Encoder-Rückführung beim Servoantrieb

Stell dir einen einfachen Drehstrommotor an einem Frequenzumrichter vor. Der Umrichter gibt eine Frequenz vor, der Motor dreht ungefähr mit der dazu passenden Drehzahl – belastet man ihn, sackt die Drehzahl etwas ab. Für eine Pumpe oder ein Lüfterrad reicht das. Für eine Werkzeugmaschinenachse, die auf eine exakte Position fahren und dort stehenbleiben soll, reicht es nicht.

Der Unterschied liegt im geschlossenen Regelkreis. Beim Servoantrieb misst ein Sensor laufend, wo die Welle tatsächlich steht (der Istwert), und meldet das an den Regler zurück. Der Regler vergleicht den Istwert mit dem Sollwert und stellt nach, bis die Abweichung null ist. Genau diese Rückmeldung nennt man Rückführung.

Ohne Rückführung fehlen dem Antrieb drei Dinge, die ihn erst zum Servo machen: Er kann keine Position ansteuern, weil er die aktuelle Lage nicht kennt. Er kann im Stillstand kein definiertes Haltemoment aufbringen, weil er nicht weiß, in welche Richtung das Drehfeld zeigen muss. Und er kann eine Laststörung nicht ausregeln, weil er den Drehzahleinbruch gar nicht bemerkt.

Ein Schrittmotor umgeht das, indem er gesteuert in festen Schritten weiterrückt – ohne Rückmeldung. Das funktioniert, solange er nicht überlastet wird. Verliert er bei Überlast einen Schritt, merkt es niemand: Die reale Position weicht still von der erwarteten ab. Der Servoantrieb mit Encoder hat dieses Problem nicht, weil er jeden Fehler sofort sieht und korrigiert.

Der Servomotor selbst und die genaue Struktur des Lageregelkreises sind eigene Themen. Hier geht es um das Bindeglied: den Encoder und seine Signale.

Der Encoder sitzt direkt auf der Motorwelle und tastet deren Drehung ab. Aus dieser Abtastung gewinnt der Antrieb drei verschiedene Rückführgrößen.

Die Lage is der Drehwinkel der Welle – die wichtigste Größe für die Positionierung. Die Drehzahl bekommt der Antrieb, indem er beobachtet, wie schnell sich die Lage ändert: Winkeländerung pro Zeit ergibt die Drehgeschwindigkeit. Und der Kommutierungswinkel sagt dem Umrichter, in welcher Stellung der Rotor relativ zu den Statorwicklungen steht – diese Information braucht er, um das Drehfeld richtig auszurichten und überhaupt Drehmoment zu erzeugen. Auf den Kommutierungswinkel kommen wir im nächsten Kapitel zurück, weil er das eigentliche Nadelöhr beim Servo-Encoder ist.

Die kleinste auflösbare Winkeländerung nennt man ein Inkrement – einen Zählschritt des Encoders. Wie fein der Geber auflöst, hängt von der Zahl dieser Schritte pro Umdrehung ab. Bei einem Encoder mit Strich- oder Impulszahl gilt:

Je größer z, desto feiner die Auflösung und desto kleiner der Winkel pro Schritt. Aus der Frequenz der Impulse lässt sich die Drehzahl bestimmen:

Pro Umdrehung liefert der Geber z Impulse. Teilt man die gemessene Impulsfrequenz durch z, erhält man Umdrehungen pro Sekunde; mal 60 ergibt Umdrehungen pro Minute.

Bei der Wahl des Gebers stehen sich zwei Grundprinzipien gegenüber: der inkrementale und der absolute Encoder. Wie diese Signale im Sensor physikalisch entstehen – Spuren, Quadratur, Codescheiben –, ist Thema der allgemeinen Geberlehre. Für den Antrieb zählen zwei praktische Konsequenzen: Was passiert beim Einschalten, und was passiert beispannungsausfall?

Der inkrementale Encoder zählt Schritte ab einem beliebigen Startpunkt. Beim Einschalten weiß er nur „ab hier zähle ich“, nicht aber, wo „hier“ im Maschinenkoordinatensystem liegt. Deshalb braucht ein Servoantrieb mit Inkrementalgeber nach jedem Einschalten eine Referenzfahrt: Die Achse fährt auf einen bekannten Punkt (Referenzschalter oder Nullimpuls des Gebers), erst dann kennt die Steuerung die absolute Position. Fällt die Spannung aus, geht die Lageinformation verloren – nach dem Wiedereinschalten muss erneut referenziert werden.

Der Absolutwertgeber liefert dagegen für jede Position einen eindeutigen, codierten Wert. Schon im Einschaltmoment steht die absolute Lage fest, ohne dass die Achse sich bewegen muss. Eine Referenzfahrt entfällt. Die Auflösung wird hier meist in Bit angegeben – die Zahl der unterscheidbaren Positionen pro Umdrehung ergibt sich aus:

Ein 13-Bit-Geber unterscheidet also 2^13 = 8192 Positionen pro Umdrehung. Die zugehörige Winkelauflösung folgt wie gehabt aus alpha = 360 / z.

Beim Absolutgeber unterscheidet man zwei Bauformen. Der Singleturn-Geber kennt die Position eindeutig innerhalb einer Umdrehung, zählt aber volle Umdrehungen nicht mit. Der Multiturn-Geber zählt zusätzlich die Umdrehungen und kennt damit die absolute Lage auch über viele Wellenumdrehungen hinweg – wichtig etwa bei einer Spindelachse, die sich über mehrere Umdrehungen bewegt. Die Umdrehungszählung bleibt bei Spannungsausfall über eine Pufferung erhalten.

Das Kommutierungsproblem beim Inkrementalgeber

Hier liegt das eigentliche Verständnis-Nadelöhr. Ein Servomotor ist meist permanenterregt (ein PMSM, Permanentmagnet-Synchronmotor). Damit der Umrichter Drehmoment erzeugt, muss er das Statordrehfeld passend zur Rotorlage ausrichten – er braucht den absoluten Kommutierungswinkel. Ein reiner A/B-Inkrementalgeber – benannt nach seinen zwei um 90° phasenversetzten Signalspuren A und B, aus deren Versatz sich die Drehrichtung erkennen lässt – kennt diesen Winkel beim Einschalten aber nicht: Er zählt nur ab dem Startpunkt, die absolute Rotorstellung ist ihm unbekannt. Ohne Zusatzinformation könnte ein solcher Antrieb aus dem Stillstand gar nicht definiert anlaufen.

Dafür gibt es zwei Lösungen. Inkrementale Servo-Encoder haben oft zusätzliche Kommutierungsspuren (häufig als U, V, W bezeichnet, vergleichbar mit Hall-Sensoren). Sie liefern beim Einschalten eine grobe Information über den Sektor, in dem der Rotor steht – genug, um sicher anzulaufen, danach übernimmt das feine Inkrementalsignal. Die zweite Variante ist das Wake-and-Shake-Verfahren: Der Umrichter bestromt die Wicklungen kurz und beobachtet, in welche Richtung der Rotor zuckt; daraus berechnet er die Anfangslage. Das funktioniert ohne Zusatzspuren, ist aber bei empfindlichen Anwendungen unerwünscht, weil sich die Welle dabei kurz bewegt.

Ein Absolutwertgeber hat dieses Problem nicht: Er kennt die absolute Rotorlage von der ersten Millisekunde an und liefert den Kommutierungswinkel direkt mit. Das ist einer der Hauptgründe, warum moderne Servoantriebe überwiegend mit Absolutgebern ausgestattet werden.

Das beste Encoder-Signal nützt nichts, wenn es auf dem Weg zum Umrichter verfälscht wird. In der Antriebstechnik liegen Geberleitungen oft direkt neben Motorkabeln, die von schnell schaltenden Umrichtern gespeist werden – eine starke Quelle elektromagnetischer Störungen. Deshalb werden Gebersignale praktisch immer differenziell übertragen.

Bei der differenziellen Übertragung wird jedes Signal über ein Adernpaar geführt: einmal das Signal, einmal sein invertiertes Gegenstück. Der Empfänger wertet nur die Differenz der beiden Adern aus. Eine Störung, die von außen einkoppelt, trifft beide Adern gleich – in der Differenz hebt sie sich auf. Dieses Prinzip steckt hinter der weit verbreiteten Leitungsschnittstelle nach RS-422. Zusätzlich wird die Leitung geschirmt, um Einkopplungen von vornherein zu dämpfen.

Früher arbeiteten viele Geber mit analogen Sin/Cos-Signalen: zwei um 90° versetzte Sinusspuren, aus denen die Auswertung sehr fein interpoliert. Der Trend geht klar zu rein digitalen Geberschnittstellen, die den Positionswert als fertiges Datenwort übertragen. Im Servoumfeld begegnen einem dabei mehrere Schnittstellen-Konzepte: EnDat, SSI, BiSS und Hiperface. Sie unterscheiden sich in Details – synchron getaktet oder nicht, mit oder ohne zusätzlichen Analogkanal –, verfolgen aber dasselbe Ziel: den absoluten Positionswert sicher und schnell zum Umrichter zu bringen. Praktisch wichtig ist der Trend zur Ein-Kabel-Lösung, bei der Geberdaten und Motorversorgung über ein einziges Kabel laufen – das spart Verdrahtung und Platz im Schaltschrank.

Ein Thema, über das man in der Anlagentechnik schnell stolpert, sind sicherheitsgerichtete Encoder. Für Sicherheitsfunktionen wie SLS (Safely-Limited Speed, sicher begrenzte Geschwindigkeit) reicht ein Standardgeber nicht: Gefordert ist eine redundante oder in sich überwachte Erfassung, oft mit zwei unabhängigen Spuren oder einem zusätzlichen analogen Sin/Cos-Kanal zur Plausibilitätsprüfung. Solche Geber sind zertifiziert (Stichwort SIL-zertifizierter Geber) und melden einen erkannten Fehler sicher an die Steuerung. Die Details gehören in die funktionale Sicherheit; für die Encoder-Auswahl genügt zu wissen, dass Safety-Anforderungen einen speziellen, redundant ausgewerteten Geber verlangen.

Jetzt fügt sich alles zusammen. Der Encoder sitzt auf der Motorwelle und führt seine Messgrößen zurück an den Umrichter, der den Regler enthält. Dort schließt sich der Kreis: Sollwert hinein, Istwert vom Encoder zurück, Stellgröße zum Motor.

Der Encoder liefert dabei gleichzeitig mehrere Informationen. Die Ist-Lage dient der Positionierung, die daraus abgeleitete Ist-Drehzahl der Geschwindigkeitsregelung, und der Kommutierungswinkel sorgt dafür, dass der Umrichter das Drehfeld jederzeit richtig zur Rotorlage ausrichtet. Diese Größen werden im Antrieb in mehreren ineinander verschachtelten Regelschleifen verarbeitet – die genaue Kaskade aus Strom-, Drehzahl- und Lageregelkreis ist ein eigenes Thema. Hier genügt das Bild: Der Regler ist eine Blackbox, entscheidend ist der Weg der Rückführung von der Welle zurück zum Eingang.

Statt eines optischen Encoders kommt teils auch ein Resolver zum Einsatz – ein robuster, induktiv arbeitender Lagegeber, der ebenfalls die absolute Rotorlage innerhalb einer Umdrehung liefert und in rauer Umgebung punktet. Funktional übernimmt er dieselbe Rolle in der Rückführung.

Wie fein der Encoder auflöst, wirkt sich direkt auf die Qualität des Antriebs aus. Eine hohe Auflösung bedeutet eine ruhige, feinfühlige Drehzahlerfassung und damit besseren Gleichlauf bei niedrigen Drehzahlen sowie eine genauere Positionierung. Ein grob auflösender Geber führt dagegen zu einer „körnigen“ Drehzahlinformation, die sich als Unruhe im Lauf bemerkbar machen kann.

Blockschaltbild: Rückführung im Servoantrieb