Signalprobleme im Überblick
Symptom: Z driftet bei hoher Drehzahl gegenüber A/B – ungleiche Kanallaufzeiten
Bei ungleicher Laufzeit der Pfade Z und A/B verschiebt sich Z gegenüber A/B um 360°·f·Δt elektrisch, bei 500 kHz und 100 ns um 18°. Der Beitrag leitet die unterschiedlichen Auswirkungen von Laufzeiten vor und nach der Verknüpfung (Gating) auf Breite und Lage von Z sowie die zulässigen Werte her und zeigt, wie man durch Messung der Z-Mitte bei zwei Drehzahlen in beiden Richtungen statischen Versatz, Hysterese und Laufzeit trennt.
Bei langsamer Referenzfahrt ist der Referenzpunkt sehr stabil; erhöht man die Geschwindigkeit der Referenzfahrt, verschiebt sich der Referenzpunkt um einen oder einige Zählschritte. Am Oszilloskop sieht man: Je höher die Drehzahl, desto weiter wandert Z gegenüber den Flanken von A und B nach hinten, bis Z bei einer bestimmten Drehzahl plötzlich schmaler wird oder sogar verschwindet. Die drehzahlabhängige Breite von Z wurde in einem anderen Beitrag dieser Reihe behandelt; Ursache war dort die ungleiche Laufzeit der beiden Flanken von Z selbst. Hier geht es um die Laufzeitdifferenz von Z als Ganzes gegenüber A und B: Beide Flanken wandern gemeinsam nach hinten, die Breite bleibt gleich, die Lage driftet. Sie bestimmt, bis zu welcher Drehzahl das verknüpfte Z hält und ob die Referenzposition von der Geschwindigkeit abhängt.
Modell: Zeitdifferenz in elektrischen Winkel umrechnen
Der Z-Kanal habe gegenüber den Kanälen A und B die zusätzliche Laufzeit Δt, die Ausgangsfrequenz von A/B sei f. Dann beträgt die Verschiebung von Z gegenüber A/B im elektrischen Winkel
δ = 360°·f·Δt
f = N·n/60, N ist die Zahl der Perioden je Umdrehung (bei interpoliertem Ausgang die Rechteckperioden nach der Interpolation), n die Drehzahl (min⁻¹). Bei 2500 Strichen und 12000 min⁻¹ ist f = 500 kHz, Δt = 100 ns entspricht δ = 18°.
| Δt | 100 kHz | 250 kHz | 500 kHz | 1 MHz |
|---|---|---|---|---|
| 20 ns | 0,7° | 1,8° | 3,6° | 7,2° |
| 100 ns | 3,6° | 9° | 18° | 36° |
| 1 μs | 36° | 90° | 180° | 360° |
δ ist proportional zur Drehzahl – der direkteste Fingerabdruck eines Laufzeitproblems; statischer Justagefehler und Komparatorhysterese ändern sich mit der Drehzahl nicht.
Liegt die Laufzeit vor oder nach der Verknüpfung?
Vor der Verknüpfung (Filterung des Roh-Z, Komparator): Das verknüpfte Z entsteht durch UND-Verknüpfung des Roh-Z mit dem Quadranten A = B = 1. Hat das Roh-Z die Breite W_r und liegt seine Mitte mit dem statischen Versatz δ0 neben der Quadrantenmitte, beträgt die Verknüpfungsreserve
m = (W_r − 90°)/2 − |δ0|
Für δ ≤ m ist das verknüpfte Z noch volle 90° breit und in der Lage an die Flanken von A und B gebunden – die Laufzeit wird „geschluckt“; für δ > m wird die Breite des verknüpften Z zu 90° − (δ − m), für δ ≥ m + 90° verschwindet es. Bei W_r = 180°, δ0 = 0 und Δt = 100 ns ist die Reserve bei 1,25 MHz aufgebraucht, bei 3,75 MHz verschwindet Z (siehe Abb. 1).
Nach der Verknüpfung (Ausgangsstufe, Kabel, Empfänger): Die Flanken des verknüpften Z fallen ohnehin mit Flanken von A oder B zusammen; jede Laufzeitdifferenz danach lässt sie am Empfänger auseinanderlaufen. Qualifiziert der Empfänger Z mit dem Zustand von A und B, bleibt als wirksame Überdeckung nur 90° − |δ|; speichert er den Zählerstand an einer Z-Flanke, ändert sich der gespeicherte Wert um einen Zählschritt, sobald δ eine Zählgrenze überschreitet – die Referenzposition hängt dann von der Geschwindigkeit der Referenzfahrt ab (Details zum Flankenwettlauf im Beitrag dieser Reihe zur Referenzmarke bei Vorwärts- und Rückwärtslauf).
Woher die Laufzeit kommt
| Stufe | Mechanismus | Größenordnung (Beispiel) |
|---|---|---|
| Analogfilter | RC des Z-Kanals anders als bei A/B, Laufzeit eines langsam veränderlichen Signals etwa RC | 1 kΩ × 100 pF ≈ 100 ns |
| Komparator | kleine Amplitude des Referenzsignals, unzureichende Übersteuerung, längere Laufzeit | einige zehn Nanosekunden |
| Interpolationsschaltung | A/B aus einer Interpolationsschaltung mit Pipeline, Z über eigenen Komparator | je nach Realisierung, Vorzeichen entgegengesetzt zu den beiden oberen Zeilen |
| Ausgang und Kabel | Kanal-zu-Kanal-Versatz des Treibers, Längenunterschied der Adernpaare (etwa 5 ns/m) | einige bis über zehn Nanosekunden |
| Empfänger | unterschiedliche Optokoppler oder Digitalfiltereinstellungen je Kanal | Standard-Optokoppler bis in den Mikrosekundenbereich |
Der zulässige Wert ergibt sich aus Reserve und Höchstfrequenz:
Δt_max = m / (360°·f_max)
Bei m = 30° sind bei 500 kHz etwa 167 ns zulässig, nach Interpolation bei 2,5 MHz nur noch etwa 33 ns (siehe Abb. 2 rechts). Bei Gebern mit interpoliertem Ausgang sollte Z daher im selben digitalen Pfad synchron mit A und B erzeugt werden und nicht über einen separaten analogen Komparator laufen.
Messung: zwei Drehzahlen, zwei Richtungen
- Langsame Referenz: f unter einem Hundertstel der Höchstfrequenz wählen, am Oszilloskop den elektrischen Winkel der Mitte zwischen den beiden Z-Flanken gegenüber der steigenden Flanke von A messen und in den Versatz φ gegenüber der Quadrantenmitte umrechnen. Gibt es einen Messpunkt für das Roh-Referenzsignal, Roh-Z gleichzeitig messen.
- Wiederholung bei höherer Drehzahl: 3–4 Frequenzen bis nahe an die Höchstdrehzahl wählen und jeweils einmal vorwärts und einmal rückwärts messen. Rückwärts mit derselben Winkelkoordinate umrechnen, d. h. ein zeitliches Nacheilen entspricht einer Winkelverschiebung in Gegenrichtung.
- Trennung durch Anpassung: vorwärts φ_F = φ_s + h + 360°·f·Δt, rückwärts φ_R = φ_s − h − 360°·f·Δt. Das Mittel beider Richtungen ist der statische Versatz φ_s; der Achsabschnitt ihrer Differenz bei f → 0 ist 2h, wobei h aus der Komparatorhysterese stammt; die Steigung liefert Δt.
- Abschnittsweise Lokalisierung: am Messpunkt Roh-Z, am Kabelende des Gebers und am Empfänger messen; nach welchem Abschnitt die Steigung auftritt oder größer wird, dort liegt die Laufzeitdifferenz.
- Kriterium: |φ_s| + |h| + 360°·f_max·Δt darf die Verknüpfungsreserve nicht überschreiten, mit Spielraum für Temperaturdrift und Bauteilstreuung.
Auf Systemseite ist auch eine Schnellprüfung möglich: einmal langsam und einmal schnell referenzieren und die beiden gespeicherten Positionen vergleichen. Unterscheiden sie sich um einen oder einige Zählschritte, während wiederholte langsame Referenzfahrten sehr stabil sind, liegt praktisch sicher ein Kanallaufzeitproblem vor.
Praxishinweise
- δ = 360°·f·Δt: Bei 500 kHz sind 100 ns bereits 18°; nach Interpolation in den MHz-Bereich sind auch einige zehn Nanosekunden nicht vernachlässigbar.
- Die Verknüpfung kann nur Laufzeit vor der Verknüpfung schlucken, und zwar (W_r − 90°)/2 − |δ0|; Laufzeitdifferenz nach der Verknüpfung wird direkt zum Positionsversatz.
- Analogfilter, Komparatoren und Ausgangstreiber von Z und von A, B symmetrisch auslegen; bei Bedarf dem Z-Kanal eine einstellbare Verzögerung geben.
- Bei interpoliertem Ausgang Z von der Interpolationsschaltung synchron erzeugen lassen, damit nicht A/B Pipeline-Laufzeit haben und Z nicht.
- Optokoppler und Filtereinstellungen aller Kanäle am Empfänger gleich wählen; die Laufzeitstreuung von Standard-Optokopplern reicht bis in den Mikrosekundenbereich.
- Mit der Messung der Z-Mitte bei zwei Drehzahlen in beiden Richtungen lassen sich statischer Versatz, Hysterese und Laufzeit in einem Durchgang trennen.
Fazit
Driftet Z bei hoher Drehzahl gegenüber A/B, ist es die Laufzeitdifferenz der beiden Kanäle, umgerechnet in elektrischen Winkel gemäß 360°·f·Δt. Liegt die Laufzeit vor der Verknüpfung, bleibt das verknüpfte Z zunächst unverändert, wird nach Aufbrauchen der Reserve schmaler und verschwindet schließlich; liegt sie danach, zeigt sie sich direkt als geschwindigkeitsabhängige Referenzposition. Δt_max aus Reserve und Höchstfrequenz abschätzen, die Laufzeit durch Messungen bei zwei Drehzahlen in beiden Richtungen von statischem Versatz und Hysterese trennen und entlang der Signalkette abschnittsweise lokalisieren.
Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0233). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com
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