Auflösung von Winkelmessungen erhöhen

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Kurz- und langwellige Winkelfehler

Als kurzwelliger Winkelfehler wird der Fehler innerhalb einer Teilungsperiode bezeichnet. Je nach Anzahl der Teilungsperioden hat dieser Fehler einen unterschiedlich großen Einfluss auf die absolute Winkelmessgenauigkeit.

Der langwellige Winkelfehler wiederholt sich einmal pro Umdrehung der Achse. Die Ursache dieses Fehlers liegt zumeist in der Justage der Codescheibe, auch die Genauigkeit der Maßverkörperung ist bestimmend. Im Gesamtsystem sind ferner Winkelfehler durch den Anbau des Positionsgebers an die Achse möglich (exzentrischer Anbau, Kraftwirkungen auf Achse und Lagerungen).

Spezifiziert man für einen optischen Drehgeber den Absolutfehler über eine volle Umdrehung mit kleiner 0,014° (50“), würde dies bei 2048 Teilungsperioden einen Fehler von ca. 28° bezogen auf die 360° einer elektrischen Signalperiode entsprechen. Interpolationsschaltungen bieten problemlos zehnfach höhere Genauigkeiten, sodass die Anzahl der Teilungsperioden entsprechend verringert werden kann.

Allerdings muss die geringere Auflösung der Maßverkörperung durch bessere Signale mit höherer Interpolierbarkeit ausgeglichen werden. Zudem kommt es auf die Signalkonditionierung an, die sehr feine Korrekturen erlauben muss, um einen Absolutfehler in oben genannter Größenordnung zu erhalten.

Ferner wirken sich im Sensorsignal vorhandene Oberwellenanteile ebenfalls auf das Interpolationsergebnis aus und reduzieren die maximal mögliche Winkelgenauigkeit. Die mit aktuellen Photosensor-Arrays erreichten Klirrfaktoren von deutlich unter 0,4 % (bei 256 Teilungsperioden) stellen jedoch keine dominante Fehlerquelle dar.

Messtechnik-Werkzeuge

Volldifferentielle Messtechnik mit einer Auflösung von 16 Bit ist keine Grundfunktion aktueller Oszilloskope – auf PC-Messkarten kann deshalb nicht verzichtet werden. Eine elegante Lösung ist das Encoder-Analyzer-Modul der SinCosYzer Workstation, das die erreichbare Interpolationsgenauigkeit unter Berücksichtigung primärer Signalfehler vorausbestimmt. Farbbalken identifizieren die Fehlerquelle und erleichtern dem Benutzer den Signalabgleich (Bild 5).

Dank der Nonius-Interpolation sind Messsysteme mit skalierbarer Leistungsfähigkeit möglich, die hohe integrale Genauigkeit für Winkelgeber oder sehr hohe Auflösungen mit guter differenzieller Genauigkeit für digitales Motorfeedback bieten können.

Für die Abtastung der Positionsinformation, repräsentiert durch die Phasenlage weniger Signale, genügt ein relativ kleiner optischer Sensor – das vereinfacht die Ausleuchtung, benötigt weniger Energie und spart Platz. Eine Lösung, die nicht nur Systemkosten reduziert, sondern sich auch neue Anwendungen erschließen kann.

*Dipl.-Ing. Joachim Quasdorf studierte an der TH-Darmstadt Elektrotechnik, Fachrichtung Festkörperelektronik. 1989 trat er bei iC-Haus ein als ASiC-Entwickler und Designer, speziell von Opto-Sensoren und Opto-Encodern, und übernahm vier Jahre später Aufgaben der Applikationsentwicklung. Im ASSP-Vertrieb und -Marketing ist er heute in leitender Position für die technische Kundenbetreuung zuständig.

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