Nicht jede Drehgeberscheibe ist ein ordentlicher Satz konzentrischer Ringe. Manche tragen ein einziges unregelmäßiges Band, das eher an einen Strichcode erinnert; andere haben ein extrem feines Muster am Rand und weiter innen etwas viel Gröberes. Bei konzentrischen Ringen lässt sich der Messwert wenigstens erahnen, indem man nachsieht, welche Spur hell ist, doch diese Scheiben geben sich mit bloßem Auge kaum zu erkennen.
Was sie eint, ist ein Beweggrund. Eine Spur je Bit bildet die absolute Position perfekt ab, aber die Spurenzahl schlägt unmittelbar darauf durch, wie breit die Scheibe sein muss und wie schwer sie zu fertigen ist. Die drei Bauarten auf dieser Seite versuchen, absolute Position oder hohe Auflösung zu erreichen, ohne Spuren hinzuzufügen, oder indem sie Muster mischen, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen.
Wenn Sie lieber mit den mehrspurigen Bauarten beginnen — Binär, Gray und Inkremental — fangen Sie mit (1) Mehrspurige Codes an. Dort stehen auch die Konventionen, denen diese Abbildungen folgen: Weiß ist 1, Schwarz ist 0, und die äußerste Spur ist das LSB.
| Frage | Abbildung mit der Antwort |
|---|---|
| Wie kann eine einzige Spur die absolute Position tragen? | Einspurige Scheiben mit PRBS-Code (Abbildung 1) |
| Was tut eine Scheibe, auf der ein feines und ein grobes Muster nebeneinander liegen? | Hybridscheiben: grob absolut plus feiner Zyklus (Abbildung 2) |
| Was verrät das Überlagern zweier Spuren mit leicht verschiedenen Perioden? | Nonius-Scheiben: eine Periodendifferenz (Abbildung 3) |
Alle Scheiben unten lassen sich mit der Maus ziehen. Diese drei verraten in Bewegung weit mehr als im Stillstand, achten Sie also auf das Umschalten der Lämpchen, statt das ruhende Muster zu studieren.
Einspurige Scheiben mit PRBS-Code (Abbildung 1)
Wie die Codierung funktioniert
Statt für jedes Bit eine konzentrische Spur hinzuzufügen, schreibt diese Bauart die absolute Position in eine einzige unregelmäßige Binärfolge, die einmal um den Umfang läuft. Die Folge ist pseudozufällig (PRBS); wählt man eine von maximaler Länge, heißt sie M-Folge.
Die Eigenschaft, die das Ganze trägt, lautet: Jedes Fenster aus n aufeinanderfolgenden Bits ist eindeutig, gleich an welcher Stelle des Rings man es herausschneidet. Es genügt, n benachbarte Bits zu lesen, damit es genau eine Stelle des Umfangs gibt, von der sie stammen können. Eine Spur reicht, was eine schmale Scheibe erlaubt, und das entstehende Muster ähnelt stark einem zum Ring gebogenen Strichcode.
Damit stellt sich die Frage, wie man ein Fenster liest. Ein Sensor, der auf einen einzigen Punkt blickt, weiß nur, ob dieser Punkt hell oder dunkel ist. Da das Festlegen der Position n aufeinanderfolgende Bits gleichzeitig verlangt, muss die Leseseite entweder einen Kopf mit n in Reihe angeordneten Elementen aufstellen oder Bit für Bit abgreifen, während sich die Scheibe bewegt, und die letzten n in einem Schieberegister halten.
Deshalb ergänzt reale Hardware meist eine Synchronspur, die die Abtastung ausgerichtet hält. Sehen Sie es als Tausch: Die Scheibe schrumpft auf eine Spur, und im Gegenzug wird der Lesekopf aufwendiger.
In der Abbildung auf dieser Seite
Es gibt eine einzige Codespur, ein Synchronband ist nicht gezeichnet. Eine M-Folge mit der Periode 2n−1 läuft um den Umfang, und der feste Kopf liest ab x0 ein zusammenhängendes Stück davon als Fenster.
Die Lämpchen zeigen die Bits innerhalb dieses Fensters, der Reihe nach. Es sind keine gewichteten Bits, unter ihnen gibt es also weder MSB noch LSB. Diese Bedeutung weicht von der in den Absolut-Abbildungen aus Teil (1) ab, lesen Sie sie also nicht auf dieselbe Weise. Der Auflösungsregler legt die Bitzahl des Fensters fest, die zugleich der Exponent ist, der die Periode bestimmt.
Das Lämpchenmuster als Dezimalzahl zu lesen, ergibt nichts, was einem Winkel entspräche. Bei einem einspurigen Code zeigen die Lämpchen die Bits, die gerade im Fenster liegen, nicht einen Positionswert. Aus diesem Muster eine Position zu machen, verlangt einen eigenen Schritt, der es mit der Folge abgleicht.
Hybridscheiben: grob absolut plus feiner Zyklus (Abbildung 2)
Wie die Codierung funktioniert
Diese Kombination taucht bei hochauflösenden Absolutdrehgebern ständig auf. Ein grober Absolutcode — ein paar Spurbits oder ein strichcodeartiges Band — legt fest, in welchem Intervall die Welle steht, und ein feines periodisches Band, meist nahe dem Rand, wird interpoliert, um die Position innerhalb dieses Intervalls zu präzisieren.
Die Arbeit auf zwei Stufen zu verteilen, ist der ganze Kniff. Weil absolute Position und Auflösung getrennten Spuren zugewiesen sind, lässt sich eine feine Position erreichen, ohne die Bitzahl des Absolutcodes aufzublähen. Auf Fotos realer Scheiben wirkt diese Familie oft überladen: außen etwas Feines, weiter innen oder auf einem eigenen Band etwas Grobes.
In der Abbildung auf dieser Seite
Die Zeichnung legt außen ein feines periodisches Hell-Dunkel-Band an, innen einen groben mehrspurigen Gray-Code. Die Lämpchen zeigen die groben Bits vom MSB zum LSB, gefolgt von einem Lämpchen “Fein” für das periodische Band.
Was die Abbildung nicht leistet, ist die Interpolation selbst. Sie zeigt den Sensor unter dem feinen Band zwischen 0 und 1 wechseln und hört auf, bevor daraus ein Winkel innerhalb des Intervalls berechnet wird. Nehmen Sie sie als Möglichkeit, die Arbeitsteilung zu beobachten: Der grobe Code steckt das Intervall ab, während der feine Zyklus sehr viel schneller darüber hinwegläuft.
Nonius-Scheiben: eine Periodendifferenz (Abbildung 3)
Wie die Codierung funktioniert
Nach dem Vorbild des Nonius an einer Schieblehre überlagert diese Bauart periodische Spuren, deren Perioden sich um genau einen Zyklus unterscheiden. Der Versatz zwischen Haupt- und Nebenspur liefert grobe absolute Information, sodass sich die Position aus zwei periodischen Signalen eingrenzen lässt statt aus einem Stapel digitaler Absolutspuren.
Das Ziel ist, Spuren zu sparen. Statt jedem Bit der absoluten Position eine eigene Spur zu widmen, erledigt der Versatz zwischen zwei periodischen Spuren die Arbeit, was hohe Auflösung auf kleinem Bauraum verfügbar hält.
In der Abbildung auf dieser Seite
Das äußere Band trägt die Hauptperiode, das innere die Nebenperiode mit genau einem Zyklus weniger als die Hauptspur. Es gibt nur zwei Lämpchen, “Haupt” und “Neben”, und der leichte Gleichlauffehler beim Blinken ist der sichtbar gemachte Versatz.
Auch hier gilt: Die Abbildung rechnet den Versatz nicht zu einem Winkel zusammen. Sie ist dazu da, zu zeigen, wie eine Periodendifferenz auf einer Scheibe tatsächlich aussieht.
Das Lämpchen “Fein” aus Abbildung 2 und das Lämpchen “Neben” aus Abbildung 3 sehen sich ähnlich, tun aber Verschiedenes. Das erste ist ein feiner Zyklus, mit dem innerhalb eines Intervalls interpoliert wird; das zweite ist eine Nebenperiode, deren Versatz zur Hauptperiode grobe absolute Information liefert. Keines von beiden stellt für sich genommen eine Position dar.
Wo die drei Bauarten tatsächlich vorkommen
Diese drei tauchen meist zusammen mit einer Randbedingung auf: Der Platz ist knapp, oder die Scheibe darf nicht dicker werden. Das Folgende beschreibt allgemeine Tendenzen, und welche Bauart zum Einsatz kommt, ist von Modell zu Modell verschieden.
Einspurig (PRBS / M-Folge)
Mit nur einer Codespur lässt sich die Scheibe in radialer Richtung schmal halten. Das zahlt sich bei Hohlwellenausführungen aus, bei denen Verkabelung oder Rohrleitung durch die Mitte laufen, und bei kleinen Absolutsensoren, die in den vom Mechanismus übrig gelassenen Raum passen müssen.
Allerdings braucht die Leseseite, wie gesehen, weiterhin Aufwand, um ein Fenster zu erfassen. Was an der Scheibe eingespart wird, verlagert sich auf Kopf und nachgelagerte Verarbeitung; es ist also keine Bauart, die man als bloßen Ersatz für eine mehrspurige Scheibe wählt.
Hybrid (grob absolut plus feiner Zyklus)
Unter den hochauflösenden Absolutdrehgebern kommt diese Kombination der gängigen Praxis sehr nahe, denn dieselbe Auflösung allein mit einem groben Absolutcode zu erreichen, verlangte eine unrealistische Spurenzahl.
Sie findet sich in der in Servomotoren eingebauten Positionsrückmeldung und in der Winkelerfassung von Präzisionstischen: Orte, an denen absolute Position und feine Auflösung zugleich gefordert sind.
Nonius (Periodendifferenz)
Weil zwei periodische Spuren die grobe absolute Information abdecken, passt diese Bauart zu kleinen, flachen Ausführungen ohne Platz, viele Spuren nebeneinander zu legen. Dieselbe Überlegung findet sich bei magnetischen wie optischen Drehgebern, mit Polzahlen, die sich um eins unterscheiden.
Der gleiche Gedanke reicht bis zur Multiturn-Erfassung, bei der gezählt wird, wie viele Umdrehungen die Welle gemacht hat. Man verzahnt Räder mit leicht unterschiedlichen Zähnezahlen und gewinnt die Umdrehungszahl aus dem Versatz zwischen ihnen zurück.
Bei dieser Familie ist es wirklich schwierig, die Bauart allein am Muster zu benennen. Eine Scheibe mit feinem Außenrand ist nicht zwangsläufig hybrid, und ein unregelmäßig wirkender Ring ist nicht zwangsläufig PRBS. Wenn Sie es wissen müssen, suchen Sie nach einer Beschreibung, wie das Gerät die absolute Position gewinnt, statt es aus der Zeichnung ableiten zu wollen.
Woran die drei Bauarten jeweils sparen
Alle drei gehen vom selben Beweggrund aus — keine Spuren hinzuzufügen — sparen aber an verschiedenen Stellen.
| Bauart | Woher die absolute Position kommt | Codespuren | In der Abbildung ausgelassene Verarbeitung |
|---|---|---|---|
| Einspurig (PRBS) | Jedes Fenster aufeinanderfolgender Bits ist eindeutig | Eine (ohne gezeichnetes Synchronband) | Ein Fenster einer Position zuordnen |
| Hybrid | Ein grober Absolutcode steckt das Intervall ab | Eine je grobem Bit, dazu das feine Band | Interpolation aus dem feinen Zyklus |
| Nonius | Versatz zwischen Haupt- und Nebenperiode | Zwei (Haupt und Neben) | Aus dem Versatz einen Winkel gewinnen |
Je weniger Spuren eine Scheibe trägt, desto einfacher wird die Scheibe selbst, und desto mehr von der Arbeit, daraus eine Position zu gewinnen, wandert in die Verarbeitung hinter dem Sensor. Genau diese verlagerte Arbeit lassen die Abbildungen aus. Lesen Sie sie als Möglichkeit zu sehen, wo das Scheibenmuster endet und wo die Rechnung beginnt.
Die klassischen Bauarten, bei denen eine Spur einem Bit entspricht — Binär, Gray und Inkremental — behandelt (1) Mehrspurige Codes.
Häufige Fragen
F1. Wenn eine Spur genügt, warum gibt es dann noch mehrspurige Scheiben?
A. Eine einzige Spur hält die Scheibe schmal, verlangt aber einen Schritt, der das gelesene Bitfenster einer Position in der Folge zuordnet. Bei einer mehrspurigen Absolutscheibe ist die gelesene Kombination die Adresse, die Leseseite bleibt also einfach. Es läuft darauf hinaus, was Sie lieber einfach halten wollen: die Scheibe oder die Elektronik.
F2. Ist eine PRBS-Scheibe dasselbe wie der Strichcode auf einer Ware?
A. Sie sehen sich ähnlich, kommen aber aus verschiedenen Ecken. Ein Strichcode verschlüsselt eine feste Zeichenkette. Eine PRBS-Scheibe bildet die Position selbst ab und nutzt dafür, dass jedes Fenster aus n Bits, an welcher Stelle des Rings auch immer entnommen, eindeutig ist. Drehen Sie die Scheibe in der Abbildung, und Sie sehen, dass das Bitmuster im Fenster an jeder Position ein anderes ist.
F3. Wofür steht das Lämpchen “Fein” in der Hybrid-Abbildung?
A. Dafür, ob der Sensor unter dem feinen periodischen Band am Rand gerade Hell oder Dunkel sieht. Reale Hardware interpoliert dieses Signal, um eine genaue Position innerhalb des Intervalls zu erhalten; die Abbildung bleibt bei der Anzeige von 0 und 1 stehen und führt die Interpolation nicht aus.
F4. Arbeitet ein Nonius-Drehgeber nach demselben Prinzip wie der Nonius einer Schieblehre?
A. Der Grundgedanke ist derselbe: zwei Skalen mit leicht verschiedenen Perioden überlagern und aus dem Versatz zwischen ihnen einen feinen Wert ablesen. Die Abbildung borgt sich diese Anschauung, indem sie eine Hauptperiode einer Nebenperiode gegenüberstellt. Sie hört auf, bevor der Versatz zu einem Winkel zusammengerechnet wird, und zeigt nur, wie die beiden Perioden gegeneinander wandern.
F5. Können Sie alles auflisten, was diese Abbildungen auslassen?
A. Die einspurige Abbildung ordnet das Bitfenster keiner Position zu, die hybride interpoliert nicht aus dem feinen Zyklus, und die Nonius-Abbildung gewinnt aus dem Versatz keinen Winkel. Die einspurige Abbildung lässt zudem die Synchronspur weg, die reale Hardware meist mitführt. Zu sehen ist das Scheibenmuster und die Signale, die sich unmittelbar daraus ablesen lassen.
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