Genauigkeit der Interpolation.

Um die Position einer linearen Achse zu bestimmen, bewegt sich ein Encoder-Lesekopf entlang einer Skala und „liest“ Änderungen im Licht (bei optischen Encodern) oder im Magnetfeld (bei magnetischen Typen). Wenn der Lesekopf diese Änderungen registriert, erzeugt er Sinus- und Cosinussignale, die um 90 Grad zueinander verschoben sind (sogenannte „Quadratursignale“). Diese analogen Sinus- und Cosinussignale werden in digitale Signale umgewandelt, die dann – in einigen Fällen um den Faktor 16.000 oder mehr – interpoliert werden, um die Auflösung zu erhöhen. Die Interpolation kann jedoch nur dann genau sein, wenn die ursprünglichen Analogsignale fehlerfrei sind. Jede Unvollkommenheit der Sinus- und Cosinussignale – sogenannte Unterteilungsfehler – beeinträchtigt die Qualität der Interpolation und verringert die Genauigkeit des Encoders.

Der Unterteilungsfehler ist zyklisch und tritt bei jedem Intervall des Maßstabs oder der Abtastteilung (dh bei jeder Signalperiode) auf, akkumuliert sich jedoch nicht und ist unabhängig vom Maßstab oder der Weglänge. Die beiden Hauptursachen für SDE sind mechanische Ungenauigkeiten und eine Fehlausrichtung zwischen Maßstab und Lesekopf, obwohl harmonische Störungen auch zu Verzerrungen der Sinus- und Cosinussignale führen können.

Verwendung eines Lissajous-Musters zur Bestimmung des Unterteilungsfehlers

Um den Unterteilungsfehler zu analysieren, wird die Größe des Sinuswellensignals in einem XY-Diagramm gegen die Größe des Kosinuswellensignals über die Zeit aufgetragen. Dadurch entsteht ein sogenanntes „Lissajous“-Muster.

Wenn das Diagramm auf der Koordinate 0,0 zentriert ist und die Signale genau um 90 Grad phasenverschoben sind und eine Amplitude von 1:1 haben, bildet das Diagramm einen perfekten Kreis. Unterteilungsfehler können sich in einer Verschiebung des Mittelpunkts oder in Phasenunterschieden (Sinus- und Cosinusverschiebung nicht genau 90 Grad) oder Amplitude zwischen den Sinus- und Cosinussignalen äußern. Selbst bei hochwertigen Encodern kann die SDE 1 bis 2 Prozent der Signalperiode betragen, daher umfasst die Signalverarbeitungselektronik oft Verstärkungs-, Phasen- und Offset-Korrekturen, um Unterteilungsfehlern entgegenzuwirken.

Direktantriebe erfordern hochgenaue Encoder

Die Genauigkeit des Encoders ist wichtig für Positionierungsanwendungen, die von mechanisch gekoppelten Rotationsmotoren angetrieben werden. Die Genauigkeit ist jedoch besonders wichtig, wenn ein Linearmotor mit Direktantrieb verwendet wird. Der Unterschied liegt darin, wie die Geschwindigkeit gesteuert wird.

Bei einer herkömmlichen Rotationsmotoranwendung liefert ein am Motor angebrachter Drehgeber Geschwindigkeitsinformationen, während der Linearencoder Positionsinformationen liefert. Bei Direktantriebsanwendungen gibt es jedoch keinen Drehgeber. Der Linear-Encoder liefert Feedback für Geschwindigkeit und Position, wobei die Geschwindigkeitsinformationen aus der Position des Encoders abgeleitet werden. Unterteilungsfehler – die die Fähigkeit des Encoders beeinträchtigen, die Position genau zu melden und damit Geschwindigkeitsinformationen abzuleiten – können zu Geschwindigkeitsschwankungen führen.

Darüber hinaus können Direktantriebssysteme mit hohen Regelkreisverstärkungen betrieben werden, wodurch sie schnell auf Korrekturfehler in Position oder Geschwindigkeit reagieren können. Mit zunehmender Fehlerhäufigkeit ist die Steuerung jedoch nicht mehr in der Lage, mit dem Fehler Schritt zu halten, und der Motor zieht bei dem Versuch, darauf zu reagieren, mehr Strom, was zu hörbaren Geräuschen und übermäßiger Motorerwärmung führt.