Was ist der Sub-Divisional Error (SDE) bei Linearencodern?

Genauigkeit der Interpolation.

Um die Position einer Linearachse zu bestimmen, fährt ein Encoder-Lesekopf entlang eines Maßstabs und "liest" Änderungen des Lichts (bei optischen Encodern) oder des Magnetfelds (bei magnetischen Typen). Wenn der Lesekopf diese Änderungen registriert, erzeugt er Sinus- und Kosinussignale, die um 90 Grad gegeneinander verschoben sind (als "Quadratursignale" bezeichnet). Diese analogen Sinus- und Kosinussignale werden in digitale Signale umgewandelt, die dann - in einigen Fällen um einen Faktor von 16.000 oder mehr - interpoliert werden, um die Auflösung zu erhöhen. Die Interpolation kann jedoch nur dann genau sein, wenn die ursprünglichen Analogsignale fehlerfrei sind. Jede Unvollkommenheit in den Sinus- und Kosinussignalen - als Subdivisional Error bezeichnet - verschlechtert die Qualität der Interpolation und reduziert die Genauigkeit des Encoders.

Der Unterteilungsfehler ist zyklisch und tritt mit jedem Intervall des Maßstabs oder der Abtastteilung (d.h. mit jeder Signalperiode) auf, aber er akkumuliert sich nicht und ist unabhängig vom Maßstab oder der Weglänge. Die beiden Hauptursachen für SDE sind mechanische Ungenauigkeiten und Ausrichtungsfehler zwischen Maßstab und Lesekopf, obwohl harmonische Störungen auch Verzerrungen in den Sinus- und Kosinussignalen verursachen können.

Verwendung eines Lissajous-Musters zur Bestimmung des Unterteilungsfehlers

Um den Unterteilungsfehler zu analysieren, wird die Größe des Sinuswellensignals in einem X-Y-Diagramm gegen die Größe des Kosinuswellensignals über der Zeit aufgetragen. Dadurch entsteht ein so genanntes "Lissajous"-Muster.

Wenn der Plot bei der 0,0-Koordinate zentriert ist und die Signale um genau 90 Grad phasenverschoben sind und eine Amplitude von 1:1 haben, bildet der Plot einen perfekten Kreis. Der Unterteilungsfehler kann sich als Versatz des Mittelpunktes oder als Unterschiede in der Phase (Sinus- und Kosinusverschiebung nicht genau 90 Grad) oder Amplitude zwischen den Sinus- und Kosinussignalen manifestieren. Selbst bei hochwertigen Drehgebern kann SDE 1 bis 2 Prozent der Signalperiode betragen, so dass die Signalverarbeitungselektronik oft Verstärkungs-, Phasen- und Offset-Korrekturen enthält, um Unterteilungsfehlern entgegenzuwirken.

Direktantriebe erfordern hochpräzise Encoder

Die Enkodergenauigkeit ist wichtig für Positionieranwendungen, die von mechanisch gekoppelten Rotationsmotoren angetrieben werden, aber die Genauigkeit ist besonders kritisch, wenn ein Linearmotor mit Direktantrieb verwendet wird. Der Unterschied liegt darin, wie die Geschwindigkeit geregelt wird.

Bei einer herkömmlichen Drehmotoranwendung liefert ein am Motor angebrachter Drehgeber Geschwindigkeitsinformationen, während der Linearencoder Positionsinformationen liefert. Bei Direktantriebsanwendungen gibt es jedoch keinen Drehgeber. Der lineare Enkoder liefert Feedback für Geschwindigkeit und Position, wobei die Geschwindigkeitsinformation von der Position des Enkoders abgeleitet wird. Ein Unterteilungsfehler - der die Fähigkeit des Enkoders zur genauen Positionsmeldung und damit zur Ableitung von Geschwindigkeitsinformationen beeinträchtigt - kann zu einer Geschwindigkeitswelligkeit führen.

Darüber hinaus können Direktantriebssysteme mit hohen Regelkreisverstärkungen betrieben werden, wodurch sie schnell reagieren können, um Fehler in Position oder Geschwindigkeit zu korrigieren. Mit zunehmender Fehlerhäufigkeit ist der Regler jedoch nicht mehr in der Lage, mit dem Fehler Schritt zu halten, und der Motor nimmt beim Versuch zu reagieren mehr Strom auf, was zu hörbaren Geräuschen und übermäßiger Motorerwärmung führt.