Geräte werden häufig mit einem Drehknopf gesteuert, der an einem mechanischen Encoder befestigt ist (hier mit abgenommenem Knopf).

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  Bei handelsüblichen Schiffsradarantennen ist ein inkrementeller Drehgeber in der Regel an der rotierenden Antennenwelle angebracht, um den Antennenwinkel zu überwachen.

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  Die Position eines Videoinspektionstraktors für Pipelines wird in der Regel mit einem Inkrementalgeber überwacht, der an der Kabeltrommel des Traktors befestigt ist. ⓘ

Ein Inkrementalgeber verfolgt weder die aktuelle Geberposition, noch zeigen seine Ausgänge diese an; er meldet nur inkrementelle Positionsänderungen. Um die Position des Encoders zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen, ist daher eine externe Elektronik erforderlich, die die Position "verfolgt". Diese externe Schaltung, die als Inkrementalgeberschnittstelle bezeichnet wird, verfolgt die Position durch Zählen inkrementeller Positionsänderungen. ⓘ

Bei jeder Meldung einer inkrementellen Positionsänderung (angezeigt durch einen Übergang des A- oder B-Signals) berücksichtigt die Encoder-Schnittstelle die Phasenbeziehung zwischen A und B und zählt je nach Vorzeichen der Phasendifferenz aufwärts oder abwärts. Der kumulative "counts"-Wert zeigt die zurückgelegte Strecke seit Beginn der Verfolgung an. Dieser Mechanismus gewährleistet eine genaue Positionsverfolgung bei bidirektionalen Anwendungen und verhindert bei unidirektionalen Anwendungen falsche Zählungen, die andernfalls durch Vibrationen oder mechanisches Dithering in der Nähe eines AB-Code-Übergangs entstehen würden. ⓘ

Verschiebungseinheiten

Oft müssen die Zählungen des Encoders in Einheiten wie Meter, Meilen oder Umdrehungen ausgedrückt werden. In solchen Fällen werden die Zählungen in die gewünschten Einheiten umgewandelt, indem sie mit dem Verhältnis der Geberverschiebung multipliziert werden $D$ pro Zählung $C$:

$position=counts\times {\frac {D}{C}}$. ⓘ

In der Regel wird diese Berechnung von einem Computer durchgeführt, der die Zählerstände von der Schnittstelle des Inkrementalgebers abliest. Im Falle eines linearen Inkrementalgebers, der 8000 Zählungen pro Millimeter Verfahrweg erzeugt, wird die Position in Millimetern beispielsweise wie folgt berechnet:

$mm=counts\times {\frac {\text{1 mm}}{\text{8000 counts}}}$. ⓘ

Referenzfahrt

Damit eine Inkrementalgeberschnittstelle eine absolute Position verfolgen und melden kann, müssen die Geberzählungen mit einer Referenzposition in dem mechanischen System korreliert werden, an dem der Geber angebracht ist. Dies geschieht in der Regel durch eine Referenzfahrt des Systems, bei der das mechanische System (und der Encoder) bewegt wird, bis es auf eine Referenzposition ausgerichtet ist, und dann die zugehörigen absoluten Positionszählungen in den Zähler der Encoderschnittstelle eingekoppelt werden. ⓘ

Zur Erleichterung der Referenzfahrt ist in einigen mechanischen Systemen ein Näherungssensor eingebaut, der ein Signal ausgibt, wenn sich das mechanische System in seiner "Grundstellung" (Referenzposition) befindet. In solchen Fällen wird das mechanische System in die Ausgangsposition gebracht, indem es so lange bewegt wird, bis die Encoder-Schnittstelle das Sensorsignal empfängt, woraufhin der entsprechende Positionswert in den Positionszähler eingeklemmt wird. ⓘ

Bei einigen rotierenden mechanischen Systemen (z. B. rotierenden Radarantennen) ist die interessierende "Position" der Rotationswinkel relativ zu einer Referenzausrichtung. Diese Systeme verwenden in der Regel einen inkrementalen Drehgeber, der ein Index- (oder Z-) Ausgangssignal hat. Das Indexsignal wird aktiviert, wenn sich die Welle in ihrer Referenzausrichtung befindet, was die Encoder-Schnittstelle veranlasst, den Referenzwinkel in ihren Positionszähler zu übertragen. ⓘ

Bei einigen Inkrementalgeber-Anwendungen gibt es keine Referenzpositionsdetektoren, so dass die Referenzfahrt auf andere Weise erfolgen muss. Ein Computer beispielsweise, der eine Maus oder einen Trackball als Zeigegerät verwendet, nimmt beim Hochfahren eine zentrale Ausgangsposition auf dem Bildschirm ein und speichert die entsprechenden Werte in den X- und Y-Positionszählern. Bei Schalttafelgebern, die als handbetätigte Bedienelemente verwendet werden (z. B. für die Lautstärkeregelung), wird die Ausgangsposition beim Einschalten in der Regel aus dem Flash-Speicher oder einem anderen nichtflüchtigen Speicher abgerufen und in den Positionszähler eingefügt. ⓘ

Messung der Geschwindigkeit

Bei mechanischen Förderanlagen wie dieser werden in der Regel Inkrementaldrehgeber als Rückmelder für die Geschwindigkeitsregelung eingesetzt. ⓘ

Inkrementalgeber werden in der Regel zur Messung der Geschwindigkeit mechanischer Systeme verwendet. Dies kann zu Überwachungszwecken oder als Rückmeldung für die Bewegungssteuerung oder beides erfolgen. Zu den weit verbreiteten Anwendungen gehören die Drehzahlregelung von Radarantennen und Materialförderern sowie die Bewegungssteuerung in der Robotik, bei CMM- und CNC-Maschinen. ⓘ

Inkrementalgeberschnittstellen dienen in erster Linie der Verfolgung mechanischer Verschiebungen und messen in der Regel nicht direkt die Geschwindigkeit. Daher muss die Geschwindigkeit indirekt gemessen werden, indem die Ableitung der Position nach der Zeit gebildet wird. Das Positionssignal ist von Natur aus quantisiert, was die Bildung der Ableitung aufgrund von Quantisierungsfehlern, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, erschwert. ⓘ

Die Gebergeschwindigkeit kann entweder durch Zählen oder durch Zeitmessung der Geberausgangsimpulse (oder Flanken) bestimmt werden. Der resultierende Wert gibt eine Frequenz bzw. Periode an, aus der die Geschwindigkeit berechnet werden kann. Die Drehzahl ist proportional zur Frequenz und umgekehrt proportional zur Periode. ⓘ

Nach Frequenz

Wenn das Positionssignal abgetastet wird (ein diskretes Zeitsignal), werden die Impulse (oder Impulsflanken) von der Schnittstelle erfasst und gezählt, und die Geschwindigkeit wird normalerweise von einem Computer berechnet, der Lesezugriff auf die Schnittstelle hat. Zu diesem Zweck liest der Computer die Positionswerte $C_{0}$ von der Schnittstelle zum Zeitpunkt $T_{0}$ und dann zu einem späteren Zeitpunkt $T_{1}$ die Zählerstände erneut aus, um Folgendes zu erhalten $C_{1}$. Die Durchschnittsgeschwindigkeit während des Zeitraums $T_{0}$ bis $T_{1}$ wird dann berechnet:

$speed={\frac {(C_{1}-C_{0})}{(T_{1}-T_{0})}}$. ⓘ

Der resultierende Geschwindigkeitswert wird als Zählungen pro Zeiteinheit (z. B. Zählungen pro Sekunde) ausgedrückt. In der Praxis ist es jedoch oft notwendig, die Geschwindigkeit in standardisierten Einheiten wie Meter pro Sekunde, Umdrehungen pro Minute (RPM) oder Meilen pro Stunde (MPH) anzugeben. In solchen Fällen berücksichtigt die Software das Verhältnis zwischen den Zählungen und den gewünschten Entfernungseinheiten sowie das Verhältnis zwischen dem Abtastzeitraum und den gewünschten Zeiteinheiten. Im Falle eines inkrementalen Drehgebers mit 4096 Zählungen pro Umdrehung, der einmal pro Sekunde ausgelesen wird, würde die Software die Drehzahl wie folgt berechnen:

$RPM={\frac {(C_{1}-C_{0})}{\text{1 second}}}\times {\frac {\text{60 seconds}}{\text{1 minute}}}\times {\frac {\text{1 revolution}}{\text{4096 counts}}}$. ⓘ

Bei dieser Art der Geschwindigkeitsmessung ist die Messauflösung proportional zur Encoderauflösung und zur Abtastperiode (der zwischen zwei Abtastungen verstrichenen Zeit); die Messauflösung wird mit zunehmender Abtastperiode höher. ⓘ

Nach Periode

Alternativ kann eine Geschwindigkeitsmessung bei jedem Encoder-Ausgangsimpuls durch Messung der Impulsbreite oder -periode gemeldet werden. Bei dieser Methode werden die Messungen an bestimmten Positionen und nicht zu bestimmten Zeiten ausgelöst. Die Geschwindigkeitsberechnung ist die gleiche wie oben (Zählungen / Zeit), obwohl in diesem Fall die Start- und Stoppzeiten der Messung ($T_{0}$ und $T_{1}$) durch eine Zeitreferenz bereitgestellt werden. ⓘ

Diese Technik vermeidet zwar Fehler bei der Positionsquantisierung, führt aber Fehler bei der Quantisierung der Zeitreferenz ein. Außerdem ist sie empfindlicher gegenüber Nicht-Idealitäten des Sensors wie Phasenfehler, Symmetriefehler und Abweichungen der Übergangsstellen von ihren Nennwerten. ⓘ

Inkrementalgeber-Schnittstelle

PCI-Express-Schnittstelle für 6-Achsen-Inkrementalgeber. Von oben nach unten: Eingangsverbinder (L) und Leitungsempfänger (R); FPGA; Backplane-Verbinder ⓘ

Eine Inkrementalgeberschnittstelle ist ein elektronischer Schaltkreis, der Signale von einem Inkrementalgeber empfängt, die Signale verarbeitet, um eine absolute Position und andere Informationen zu erzeugen, und die resultierenden Informationen für externe Schaltkreise bereitstellt. ⓘ

Inkrementalgeberschnittstellen werden auf unterschiedliche Weise implementiert, z. B. als ASICs, als IP-Blöcke in FPGAs, als dedizierte Peripherieschnittstellen in Mikrocontrollern und, wenn keine hohen Zählraten erforderlich sind, als abgefragte (softwareüberwachte) GPIOs. ⓘ

Unabhängig von der Implementierung muss die Schnittstelle die A- und B-Ausgangssignale des Encoders häufig genug abtasten, um jede AB-Zustandsänderung zu erkennen, bevor die nächste Zustandsänderung erfolgt. Bei der Erkennung einer Zustandsänderung werden die Positionszählungen inkrementiert oder dekrementiert, je nachdem, ob A vor oder hinter B liegt. Dazu wird in der Regel eine Kopie des vorherigen AB-Zustands gespeichert, und bei einer Zustandsänderung werden der aktuelle und der vorherige AB-Zustand zur Bestimmung der Bewegungsrichtung verwendet. ⓘ

Linienempfänger

Inkrementalgeberschnittstellen verwenden verschiedene Arten von elektronischen Schaltungen, um die vom Geber erzeugten Signale zu empfangen. Diese Leitungsempfänger dienen als Puffer zum Schutz nachgeschalteter Schnittstellenschaltungen und bieten in vielen Fällen auch Funktionen zur Signalaufbereitung. ⓘ

Single-ended

Inkrementalgeber-Schnittstellen verwenden in der Regel Schmitt-Trigger-Eingänge, um Signale von Encodern zu empfangen, die unsymmetrische Ausgänge (z. B. Push-Pull, Open Collector) haben. Diese Art von Leitungsempfängern unterdrückt von Natur aus niedriges Rauschen (durch ihre Eingangshysterese) und schützt nachgeschaltete Schaltungen vor ungültigen (und möglicherweise zerstörerischen) logischen Signalpegeln. ⓘ

Differenziell

RS-422-Leitungsempfänger werden in der Regel für den Empfang von Signalen von Encodern mit Differenzausgängen verwendet. Dieser Empfängertyp unterdrückt Gleichtaktstörungen und wandelt die eingehenden Differenzsignale in die für die nachgeschalteten Logikschaltungen erforderliche unsymmetrische Form um. ⓘ

In unternehmenskritischen Systemen kann eine Encoder-Schnittstelle erforderlich sein, um den Verlust von Eingangssignalen aufgrund eines Stromausfalls des Encoders, eines Ausfalls des Signaltreibers, eines Kabelfehlers oder einer Unterbrechung der Kabelverbindung zu erkennen. Dies wird in der Regel durch den Einsatz erweiterter RS-422-Leitungsempfänger erreicht, die das Fehlen gültiger Eingangssignale erkennen und diesen Zustand über einen Statusausgang "Signal verloren" melden. Bei normalem Betrieb können an den Statusausgängen während der Zustandsübergänge am Eingang Störimpulse (kurze Impulse) auftreten; normalerweise filtert die Encoder-Schnittstelle die Statussignale, um zu verhindern, dass diese Störimpulse fälschlicherweise als verlorene Signale interpretiert werden. Je nach Schnittstelle kann die anschließende Verarbeitung die Erzeugung einer Unterbrechungsanforderung bei Erkennung eines Signalverlusts und das Senden einer Benachrichtigung an die Anwendung zur Fehlerprotokollierung oder Fehleranalyse umfassen. ⓘ

Taktsynchronisierung

Ein 2-FF-Synchronisierer. Das Ausgangssignal des Leitungsempfängers wird an D_in angelegt; das D_out-Signal wird an den Quadraturdecoder gesendet. ⓘ

Bei hohen Taktfrequenzen können die Synchronisierer drei (wie hier) oder mehr Flip-Flops verwenden, um die Bitfehlerrate zu verringern. ⓘ

Eine Inkrementalgeber-Schnittstelle besteht größtenteils aus sequentieller Logik, die durch ein Taktsignal getaktet wird. Die eingehenden Gebersignale sind jedoch asynchron zum Schnittstellentakt, da ihr Timing ausschließlich durch die Geberbewegung bestimmt wird. Folglich müssen die Ausgangssignale der A- und B-Linien-Empfänger (sowie der Z- und Alarm-Linien-Empfänger, falls verwendet) mit dem Schnittstellentakt synchronisiert werden, sowohl um Fehler aufgrund von Metastabilität zu vermeiden als auch um die Signale in den Taktbereich des Quadraturdecoders zu zwingen. ⓘ

In der Regel wird diese Synchronisierung durch unabhängige Einzelsignal-Synchronisierer wie den hier gezeigten Zwei-Flip-Flop-Synchronisierer durchgeführt. Bei sehr hohen Taktfrequenzen oder wenn eine sehr niedrige Fehlerrate erforderlich ist, können die Synchronisierer zusätzliche Flipflops enthalten, um eine akzeptabel niedrige Bitfehlerrate zu erreichen. ⓘ

Eingangsfilter

In vielen Fällen muss eine Encoder-Schnittstelle die synchronisierten Encodersignale vor der Weiterverarbeitung filtern. Dies kann erforderlich sein, um schwaches Rauschen und kurze Rauschspitzen mit großer Amplitude zu unterdrücken, wie sie bei Motoranwendungen häufig vorkommen, und um bei mechanischen Drehgebern A und B zu entprellen, um Zählfehler aufgrund von mechanischem Kontaktprellen zu vermeiden. ⓘ

Hardware-basierte Schnittstellen bieten oft programmierbare Filter für die Encodersignale, die eine breite Palette von Filtereinstellungen bieten und es ihnen somit ermöglichen, Kontakte zu entprellen oder Transienten zu unterdrücken, die durch Rauschen oder langsam schwingende Signale entstehen, je nach Bedarf. Bei softwarebasierten Schnittstellen sind A und B in der Regel an GPIOs angeschlossen, die (über Polling oder Flankeninterrupts) abgetastet und von der Software entprellt werden. ⓘ

Quadratur-Dekoder

Ein Quadraturdecoder wandelt die Signale A und B eines Inkrementalgebers in Richtungs- und Zählfreigabesignale um, die zur Steuerung eines synchronen Vorwärts-/Rückwärtszählers verwendet werden. ⓘ

Inkrementalgeberschnittstellen verwenden in der Regel einen Quadraturdecoder, um die A- und B-Signale in die Richtungs- und Zählfreigabesignale (Taktfreigabe) umzuwandeln, die zur Steuerung eines bidirektionalen (auf- und abwärtszählenden) Synchronzählers benötigt werden. ⓘ

In der Regel wird ein Quadraturdecoder als Finite-State-Maschine (FSM) implementiert, die gleichzeitig die A- und B-Signale abtastet und so zusammengefasste "AB"-Abtastwerte erzeugt. Bei jeder neuen AB-Abtastung speichert die FSM die vorherige AB-Abtastung zur späteren Analyse. Der FSM wertet die Unterschiede zwischen dem neuen und dem vorherigen AB-Zustand aus und erzeugt Richtungs- und Zählfreigabesignale, die für die erkannte AB-Zustandsfolge geeignet sind. ⓘ

Zustandstabelle des Quadraturdecoders

Beschreibung	AB-Zustand		Ausgänge ⓘ
	Vorherige	Aktuell	CE			DIR	ERR
			x1	x2	x4
Um ein Inkrement in "Vorwärtsrichtung" verschoben (A führt B)	00	10	1	1	1	1	0
	10	11	0	0
	11	01		1
	01	00		0
Um ein Inkrement in "umgekehrter" Richtung verschoben (B führt zu A)	00	01		0		0
	01	11		1
	11	10		0
	10	00	1	1
Keine Bewegung erkannt	00	00	0			X
	01	01
	10	10
	11	11
Eine unbestimmte Anzahl von Inkrementen bewegt	00	11					1
	01	10
	10	01
	11	00

Zustandsübergänge

In zwei aufeinanderfolgenden AB-Abtastungen kann sich der logische Pegel von A oder B ändern oder beide Pegel können unverändert bleiben, aber im Normalbetrieb ändern sich A und B nie beide. In dieser Hinsicht ist jede AB-Abtastung effektiv ein Zwei-Bit-Gray-Code. ⓘ

• 

  Bewegung in Vorwärtsrichtung

• 

  Bewegung in Rückwärtsrichtung

• 

  Keine Bewegung

• 

  Fehler ⓘ

Normale Übergänge

Wenn sich nur der Zustand von A oder B ändert, wird davon ausgegangen, dass sich der Geber um ein Inkrement seiner Messauflösung bewegt hat, und dementsprechend aktiviert der Quadraturdecoder seinen Zählfreigabeausgang, um eine Änderung der Zählwerte zu ermöglichen. Je nach Bewegungsrichtung des Encoders (vorwärts oder rückwärts) aktiviert oder negiert der Decoder seinen Richtungsausgang, um die Zählungen zu erhöhen oder zu verringern (oder umgekehrt). ⓘ

Wenn sich weder A noch B ändert, wird davon ausgegangen, dass sich der Geber nicht bewegt hat, und der Quadraturdecoder negiert seinen Zählfreigabeausgang, so dass die Zählungen unverändert bleiben. ⓘ

Fehler

Wenn sich die logischen Zustände A und B in aufeinanderfolgenden AB-Abtastungen ändern, kann der Quadraturdecoder nicht feststellen, um wie viele Inkremente oder in welche Richtung sich der Geber bewegt hat. Dies kann passieren, wenn die Gebergeschwindigkeit zu hoch ist, als dass der Decoder sie verarbeiten könnte (d.h. die Rate der AB-Zustandsänderungen übersteigt die Abtastrate des Quadraturdecoders; siehe Nyquist-Rate) oder wenn das A- oder B-Signal verrauscht ist. ⓘ

In vielen Geberanwendungen ist dies ein katastrophales Ereignis, da der Zähler keine genaue Anzeige der Geberposition mehr liefert. Daher geben Quadraturdecoder häufig ein zusätzliches Fehlersignal aus, das bei gleichzeitiger Änderung der Zustände von A und B aktiviert wird. Aufgrund der Schwere und der Zeitempfindlichkeit dieses Zustands ist das Fehlersignal oft mit einer Interrupt-Anforderung verbunden. ⓘ

Taktmultiplikator

Ein Quadraturdecoder lässt nicht unbedingt zu, dass sich die Zählerstände bei jeder inkrementellen Positionsänderung ändern. Wenn ein Decoder eine inkrementelle Positionsänderung feststellt (aufgrund eines Übergangs von A oder B, aber nicht von beiden), kann er die Zählungen zulassen oder sperren, je nach dem AB-Zustandsübergang und dem Taktmultiplikator des Decoders. ⓘ

Der Taktmultiplikator eines Quadraturdecoders heißt so, weil er zu einer Zählrate führt, die ein Vielfaches der A- oder B-Impulsfrequenz ist. Je nach Design des Decoders kann der Taktmultiplikator fest verdrahtet sein oder über Eingangssignale zur Laufzeit konfiguriert werden. ⓘ

Der Wert des Taktmultiplikators kann eins, zwei oder vier sein (üblicherweise mit "x1", "x2" und "x4" oder "1x", "2x" und "4x" bezeichnet). Im Falle eines x4-Multiplikators ändern sich die Zählungen bei jeder Änderung des AB-Zustands, was zu einer Zählrate führt, die dem Vierfachen der A- oder B-Frequenz entspricht. Bei den x2- und x1-Multiplizierern ändern sich die Zählwerte bei einigen, aber nicht bei allen AB-Zustandsänderungen, wie in der obigen Quadraturdecoder-Zustandstabelle dargestellt (Hinweis: Diese Tabelle zeigt eine von mehreren möglichen Implementierungen für x2- und x1-Multiplizierer; andere Implementierungen können die Zählung bei verschiedenen AB-Übergängen ermöglichen). ⓘ

Positionsmeldung

Aus Sicht einer Anwendung besteht der grundlegende Zweck einer Inkrementalgeberschnittstelle darin, bei Bedarf Positionsinformationen zu melden. Je nach Anwendung kann dies so einfach sein, dass der Computer den Positionszähler jederzeit programmgesteuert auslesen kann. In komplexeren Systemen kann der Positionszähler abgetastet und von zwischengeschalteten Zustandsmaschinen verarbeitet werden, die wiederum die Abtastwerte dem Computer zur Verfügung stellen. ⓘ

Abtastregister

Ein Encoder-Interface verwendet typischerweise ein Abtastregister, um die Positionsmeldung zu erleichtern. In dem einfachen Fall, dass der Computer programmgesteuert Positionsinformationen anfordert, tastet die Schnittstelle den Positionszähler ab (d. h. kopiert die aktuellen Positionszahlen in das Abtastregister), und der Computer liest dann die Zahlen aus dem Abtastregister. Dieser Mechanismus führt zu einem atomaren Betrieb und gewährleistet somit die Integrität der Abtastdaten, die andernfalls gefährdet sein könnte (z. B. wenn die Wortgröße der Abtastung die Wortgröße des Computers überschreitet). ⓘ

Getriggerte Probenahme

In manchen Fällen ist der Computer nicht in der Lage, programmatisch (über programmierte E/A) Positionsdaten mit ausreichender zeitlicher Präzision zu erfassen. So kann der Computer beispielsweise aufgrund von Software-Timing-Schwankungen nicht in der Lage sein, Abtastungen in regelmäßigen Abständen anzufordern (z. B. zur Geschwindigkeitsmessung). In einigen Anwendungen ist es auch notwendig, bei externen Ereignissen Abtastwerte anzufordern, und der Computer ist möglicherweise nicht in der Lage, dies zeitnah zu tun. Bei höheren Drehgebergeschwindigkeiten und -auflösungen können selbst bei Verwendung von Interrupts zur Anforderung von Abtastwerten Fehler bei der Positionsmessung auftreten, da sich der Drehgeber zwischen der Signalisierung des IRQ und der Anforderung der Abtastwerte durch den Interrupt-Handler bewegen kann. ⓘ

Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es üblich, dass eine Inkrementalgeberschnittstelle eine hardwaregetriggerte Abtastung implementiert, die es ermöglicht, den Positionszähler zu genau gesteuerten Zeiten abzutasten, die durch ein Trigger-Eingangssignal vorgegeben werden. Dies ist wichtig, wenn die Position zu bestimmten Zeiten oder als Reaktion auf physikalische Ereignisse abgetastet werden muss, und wesentlich bei Anwendungen wie Mehrachsen-Bewegungssteuerung und KMG, bei denen die Positionszähler mehrerer Encoder-Schnittstellen (eine pro Achse) gleichzeitig abgetastet werden müssen. ⓘ

In vielen Anwendungen muss der Computer genau wissen, wann jeder Abtastwert erfasst wurde und, wenn die Schnittstelle mehrere Triggereingänge hat, welches Signal die Erfassung ausgelöst hat. Um diese Anforderungen zu erfüllen, enthält die Schnittstelle in der Regel in jedem Abtastwert einen Zeitstempel und Triggerinformationen. ⓘ

Ereignisbenachrichtigung

Die Auslöser für die Abtastung sind häufig asynchron zur Softwareausführung. Wenn also der Positionszähler als Reaktion auf ein Triggersignal abgetastet wird, muss der Computer benachrichtigt werden (in der Regel über eine Unterbrechung), dass eine Abtastung verfügbar ist. Auf diese Weise kann die Software ereignisgesteuert sein (im Gegensatz zu einer Abfrage), was ein reaktionsschnelles Systemverhalten erleichtert und den Abfrage-Overhead eliminiert. ⓘ

Stichproben-FIFO

Die Auslöser für aufeinanderfolgende Abtastungen können schneller auftreten, als der Computer die resultierenden Abtastungen verarbeiten kann. In diesem Fall werden die Informationen im Abtastregister überschrieben, bevor sie vom Computer gelesen werden können, was zu Datenverlusten führt. Um dieses Problem zu vermeiden, bieten einige Inkrementalgeber-Schnittstellen einen FIFO-Puffer für Abtastwerte. Jede erfasste Abtastung wird im FIFO gespeichert. Wenn der Computer eine Abtastung anfordert, kann er die älteste Abtastung im FIFO lesen. ⓘ

Funktionsweise

Geöffneter Geber: Endlos-Modus mit unterteilter, einspuriger Kontaktbahn und drei miteinander gebrückten Schleifkontakten ⓘ

Inkrementalgeber können mit Schleifkontakten, photoelektrisch oder magnetisch arbeiten. Sie liefern am Ausgang immer zwei um 90 Grad gegeneinander phasenverschobene Signale (siehe Abschnitt Signalauswertung), anhand derer sich Drehrichtung und -winkel bestimmen lassen. ⓘ

Photoelektrische Abtastung

Photoelektrische Abtastung (Demonstrationsmodell) ⓘ

Band in einem Tintenstrahldrucker, mit dem die Position des Druckkopfes bestimmt wird. ⓘ

Abbildendes Messprinzip: 1 – Lichtquelle, 2 – Kondensor, 3 – Abtastplatte, 4 – Glasmaßstab, 5 – Photodetektoren; Die Teilstriche sind stark vergrößert dargestellt ⓘ

Bei der photoelektrischen Abtastung unterscheidet man zwischen dem abbildenden Messprinzip, das für Teilungsperioden bis hinunter zu 2 µm geeignet ist, und dem interferentiellen Messprinzip, das sub-µm Teilungsperioden ermöglicht. ⓘ

Zur Be- oder Durchleuchtung des Gitters ist ein Speisestrom im Milliampere-Bereich erforderlich, so dass optische Verfahren weniger in batteriebetriebenen Geräten zum Einsatz kommen. ⓘ

Abbildendes Messprinzip

Zwischen der Leuchtdiode und zwei leicht versetzt angeordneten Photodetektoren befindet sich eine mit Schlitzen versehene Scheibe. Rotiert nun diese Scheibe, werden die beiden Photodetektoren abwechselnd beleuchtet. Aus diesen zwei Ausgangssignalen bildet der Empfänger die Drehrichtung und zählt die Impulse. Hochwertige Messsysteme benutzen vier Sensoren, die jeweils zu zweit antiparallel geschaltet sind, um einen definierten Nulldurchgang zu erhalten und so Drift- und Alterungserscheinungen zu kompensieren. ⓘ

Bei der Mehrfeldabtastung wird ein Lichtstrahl, der durch eine Lichtquelle (meist eine Infrarot-Leuchtdiode) erzeugt wird, durch einen Kondensor, eine mit Strichen versehene Abtastplatte und eine Blende (Maßverkörperung) auf ein photooptisches Bauelement (meist ein Phototransistor) geleitet. Die Abtastplatte trägt ein Gitter mit geringfügig anderer Teilung, so dass durch den Moiré-Effekt auf den Photodetektoren ein vergrößertes Abbild der Teilung entsteht. Einfachste Ausführungen, wie sie zum Beispiel bei Computermäusen verwendet werden, verzichten auf Kondensor und Abtastplatte. ⓘ

Ein anderes Messprinzip ist die Einfeld-Abtastung im Auflichtverfahren. Dabei wird der Lichtstrahl durch den Kondensor und eine Abtastplatte, die mit zwei verschachtelten Phasengittern ausgerüstet ist, auf eine Maßverkörperung gelenkt. Der Lichtstrahl wird dann auf der Maßverkörperung reflektiert und durch die Beugungsgitter zurückgeleitet. Dabei entstehen wiederum vier phasenverschobene Bilder der Abtastplatte, die wie bei der Mehrfeldabtastung ausgewertet werden. Das Verfahren ist bei Linearmaßstäben anwendbar, da es eine leichte Welligkeit der Maßverkörperung toleriert und auch gegenüber einer leichten lokalen Verschmutzung unempfindlich ist. ⓘ

Interferentielles Messprinzip

Bei diesem Messprinzip wird die Beugungserscheinung an einem Gitter ausgenutzt, um ein Messsignal zu erzeugen. Dieses Verfahren wird bei hochgenauen inkrementellen Linearmesssystemen angewandt. Dazu wird der Lichtstrahl durch einen Kondensor auf eine Maßverkörperung geleitet, dort reflektiert und durch den Kondensor zu den photoelektrischen Sensoren zurückgeleitet. Die ein Phasengitter tragende transparente Abtastplatte sorgt dafür, dass drei gebeugte Strahlanteile (Beugungsordnung −1, 0, +1) erzeugt werden. Nach der Reflexion an der ebenfalls ein Phasengitter tragenden Maßverkörperung wird die Abtastplatte durch die Strahlen erneut passiert, wobei die nullte Beugungsordnung ausgelöscht wird. Anschließend werden die ±1. Beugungsordnung so auf drei Photoelemente abgebildet, dass diese dabei ein um jeweils 120° versetztes Signal erzeugen. Diese drei Signale werden dann in einer Folgeelektronik in die industrietaugliche 2-Signal-Form umgesetzt. ⓘ

Magnetische Abtastung

Visualisierung der magnetischen Struktur eines Magnetbandes. ⓘ

Bei einem inkrementellen Messsystem mit magnetischer Abtastung besteht die Maßverkörperung aus einem hartmagnetischen Träger, in dem durch Magnetisierung eine Teilung eingeschrieben wurde (ein Polrad oder Magnetband). Typische magnetische Teilungsperioden sind zwischen 0,5 mm bis 5 mm, aber auch größere Teilungen können realisiert und als Inkrementalspuren genutzt werden. Das Lesen der magnetischen Codierung kann durch Hallelemente oder magnetoresistive Sensoren erfolgen. Mit den beiden unterschiedlichen Technologien lässt sich ein berührungsloses Auslesen der Magnetisierung realisieren. Die magnetische Abtastung wird angewendet, wenn das Messsystem nicht mit erträglichem Aufwand gekapselt werden kann. Sie kann gegenüber Flüssigkeiten und Schmutz unempfindlich hergestellt werden. Ferromagnetische Fremdkörper im Spalt zwischen Sensor und Maßverkörperung können das Messprinzip stören. Der negative Einfluss von externen magnetischen Störfeldern ist abhängig von der gewählten Sensortechnologie, Sensordesign und magnetischen Feldstärke der Maßverkörperung. ⓘ

Für den Betrieb des Leseverstärkers ist nur ein geringer Ruhestrom im Mikroampere-Bereich erforderlich, so dass dieses Verfahren für batteriebetriebene Geräte mit Selbstabschaltung gut geeignet ist, etwa für digitale Messschieber. ⓘ

Zahnradgeber

Zahnradgeber ⓘ

Eine weitere Möglichkeit ist das Abtasten einer Verzahnung aus unmagnetisiertem ferromagnetischem Material (z. B. Zahnräder oder Zahnstangen aus Eisen) mittels einer oder mehrerer mit Gleichstrom beaufschlagter Induktionsspulen. Entweder wird ein spezielles Messzahnrad montiert oder schon vorhandene Konstruktionselemente als Maßverkörperung genutzt. Der Abtastkopf besitzt einen zur Verzahnung passenden Eisenkern. Zwei weitere Spulen (oder Feldplatten oder GMR-Sensoren) registrieren die Magnetfeldänderung, die nach Polarität und Phasenlage ausgewertet wird. Die Genauigkeit ist abhängig von der Teilung und dem Durchmesser des Zahnrades, allgemein aber geringer als bei optischen Gebern. Bei höheren Drehzahlen und schmutziger Umgebung kommen passive Induktionsgeber zum Einsatz. ⓘ

Tachosignal

Wird die Information über die Drehrichtung nicht benötigt, weil beispielsweise nur die Geschwindigkeit interessiert, reicht es, ein einziges Signal auszuwerten. In diesem Fall spricht man häufig von Tachosignal oder auch FG- oder F.-G.-Signal (für Frequenzgenerator). Die oben dargestellten Sensorprinzipien kommen entsprechend vereinfacht zur Anwendung. Die Frequenz des Tachosignals ist proportional zur (Winkel)geschwindigkeit. ⓘ

Anwendungen liegen zum Beispiel in der Regelungstechnik zur Regelung einer Drehzahl (Tonwelle eines Tonbandgerätes) oder zur Stillstandserkennung (Lüfter-Kontrollsignal). ⓘ

Signalauswertung

Bewegung und resultierende A/B-Signale (rechts) ⓘ

Rechtecksignale (A/B) und Referenzimpuls (R) ⓘ

Sinus-(A), Cosinussignal (B) und Referenzimpuls (R) ⓘ

Bei einer Bewegung geben die beiden Sensoren zwei um 90° elektrisch phasenverschobene Signale (A und B) ab. Bewegt sich die Maßverkörperung (Messgröße, die in A/B-Impulsen abgebildet wird) nach rechts, ist das Signal des Kanals A gegenüber dem Kanal B um 90° voreilend. In der anderen Richtung ist das Signal des Kanals A gegenüber dem Kanal B um 90° nacheilend. Die vier unterschiedlichen Zustände von A und B wiederholen sich bei jedem Teilstrich der Maßverkörperung. Sie können mit 0, 90, 180 und 270 Grad gekennzeichnet werden und werden auch Teilungsperiode genannt. ⓘ

Spezielle AB-Zähler ermitteln aus diesen zwei Signalen die Richtung und zählen die Impulse. Damit kann direkt auf die Maßverkörperung (Weg bzw. Winkel) geschlossen werden. Aus dem alten und dem neuen Zustand und der Zeit zwischen den Zustandswechseln von A und B lassen sich Geschwindigkeit und Richtung bestimmen. Bei der so genannten 4-fach-Auflösung wird der Zähler bei jeder Flanke verändert (siehe Ziffern im Bild rechts). Zählt man hingegen nur jede Periode (4 Schritte), so kann damit auf einfache Weise eine Hysterese erreicht werden. Dies wird oft bei digitalen Drehknöpfen verwendet. Eine höhere Auflösung als 4-fach ist bei der Auswertung von Rechtecksignalen nicht möglich. ⓘ

Gängige Ausgangssignalpegel sind TTL, HTL (beides Rechtecksignale), sowie 1 V_ss und 11 µA (analoge sin-/cos-Signale). ⓘ

Wenn der Inkrementalgeber genau auf der Grenze einer Flanke steht, so können durch kleinste Erschütterungen oder andere Effekte (Tastenprellen, elektromagnetische Störungen) zusätzliche Impulse auftreten. Sogenannte Schrittabellen eliminieren Fehler durch Mehrfachimpulse an den Schaltzeitpunkten: Angenommen, B stehe auf 1 und A wechsele von 1 auf 0 und prelle dabei: A_mem und B_mem sollen die gespeicherten Werte vor einer neuen Flanke sein. Beim ersten Wechsel von A auf 0 wird anschließend A_mem = 0 und B_mem = 1 gespeichert. Wechselt jetzt A wieder auf 1 so wird kein Impuls gezählt, weil das Aktuelle B = B_mem ist. Solange sich B nicht verändert hat, dürfen Flanken bei A nicht mehr gezählt werden. Kurz gesagt: Die Logik setzt das Apriori-Wissen, dass nach einem Wechsel von A erst ein Wechsel von B kommen muss (und umgekehrt) um. Dies gilt auch bei der Drehrichtungsumkehr. ⓘ

Bei Sensoren, die ein sinusförmiges Signal erzeugen, kann eine Interpolation des gemessenen Signals erfolgen, die eine deutliche Erhöhung der Auflösung erlaubt. Je nach Ausführung findet diese Interpolation bereits in der Sensoreinheit statt, da der Abstand zwischen Sensor und Auswerteschaltung möglichst gering sein sollte, um das Einfangen von Störungen durch die Verbindungsleitung zu vermeiden. ⓘ

Wird der Inkrementalgeber in einem Servomotor eingesetzt, verfügt er in der Regel noch über zusätzliche Spuren für Kommutierungssignale, aus denen absolute Winkel direkt nach dem Einschalten ermittelt werden. Sie können analog aus um 90° (eine viertel Umdrehung der Motorwelle) versetzten Sinus- bzw. Cosinussignalen (sogenannte C/D-Spur oder Z1-Spur) bestehen oder aus Teilkreisen bei der Blockkommutierung. ⓘ

Referenzieren

Der Inkrementalgeber misst nach Zuschalten der Spannungsversorgung nur Änderungen gegenüber der Einschalt-Position. Bei vielen Anwendungen ist aber die Kenntnis der absoluten Position erforderlich. Deshalb geben die meisten Winkelmessgeräte einen Referenzimpuls (Nullimpuls, Referenzmarke) einmal pro Umdrehung auf einem dritten Ausgang aus. Nach dem Einschalten muss der Geber so lange gedreht werden, bis der Referenzimpuls erkannt wurde. Spätestens nach einer Umdrehung steht dann der absolute Winkel zur Verfügung. ⓘ

Positionierungssysteme mit Inkrementalgebern führen nach dem Einschalten sogenannte Referenzfahrten auf einen externen Positionssensor (z. B. Endlagenschalter) aus. Von diesem Punkt aus wird der nächste Referenzimpuls des Inkrementalgebers als genauer Referenzpunkt verwendet. ⓘ

Für inkrementale Längenmesssysteme gibt es mehrere Varianten:

• eine Referenzmarke in der Mitte
• zwei Referenzmarken jeweils 25…45 mm vom Beginn und Ende der Messlänge entfernt
• mehrere Referenzmarken alle 50 mm (manchmal ist eine davon mit austauschbaren Magnetstreifen wählbar)
• abstandskodierte Referenzmarken ⓘ

Sind die Referenzmarken abstandskodiert, steht die absolute Position nach Überfahren von zwei Referenzmarken zur Verfügung. Der Abstand zweier Referenzmarken ist über den gesamten Verfahrweg unterschiedlich. Zum Beispiel bei einer Teilungsperiode von 20 µm: |←10,02→|←9,98→|←10,04→|←9,96→|… mm. Daraus kann die absolute Position berechnet werden, und ein externer Referenzschalter ist nicht notwendig. ⓘ

Anwendungen

• Bei der optomechanischen Computermaus werden die Bewegungen der Rollkugel auf zwei Inkrementalgeber für die X- und Y-Achse übertragen. Am Mausrad befindet sich ein weiterer Inkrementalgeber.
• Bei Geräten der Unterhaltungselektronik, an Werkzeugmaschinen und Messgeräten übernehmen Drehknöpfe mit Inkrementalgebern häufig die digital gesteuerten Funktionen eines Potentiometers („Jog Dial“), der Einstellung von Parametern oder der Menüauswahl.
• Unter anderem in Tintenstrahldruckern messen lineare Inkrementalgeber die Position des Druckwagens. Hierzu bewegt sich ein an diesem angebrachter Sensor entlang einem mit Strichen versehenen, fest gespannten Band.
• Im industriellen Umfeld werden Inkrementalgeber zur Messung von Wegstrecken, Geschwindigkeiten oder Drehwinkeln an Werkzeugmaschinen, in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik und an Mess- und Prüfeinrichtungen eingesetzt.
• Im Vermessungswesen werden Inkrementalgeber seit den 90er-Jahren in elektronischen Theodoliten eingesetzt, wo sie die bisherigen Teilkreise aus Glas ersetzen. Die Technik der relativen Winkelbestimmung wird dort Inkrementalverfahren genannt, im Gegensatz zum Codeverfahren beim Einsatz von Absolutwertgebern. ⓘ