Genauigkeit der Interpolation.

Um die Position einer linearen Achse zu bestimmen, fährt ein Encoder-Lesekopf entlang einer Skala und „liest“ Änderungen des Lichts (bei optischen Encodern) oder des Magnetfelds (bei magnetischen Encodern). Wenn der Lesekopf diese Änderungen registriert, erzeugt er Sinus- und Cosinussignale, die um 90 Grad zueinander verschoben sind (sogenannte „Quadratursignale“). Diese analogen Sinus- und Cosinussignale werden in digitale Signale umgewandelt, die dann interpoliert werden – in einigen Fällen um den Faktor 16.000 oder mehr – um die Auflösung zu erhöhen. Die Interpolation ist jedoch nur dann präzise, wenn die ursprünglichen analogen Signale fehlerfrei sind. Jede Unvollkommenheit in den Sinus- und Cosinussignalen – der sogenannte Subdivisionsfehler – beeinträchtigt die Qualität der Interpolation und verringert die Genauigkeit des Encoders.

Der zyklische SDE tritt mit jedem Skalen- oder Abtastintervall (also mit jeder Signalperiode) auf, akkumuliert sich jedoch nicht und ist unabhängig von der Skalen- oder Verfahrlänge. Die beiden Hauptursachen für den SDE sind mechanische Ungenauigkeiten und eine Fehlausrichtung zwischen Skala und Lesekopf. Auch harmonische Störungen können zu Verzerrungen der Sinus- und Cosinussignale führen.

Verwendung eines Lissajous-Musters zur Bestimmung des Unterteilungsfehlers

Zur Analyse des Unterteilungsfehlers wird die Größe des Sinuswellensignals in einem XY-Diagramm im zeitlichen Verlauf gegen die Größe des Kosinuswellensignals aufgetragen. Dadurch entsteht ein sogenanntes „Lissajous“-Muster.

Wenn die Kurve bei der Koordinate 0,0 zentriert ist, die Signale um genau 90 Grad phasenverschoben sind und eine Amplitude von 1:1 aufweisen, bildet die Kurve einen perfekten Kreis. Subdivisionsfehler können sich als Versatz des Mittelpunkts oder als Phasenunterschiede (Sinus- und Cosinusverschiebung nicht genau um 90 Grad) oder Amplitudenunterschiede zwischen den Sinus- und Cosinussignalen äußern. Selbst bei hochwertigen Encodern kann der SDE 1 bis 2 Prozent der Signalperiode betragen. Daher enthält die Signalverarbeitungselektronik häufig Verstärkungs-, Phasen- und Offsetkorrekturen, um Subdivisionsfehler auszugleichen.

Direktantriebe erfordern hochgenaue Encoder

Die Genauigkeit des Encoders ist für Positionierungsanwendungen mit mechanisch gekoppelten Rotationsmotoren wichtig. Besonders wichtig ist sie jedoch bei Linearmotoren mit Direktantrieb. Der Unterschied liegt in der Art der Geschwindigkeitsregelung.

Bei herkömmlichen Rotationsmotoren liefert ein am Motor angebrachter Drehgeber die Geschwindigkeitsinformation, während der Lineargeber die Positionsinformation liefert. Bei Direktantrieben hingegen gibt es keinen Drehgeber. Der Lineargeber liefert sowohl Geschwindigkeits- als auch Positionsinformation, wobei die Geschwindigkeitsinformation aus der Position des Drehgebers abgeleitet wird. Ein zyklischer Fehler, der die Fähigkeit des Drehgebers beeinträchtigt, die Position präzise zu melden und somit Geschwindigkeitsinformationen abzuleiten, kann zu Geschwindigkeitsschwankungen führen.

Darüber hinaus können Direktantriebssysteme mit hohen Regelkreisverstärkungen betrieben werden, wodurch sie schnell auf Positions- oder Geschwindigkeitsfehler reagieren können. Mit zunehmender Fehlerhäufigkeit kann der Regler jedoch nicht mehr mit dem Fehler Schritt halten, und der Motor verbraucht mehr Strom, um zu reagieren. Dies führt zu hörbaren Geräuschen und übermäßiger Motorerwärmung.