Was befindet sich auf einer Teilscheibe? Inkrementalspur, Referenzmarkenspur und Absolutspuren

Die ringförmigen Strukturen auf einer Teilscheibe heißen Spuren, und jede hat ihre eigene Aufgabe: Die Inkrementalspur zählt Schritte, die Referenzmarkenspur liefert den Bezug, die Kommutierungsspuren dienen dem Servomotor, Absolutspuren geben die Position direkt aus, und der Zentrierring hilft beim Ausrichten in der Montage. Dieser Artikel stellt die Spuren einzeln vor und vergleicht die Strukturen von Inkremental- und Absolut-Teilscheiben.

Hält man eine Teilscheibe gegen das Licht, sieht man Ringe mit unterschiedlich feinen Strukturen: außen dicht an dicht Striche, weiter innen einige lange Bögen, und ein Ring hat nur eine einzige kleine Öffnung. Jeder Ring heißt „Spur“, und jede hat ihre eigene Aufgabe. Die Spuren zu erkennen ist der erste Schritt, um eine Teilscheibenzeichnung zu verstehen.

Abb. 1 – Spuren nacheinander hervorgehoben: links Inkrementalspur, Referenzmarkenspur, Kommutierungsspuren und Zentrierring einer Inkremental-Teilscheibe, rechts Gray-Code-Spuren und Interpolationsspur einer Absolut-Teilscheibe.

Inkrementalspur: zählen, „wie viele Schritte“

Die Inkrementalspur ist ein Ring aus gleichabständigen Teilungsstrichen; die „Strichzahl“ einer Teilscheibe bezieht sich auf sie. Eine Teilscheibe mit 2500 Strichen erzeugt 2500 Signalperioden pro Umdrehung.

Die Spuren A und B stammen von derselben Inkrementalspur: Der Abtastkopf hat zwei Fenstergruppen, die um 1/4 Teilungsperiode gegeneinander versetzt sind; so entstehen zwei um 90° phasenverschobene Signale für die Richtungserkennung und die Vierfachauswertung.

Die Inkrementalspur liegt meist außen, weil für die Teilungsperiode p = 2πr ÷ N gilt. Bei gleicher Strichzahl ist die Teilungsperiode umso größer, je größer der Radius. 2500 Striche auf Radius 20 mm ergeben eine Teilungsperiode von etwa 50 μm und eine Strichbreite von etwa 25 μm; auf Radius 10 mm verlegt, bleibt nur eine Teilungsperiode von etwa 25 μm, was Fertigung und Abtastung erschwert.

Referenzmarkenspur: ein Wegweiser pro Umdrehung

Ein Inkremental-Drehgeber weiß beim Einschalten nicht, wo er steht; er kann nur ab der aktuellen Position zählen. Die Referenzmarkenspur hat pro Umdrehung nur ein Fenster und liefert pro Umdrehung einen Referenzimpuls (Z), den die Steuerung als Bezug für die Referenzfahrt nutzt.

Die Lage des Referenzfensters muss genau zu den Inkrementalstrichen ausgerichtet sein, damit der Z-Impuls eine feste Phasenbeziehung zu den Signalen A und B behält.

Kommutierungsspuren: speziell für Servomotoren

Nach dem Einschalten muss der Servoverstärker eines bürstenlosen Servomotors ungefähr wissen, wo die Rotorpole stehen, um die Wicklungen richtig zu bestromen. Dafür gibt es die Kommutierungsspuren, üblicherweise drei Ringe U, V und W.

Jeder Ring ist entsprechend der Polpaarzahl des Motors in Segmente geteilt, die drei Signale liegen 120° elektrisch auseinander. Bei einem Motor mit 4 Polpaaren durchläuft jedes Signal 4 Perioden pro Umdrehung, und die drei Signale sind um 120° ÷ 4 = 30° mechanisch versetzt, siehe Abb. 1. Zusammen ergeben die drei Signale 6 Zustände zu je 60° elektrisch – genug, um den Motor anlaufen zu lassen; danach übernimmt die Inkrementalspur die genaue Kommutierung.

Zentrierring und Kennzeichnungen

Der Zentrierring ist ein feiner Kreisring, konzentrisch zu den Spuren. Er erzeugt kein Signal und dient nur der Montage: Unter dem Mikroskop wird die Welle gedreht und die Teilscheibe verschoben, bis der Zentrierring nicht mehr schlägt. Eine Exzentrizität von 5 μm auf Radius 20 mm verursacht mit einem einzelnen Abtastkopf bereits einen Fehler von etwa 52″ – dieser Schritt ist daher entscheidend.

Darüber hinaus tragen Teilscheiben oft Kennzeichnungen wie Chargennummer, Drehrichtung und Kennzeichnung der Teilungsseite, die Rückverfolgbarkeit und Montage erleichtern.

Absolut-Teilscheibe: ein Ring pro Bit

Eine Absolut-Teilscheibe „schreibt“ die Position direkt auf die Scheibe. Abb. 1 rechts zeigt 6 Ringe Gray-Code, jeder Ring steht für ein Bit; liest man entlang des Radius eine Folge aus 0 und 1, weiß man, in welchem von 64 Feldern die Scheibe steht, jedes Feld 360° ÷ 64 = 5,625°.

Man verwendet Gray-Code statt gewöhnlichem Binärcode, weil sich benachbarte Felder im Gray-Code nur in einem Bit unterscheiden; auch wenn das Abtastfenster genau auf einer Feldgrenze steht, kann kein völlig falscher Wert gelesen werden. Das höchstwertige Bit liegt innen, das feinste Bit außen – ebenfalls, weil der äußere Ring den größeren Umfang hat und die Struktur dort nicht zu fein wird.

Bei Absolut-Teilscheiben mit höherer Bitzahl wird üblicherweise nicht jedes Bit als eigener Ring ausgeführt; stattdessen bestimmen Codespuren (oder eine Pseudo-Random-Code-Spur) die Grobposition, und eine äußere Interpolationsspur liefert Sinus-/Kosinussignale zur Interpolation innerhalb des Feldes.

Die Strukturen beider Teilscheibenarten im Vergleich:

	Inkremental-Teilscheibe	Absolut-Teilscheibe
Hauptspuren	Inkrementalspur, Referenzmarkenspur; für Servoanwendungen zusätzlich Kommutierungsspuren	mehrere Codespuren oder eine Pseudo-Random-Code-Spur, dazu eine Interpolationsspur
Nach dem Einschalten	muss bis zur Referenzmarke drehen, um die Absolutposition zu kennen	liest die aktuelle Position direkt aus
Strukturmerkmale	feine Striche außen, einfache Innenringe	jeder Ring mit anderer Struktur, komplexere Anordnung

Fazit

Die Inkrementalspur zählt Schritte, die Referenzmarkenspur liefert den Bezug, die Kommutierungsspuren helfen dem Motor beim Anlauf, Absolutspuren geben die Position direkt aus, Zentrierring und Kennzeichnungen dienen Montage und Rückverfolgbarkeit. Wer eine Teilscheibenzeichnung liest, klärt zuerst, welche Spur jeder Ring ist, und prüft dann Strichzahl, Radius und Toleranzen – so wird nichts übersehen.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0012). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com