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Drehzahl- und Lagegeber

 

Optische Geber

Optische Geber verfügen als Informationsträger über ein Glaselement, auf das ist ein Muster aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen aufgebracht ist. Parallel zum Informationsträger befindet sich eine Maske. Sie besteht ebenfalls aus Glas und weist ein ähnliches Muster wie der Informationsträger auf.
Informationsträger und Maske werden von einem Lichtstrahl durchdrungen, der anschließend auf einen lichtempfindlichen Empfänger (Fotoelement) trifft. Je nach Überlagerung der Muster von Informationsträger und Maske erreicht mehr oder weniger Licht den Empfänger. Die Intensität des Lichtstrahles ist damit abhängig von der relativen Position von Informationsträger und Maske.
Der Empfänger wandelt das einfallende Licht in ein elektrisches Signal um. Die Amplitude des Signals ist abhängig von der Intensität des einfallenden Lichtes und enthält die gewünschte Lageinformation.

Bei rotatorischen Gebern ist der Träger eine Glasscheibe, die am Läufer des Gebers befestigt ist und rotiert. Bei Längenmaßstäben ist der Träger ein Glasstab, der feststeht.

 

Inkrementalspur

In einem Teil des Informationsträgers ist ein regelmäßiges Muster an lichtundurchlässigen Streifen (Strichen) aufgebracht. Lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche wechseln sich dabei ab. Dieser Bereich des Informationsträgers wird als Inkrementalspur bezeichnet.

Die Maske zur Auswertung der Inkrementalspur weist die gleiche Strichteilung auf. Je nach Relativposition von Informationsträger und Maske schwankt die Lichtintensität am Empfänger zwischen einem Minimum und einem Maximum. Findet eine Relativbewegung zwischen Träger und Maske statt, generiert der Empfänger ein sinusförmiges Signal. Jede Signalperiode entspricht einer Relativbewegung von einem Strich und wird als Inkrement bezeichnet. Bei einem rotatorischen Geber liefert der Empfänger so viele Inkremente, wie der Informationsträger Striche aufweist. Die Anzahl der Striche ist damit entscheidend für die Genauigkeit des Lagemesswertes.
Die Striche lassen sich mit hoher Präzision auf den Informationsträger und die Maske aufbringen. Optische Geber weisen deshalb eine sehr hohe Genauigkeit auf.

Ein einzelnes sinusförmiges Signal reicht zur eindeutigen Lagebestimmung noch nicht aus. Deshalb wird die in der Animation dargestellte Anordnung im praktischen Einsatz um eine zweite Maske und einen zweiten Empfänger ergänzt. Beide Elemente sind gegenüber dem ersten Messsystem um eine halbe Stichbreite (90°) versetzt angeordnet. Bei einer Relativbewegung zwischen dem Informationsträger und der zweiten Maske generiert der zweite Empfänger ein gegenüber dem ersten Messsystem um 90° versetztes Signal. Als Ergebnis liegen also zwei Signale, ein Sinus- und ein Cosinussignal vor. Die gleichzeitige Auswertung beider Signale gestattet eine eindeutige Lagebestimmung.

 

Nullspur

Die inkrementellen Lageinformationen sind relativ. Mit ihrer Hilfe kann eine Lageänderung leicht erfasst werden. In praktischen Anwendungen sind jedoch absolute Lageinformationen bezogen auf einen Referenzpunkt erforderlich. Für diesen Zweck verfügen optische Geber auf ihrem Informationsträger neben der Inkrementalspur zusätzlich über eine Nullspur. Diese ist zum größten Teil lichtundurchlässig und weist nur ein kleines durchsichtiges Fenster auf. Die Maske zur Auswertung der Nullspur ist analog aufgebaut.

Im gesamten absoluten Verfahrbereich des Gebers (bei rotatorischen Gebern innerhalb einer Umdrehung) wird der zugehörige Empfänger für die Nullspur nur in einer ganz bestimmten Relativposition von Informationsträger und Maske mit Licht bestrahlt und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal, den Nullimpuls ab.

 

Absolutspuren

Nach dem Zuschalten der Versorgungsspannung ist durch alleinige Auswertung der Inkremental- und Nullspur noch keine absolute Lageerfassung möglich. Für den Betrieb von Synchronmotoren wird die absolute Lage jedoch unbedingt benötigt, da die Position des Polrades für die Stromregelung bekannt sein muss. Aus diesem Grund werden zusätzliche Absolutspuren auf dem Informationsträger aufgebracht. Die Absolutspuren weisen unterschiedliche Teilungen (durchsichtige und undurchsichtige Bereiche) auf. Die Teilungen sind so zueinander angeordnet, dass bei paralleler Abtastung durch die Empfänger ein eindeutiges binäres Muster entsteht, aus dem die aktuelle absolute Position ermittelt werden kann. Gemeinsam können sie bei rotatorischen Gebern die Lage innerhalb einer mechanischen Umdrehung (single turn) oder bei Längenmaßstäben die Lage absolut erfassen.

Sollen bei rotatorischen Gebern mehrere Umdrehungen (multi turn) erfasst werden, geschieht das mit einem im Geber integrierten Getriebe. Die einzelnen Getriebestufen sind mit Informationsträgern ausgestattet, die ebenfalls parallel abgetastet werden und in ihrer Gesamtheit die zurückgelegten Umdrehungen codieren. Als Informationsträger werden jedoch keine optischen sondern magnetische Elemente verwendet.