Robuste Absolutdrehgeber dank intelligenter Signalauswertung

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Mehrere Sensoren erforderlich

Um die Absolutspur abzulesen werden mehrere Sensoren verwendet, die aufeinanderfolgende Teilungsschritte des Musters abtasten. Der Abstand zwischen benachbarten Sensoren muss der Teilungsschrittlänge der Absolutspur, beziehungsweise der Teilungsperiode der Inkrementalspur entsprechen. Aufgrund der resultierenden geringen Baugröße solcher Sensoren, werden bevorzugt speziell entworfenen miniaturisierte optische Sensoren als Sensorarray auf einem anwendungsspezifischen Halbleiterchip zusammengefasst. Abbildung 3 zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung eines Absolutdrehgebers.

Die digitalisierten Ausgangssignale des Sensorarrays ergeben einen Gray-Code. Gray-Codierung ist ein binäres Zahlensystem, in dem nur ein Bit des Codes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Werten verändert wird. Da benachbarte inkrementelle Positionscodes sich nur in einer Binärziffer unterscheiden, verhindert die Gray-Codierung, dass ein fehlerhafter Code an Übergängen zwischen Positionen generiert wird.

Magnetische Drehgeber

Magnetische Drehgeber, die auf dem Prinzip von Inkrementalgebern basieren, haben den Vorteil, dass sie robuster als optische Geber sind, da sie weniger empfindlich auf Stöße, Vibrationen und Verschmutzung reagieren. Sie sind auch langlebiger, da es zu keiner Alterung von Leuchtdioden kommt.

Da das Magnetfeld jedoch mit zunehmendem Abstand von der Magnetoberfläche rasch abnimmt, ist die Anzahl der periodischen Teilungen des Musters auf wenige Dutzend begrenzt. Wenn zudem die Teilungsperiode sehr klein ist, muss der Magnetsensor sehr nahe an der Magnetoberfläche liegen, um einen deutlichen Übergang zu erfassen. Üblicherweise kompensieren magnetische Drehgeber die geringe Anzahl von Perioden durch eine analoge Signalverarbeitung mit höherer Auflösung. Allerdings führt dies zu einer höheren Empfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen. Darüber hinaus ist das Signal in einer Periode weniger präzise, wodurch die Gesamtgenauigkeit magnetischer Drehgeber schlechter ist als bei vergleichbaren optischen Gebern.

Nachteile konventioneller Geber

Optische und magnetische Absolutdrehgeber haben mehrere Nachteile. Sie erfordern mindestens zwei Spuren und eine Reihe von Sensoren zur Bestimmung der Absolutposition der drehenden Scheibe. Insbesondere für magnetische Drehgeber ist die Anordnung von zwei konzentrischen magnetischen Mustern auf einer Geberscheibe schwierig. Bei sowohl optischen als auch magnetischen Absolutgebern hängt die Zuverlässigkeit der Positionserfassung weitgehend von der Genauigkeit der Abbildung des Codes auf das Sensorarray ab.

Aufgrund der geringen Maßtoleranzen der Codespuren ist eine hohe Präzision bei der Herstellung von Absolutgeber-Codescheiben erforderlich und deren kleinste Größe begrenzt. Dies erklärt, warum Absolutdrehgeber gewöhnlich 256 Teilungen haben, während Inkrementalgeber der gleichen Baugröße in der Regel mit 1024 Inkrementen angeboten werden.

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