Genauigkeit der Interpolation.

Um die Position einer linearen Achse zu bestimmen, fährt der Lesekopf eines Encoders entlang einer Skala und erfasst dabei Änderungen des Lichts (bei optischen Encodern) bzw. des Magnetfelds (bei magnetischen Encodern). Während der Lesekopf diese Änderungen registriert, erzeugt er Sinus- und Kosinussignale, die um 90 Grad gegeneinander gedreht sind (sogenannte Quadratursignale). Diese analogen Sinus- und Kosinussignale werden in digitale Signale umgewandelt und anschließend – in manchen Fällen um den Faktor 16.000 oder mehr – interpoliert, um die Auflösung zu erhöhen. Die Interpolation ist jedoch nur dann genau, wenn die ursprünglichen analogen Signale fehlerfrei sind. Jede Ungenauigkeit in den Sinus- und Kosinussignalen – der sogenannte Unterteilungsfehler – beeinträchtigt die Qualität der Interpolation und verringert die Genauigkeit des Encoders.

Der Unterteilungsfehler ist zyklisch und tritt mit jedem Skalen- oder Abtastintervall (d. h. mit jeder Signalperiode) auf, akkumuliert sich jedoch nicht und ist unabhängig von der Skala oder dem Abtastweg. Die beiden Hauptursachen für den Unterteilungsfehler sind mechanische Ungenauigkeiten und eine Fehlausrichtung zwischen Skala und Lesekopf, wobei auch harmonische Störungen Verzerrungen der Sinus- und Kosinussignale verursachen können.

Verwendung eines Lissajous-Musters zur Bestimmung des Unterteilungsfehlers

Zur Analyse von Unterteilungsfehlern wird die Amplitude des Sinussignals in einem XY-Diagramm gegen die Amplitude des Kosinussignals über die Zeit aufgetragen. Dadurch entsteht ein sogenanntes Lissajous-Muster.

Bei einem zentrierten Diagramm im Koordinatenursprung (0,0) und einer Phasenverschiebung der Signale um exakt 90 Grad sowie einem Amplitudenverhältnis von 1:1 ergibt sich ein perfekter Kreis. Unterteilungsfehler können sich als Verschiebung des Mittelpunkts oder als Phasenunterschiede (Sinus- und Kosinussignal verschieben sich nicht exakt um 90 Grad) oder Amplitudenunterschiede zwischen Sinus- und Kosinussignalen äußern. Selbst bei hochwertigen Encodern kann der Unterteilungsfehler 1 bis 2 Prozent der Signalperiode betragen. Daher beinhalten Signalverarbeitungselektroniken häufig Verstärkungs-, Phasen- und Offsetkorrekturen, um Unterteilungsfehler zu kompensieren.

Direktantriebe benötigen hochpräzise Encoder.

Die Genauigkeit des Encoders ist wichtig für Positionieranwendungen mit mechanisch gekoppelten Drehmotoren, aber besonders kritisch bei Linearmotoren mit Direktantrieb. Der Unterschied liegt in der Art der Drehzahlregelung.

Bei herkömmlichen Rotationsmotoren liefert ein am Motor angebrachter Drehgeber die Drehzahlinformation, während ein Lineargeber die Positionsinformation liefert. Bei Direktantrieben hingegen gibt es keinen Drehgeber. Der Lineargeber gibt hier sowohl Drehzahl- als auch Positionsinformationen zurück, wobei die Drehzahlinformation aus der Geberposition abgeleitet wird. Unterteilungsfehler, die die Genauigkeit der Positionserfassung und damit die Ableitung der Drehzahlinformation beeinträchtigen, können zu Drehzahlschwankungen führen.

Direktantriebssysteme können zudem mit hohen Regelkreisverstärkungen betrieben werden, wodurch sie schnell auf Positions- oder Drehzahlfehler reagieren können. Mit zunehmender Fehlerfrequenz kann die Steuerung jedoch nicht mehr mithalten, und der Motor zieht mehr Strom, um den Fehler zu korrigieren. Dies führt zu hörbaren Geräuschen und übermäßiger Erwärmung des Motors.