Encoder

Wie funktionieren Encoder?

Bei Encodern wird zwischen absoluter und inkrementeller Abtastung unterschieden.

Mechanisch

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.

Optisch

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.

Magnetisch

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.

Bürstenlose Motorkommutierung

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.

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.