Inkremental- und Absolutwertgeber

Ein Drehgeber sitzt meist direkt auf einer Welle – am Ende eines Motors, an einer Spindel, an einem Gelenk. Dreht sich die Welle, gibt der Geber elektrische Signale aus, aus denen eine Steuerung den Drehwinkel, die zurückgelegte Strecke oder die Drehzahl ableitet. Der Begriff Encoder meint dasselbe; im deutschsprachigen Raum sind beide Bezeichnungen üblich.

Die meisten Geber erfassen eine Drehbewegung, sind also rotatorisch. Daneben gibt es lineare Ausführungen, die eine geradlinige Bewegung direkt abgreifen – das Messprinzip dahinter ist aber dasselbe. In diesem Beitrag bleiben wir bei der drehenden Variante.

Jetzt zum entscheidenden Punkt. Stell dir vor, du sollst in einem dunklen Treppenhaus sagen, in welchem Stockwerk du bist. Zwei Strategien sind möglich. Entweder du zählst beim Gehen die Stufen mit – dann weißt du deine Position nur, wenn du von einem bekannten Startpunkt losgegangen bist und keine Stufe verpasst hast. Oder an jeder Stufe steht eine eindeutige Nummer – dann genügt ein Blick, und du kennst deine Position sofort, ganz ohne Vorgeschichte.

Genau diese zwei Strategien stecken in den beiden Gebertypen:

• Der Inkrementalgeber zählt Schritte (Inkremente) ab einem Startpunkt. Er liefert eine relative Position.
• Der Absolutwertgeber ordnet jeder Stellung ein eindeutiges Codewort zu. Er liefert eine absolute Position.

Der practical Unterschied zeigt sich beim Spannungsausfall. Fällt beim zählenden Geber die Versorgung aus, ist der Zählerstand weg – nach dem Wiedereinschalten weiß die Steuerung nicht mehr, wo die Mechanik steht, und muss erst eine Referenzfahrt machen. Der absolut messende Geber kennt seine Position dagegen sofort wieder. Diese eine Eigenschaft ist in der Praxis oft das ausschlaggebende Auswahlkriterium – darauf kommen wir in Kapitel 4 zurück.

Die naheliegende Anwendung „aus den Impulsen eine Drehzahl bestimmen“ lassen wir hier bewusst außen vor; die Drehzahl- und Drehmomentmessung ist ein Thema für sich.

Im Inneren eines optischen Inkrementalgebers dreht sich eine Strichscheibe – eine Glas- oder Kunststoffscheibe mit vielen feinen, gleichmäßig verteilten Strichen am Rand, abwechselnd durchlässig und undurchlässig. Auf der einen Seite sitzt eine Lichtquelle, auf der anderen ein lichtempfindlicher Empfänger. Dreht sich die Scheibe, unterbrechen die Striche das Licht im Takt – der Empfänger gibt eine Folge von Impulsen aus. Neben der optischen gibt es die magnetische Abtastung, bei der ein magnetisierter Maßstab über einen Magnetfeldsensor abgetastet wird; das Signalverhalten ist vergleichbar.

Die Anzahl der Striche heißt Strichzahl und wird als Impulse pro Umdrehung angegeben. Je mehr Striche, desto feiner die Auflösung.

Spuren A und B – Richtung erkennen

Eine einzelne Impulsfolge sagt nur: „Es dreht sich.“ In welche Richtung, bleibt offen. Deshalb hat der Inkrementalgeber zwei Abtastspuren, Spur A und Spur B, die räumlich so versetzt angeordnet sind, dass ihre Signale um eine Viertelperiode – also 90° phasenverschoben – zueinander liegen.

Aus der Reihenfolge, in der die Flanken von A und B auftreten, erkennt die Auswerteelektronik die Drehrichtung: Eilt A vor B, dreht die Welle in die eine Richtung; ist es umgekehrt, in die andere. Diese 90°-Versetzung ist das Herzstück des Inkrementalgebers.

Referenzimpuls

Zusätzlich gibt es eine dritte Spur mit nur einem einzigen Strich pro Umdrehung. Sie liefert einmal je Umdrehung den Referenzimpuls (auch Nullimpuls oder Indexspur genannt). Er dient als definierter Bezugspunkt: Bei der Referenzfahrt fährt die Mechanik so lange, bis dieser Impuls kommt – ab da ist der Startpunkt der Zählung festgelegt.

Flankenauswertung – mehr Auflösung aus denselben Strichen

Jeder Impuls hat zwei Flanken: eine steigende (Signal geht auf High) und eine fallende (Signal geht auf Low). Eine clevere Auswertung nutzt nicht nur einen Punkt pro Impuls, sondern mehrere Flanken – und gewinnt so Auflösung, ohne dass sich an der Scheibe etwas ändert:

• Einfachauswertung: Es wird nur eine Flanke einer Spur ausgewertet. Auswertefaktor 1.
• Zweifachauswertung: Beide Flanken einer Spur (steigend und fallend) werden gezählt. Auswertefaktor 2.
• Vierfachauswertung: Alle Flanken beider Spuren A und B werden gezählt. Auswertefaktor 4.

Die tatsächlich nutzbare Auflösung ist also nicht die reine Strichzahl, sondern die Strichzahl mal Auswertefaktor.

Signalpegel und Störsicherheit

Die Ausgangssignale liegen meist als TTL-Pegel (rund 5 V) oder als HTL-Pegel (höhere Spannung, oft um 24 V) vor. Bei längeren Leitungswegen reicht ein einfaches Signal pro Spur aber nicht aus, weil eingekoppelte Störungen den Pegel verfälschen können.

Deshalb werden Inkrementalgeber in der Industrie bei längeren Strecken differentiell betrieben: Zu jeder Spur wird zusätzlich das invertierte Signal übertragen, also A und A̅, B und B̅, sowie N und N̅ für den Referenzimpuls. Der Empfänger wertet nur die Differenz der beiden Leitungen aus. Eine Störung, die auf beide Adern gleich einwirkt (Gleichtaktstörung), hebt sich bei der Differenzbildung weg. Diese Übertragungsart ist als Schnittstelle nach RS422 verbreitet und macht das Signal über viele Meter Leitung sicher.

Der Absolutwertgeber löst das Problem der verlorenen Position grundsätzlich anders. Statt einer Strichscheibe mit lauter gleichen Strichen trägt er eine Codescheibe: Sie ist in mehrere konzentrische Spuren unterteilt, und jede Winkelstellung erzeugt über alle Spuren hinweg ein eigenes, eindeutiges Bitmuster – ein Codewort. Liest die Elektronik dieses Muster ab, kennt sie die absolute Position sofort, ohne zu zählen und ohne Referenzfahrt.

Die Zahl der Spuren bestimmt, wie fein die Scheibe unterteilt ist. Bei n Spuren gibt es 2 hoch n verschiedene Codewörter, also ebenso viele unterscheidbare Positionen pro Umdrehung. Man spricht deshalb von einer Auflösung in Bit.

Warum Gray-Code statt einfachem Dualcode

Würde man die Positionen einfach im gewohnten Dualcode durchnummerieren, gäbe es ein Problem an den Übergängen. Beim Sprung von 0111 auf 1000 ändern sich vier Bit gleichzeitig. Auf einer realen Scheibe schalten die Abtaster aber nie perfekt im selben Moment. Für einen winzigen Augenblick könnte ein völlig falsches Zwischenmuster entstehen – die Steuerung läse kurz eine ganz andere Position.

Der Gray-Code umgeht das: Er ist so aufgebaut, dass sich von einer Position zur nächsten immer nur ein einziges Bit ändert. Selbst wenn dieses eine Bit beim Übergang kurz „flackert“, entsteht höchstens ein Lesefehler von einem einzigen Schritt – nie ein wilder Sprung. Deshalb tragen Absolutwert-Codescheiben praktisch immer den Gray-Code.

Single-Turn und Multi-Turn

Ein Single-Turn-Geber erfasst die Position innerhalb einer einzigen Umdrehung eindeutig. Dreht sich die Welle über 360° hinaus weiter, beginnt das Codewort wieder von vorn – über die Zahl der vollen Umdrehungen weiß ein reiner Single-Turn-Geber nichts.

Ein Multi-Turn-Geber zählt zusätzlich die vollen Umdrehungen mit und hält auch diese Zahl absolut. Erreicht wird das über ein nachgeschaltetes Getriebe mit weiteren Codescheiben oder über eine elektronische Umdrehungszählung. Entscheidend: Auch die Umdrehungszahl bleibt ohne Spannung erhalten – beim Getriebeprinzip rein mechanisch, bei der elektronischen Variante über eine gepufferte Zählung.

Die Gesamtauflösung eines Multi-Turn-Gebers setzt sich aus zwei Teilen zusammen: der Auflösung innerhalb einer Umdrehung (Single-Turn-Bit) und der Zahl der erfassbaren Umdrehungen (Multi-Turn-Bit). Industriell wird das fast immer im Schema „Single-Turn × Multi-Turn“ angegeben, etwa 13/12 Bit.

Die Entscheidung zwischen den beiden Bauarten lässt sich an wenigen Kriterien festmachen. Das wichtigste haben wir schon in Kapitel 1 gesehen: das Verhalten nach einem Spannungsausfall.

Daraus ergeben sich klare Einsatzfälle. Wo eine kurze Referenzfahrt beim Einschalten unkritisch ist und es auf Kosten ankommt – etwa bei vielen einfachen Drehzahl- und Positionieraufgaben – genügt der Inkrementalgeber. Wo eine Referenzfahrt gefährlich, unmöglich oder schlicht unerwünscht ist – bei großen Achsen, bei sicherheitsrelevanten Bewegungen oder dort, wo die Anlage nach Stromausfall sofort weiterlaufen soll – führt am Absolutwertgeber kein Weg vorbei.

Ein zweiter Punkt ist die Störsicherheit über die Leitung. Bei langen Leitungswegen spielt die differentielle Übertragung des Inkrementalgebers ihre Stärke aus, während Absolutwertgeber ihre Position über serielle Schnittstellen oder Bussysteme übertragen. Begriffe wie SSI, die inkrementale A/B-Schnittstelle oder die Anbindung über ein Feldbussystem begegnen einem hier ständig – die Schnittstellentechnik im Detail ist aber ein Thema für sich.

Wie ein Geber konkret an einer Steuerung ausgewertet oder als Rückführung in einem geregelten Antrieb eingesetzt wird, wird ebenfalls eigenständig behandelt; die Encoder-Rückführung beim Servoantrieb und die Zählerauswertung in der SPS bauen direkt auf dem hier gelegten Grundverständnis auf.