Forum: Offtopic Wie entsteht das Sinusförmige Signal eines Drehgebers/ Vermutung


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von Tho S. (thoso805)


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Hallo,

ich beschäftige mich mit Drehgebern.
Ich verstehe bei einem Sin-/Cos- Geber noch nicht so richtig, wie das 
sinusförmige Signal entsteht.

Die Schlitze der Codierscheibe sind gleich groß und der Abstand zwischen 
den Schlitzen ist genauso groß, wie die Schlitze selbst.

Nach meinen Überlegungen müsste es ein Impulssignal geben, dass nicht 
sinusförmig ist, denn die negative Halbwelle ist ja nicht vorhanden.

Wird ein zusätzliches Photoelement antiparallel beschaltet, bekommt das 
Signal einen Nulldurchgang und wird erst dann sinusförmig oder?

Gruß
Thomas

: Verschoben durch Moderator
von Falk B. (falk)


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@ Tho So (thoso805)

>ich beschäftige mich mit Drehgebern.
>Ich verstehe bei einem Sin-/Cos- Geber noch nicht so richtig, wie das
>sinusförmige Signal entsteht.

Gar nicht, denn die Drehgeber arbeiten rein digital und geben 
logischerweise Digitalsignale aus.

https://de.wikipedia.org/wiki/Inkrementalgeber

Was du vielleicht meinst sind Resolver. Die arbeiten analog und geben 
Sinus- und Cosinussignale aus.

https://de.wikipedia.org/wiki/Resolver

Man sollte bei der Beschreibung beachten, daß im Normalfall die 
Erregerfrequenz der Spulen NICHT als Signal nach außen gegeben wird 
sondern der demodulierte Phasenwinkel des Rotors. Das erreicht man u.a. 
durch einen Mischer. Denn die multiplikative Mischung zweier synchroner 
Sinussignale ergibt eine Gleichspannung, welche proportional dem Sinus 
des Phasenwinkels ist.

https://de.wikipedia.org/wiki/Mischer_(Elektronik)

von N. M. (mani)


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Falk B. schrieb:
> Gar nicht, denn die Drehgeber arbeiten rein digital und geben
> logischerweise Digitalsignale aus.

Nein, es gibt auch Sinus Cousins Geber die nicht modulieren wie ein 
Resolver und trotzdem analoge Ausgangssignal besitzen. Siehe z.B. bei 
Sick Stegmann nach Sinus Cousins Geber.
Sie zählen zwar zu den Inkremental-Geber (sind also nicht Singleturn 
Absolut) aber haben dafür teilweise bis zu 4096 Striche pro mechanische 
Umdrehung. Der Vorteil dabei ist, das eine wesentlich hochaufgelöstere 
Position als bei einem vergleichbaren Quadraturencodersignal (Digital) 
erfasst werden kann da sämtliche Zwischenschritte durch das analog 
Signal vorhanden sind.
Wenn man die TTL/HTL Variante der Geber zerlegt, sieht man oft das nach 
den analogen Signalen einfach ein Schmitt Trigger +Treiber sitzt und 
dadurch die digitale Variante erzeugt wird.
Teilweise gibt es die Analogen dann auch noch mit Datenkanal wo neben 
den analogen Signalen (Motorführung) auch noch die Multiturnposition 
(Strecke) über einen zuzüglichen Datenkanal übertragen wird (Hiperface).

In den ganz einfachen Gebern sind das nur 3 analoge Hall-Elemente. Durch 
Differenzenbildung wird ein potentieller Offset entfernt (OP) und man 
erhält 2 um 90 Grad versetzte analog Signale (Sinus + Cousins). Fertig 
ist die Laube.

Will man etwas genauer bzw unempfindlicher gegen Magnetfelder (Bremse) 
werden ist es meist optisch.
Teilweise gibt es das sogar rein passiv!
Der Master sendet Licht über einen LWL an den Geber. Das Licht geht 
durch die Spiegel und danach wieder zurück zum Master. Ähnlich wie in 
einem Mausrad.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Tho S. schrieb:
> Die Schlitze der Codierscheibe sind gleich groß und der Abstand zwischen
> den Schlitzen ist genauso groß, wie die Schlitze selbst.
>
> Nach meinen Überlegungen müsste es ein Impulssignal geben, dass nicht
> sinusförmig ist, denn die negative Halbwelle ist ja nicht vorhanden.

Wenn die Schlitze auf der Codescheibe rechteckig sind und die Blenden
des Abtastsystems dieselbe Form und Größe haben, entsteht beim Drehen
der Scheibe an den Photodioden des Abtastsystems ein Dreiecksignal. Was
letztendlich an der Schnittstelle des Drehgebers herauskommt, hängt
davon ab, wie dieses Signal weiterverarbeitet wird. Mit einem Schmitt-
Trigger entsteht daraus ein Rechtecksignal, mit einem Dreick-Sinus-
Konverter ein Sinus- bzw. Cosinussignal. Bei industriellen Drehgebern
stehen oft mehrere Schnittstellentypen zur Auswahl.

Prinzipiell kann man die Signalform auch durch die Blendengeometrie
beeinflussen.

Falk B. schrieb:
>>Ich verstehe bei einem Sin-/Cos- Geber noch nicht so richtig, wie das
>>sinusförmige Signal entsteht.
>
> Gar nicht, denn die Drehgeber arbeiten rein digital und geben
> logischerweise Digitalsignale aus.
>
> https://de.wikipedia.org/wiki/Inkrementalgeber

Hast du denn den Artikel, den du zur Untermauerung deiner Aussage
anführst, überhaupt selber gelesen (insbesondere den Abschnitt
"Signalauswertung")? ;-)

Drehgeber mit analogem Sin/Cos-Ausgang erlauben eine sehr viel höhere
Winkelauflösung als entsprechende Typen mit Rechteckausgang, allerdings
ist auch die Auswertung durch die nachfolgende Steuerung aufwendiger.

Edit:

N. M. war schneller :)

: Bearbeitet durch Moderator
von N. M. (mani)


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Hier auch Mal anhand eines Streckengebers  erklärt.
Gleiches Prinzip:
http://www.renishaw.de/de/rgh40-inkrementelles-messsystem-mit-rgs40-g-massstab--6451

Yalu X. schrieb:
> Edit:
>
> N. M. war schneller :)

Überschneidet sich ja nur teilweise :-)

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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@ Yalu X. (yalu) (Moderator)

>davon ab, wie dieses Signal weiterverarbeitet wird. Mit einem Schmitt-
>Trigger entsteht daraus ein Rechtecksignal, mit einem Dreick-Sinus-
>Konverter ein Sinus- bzw. Cosinussignal.

Ob es sooo sinvoll ist, einen WINKELgeber mit einem halben Dutzend 
Signalwandlungen als Grundkonzept zu erklären?

>> https://de.wikipedia.org/wiki/Inkrementalgeber

>Hast du denn den Artikel, den du zur Untermauerung deiner Aussage
>anführst, überhaupt selber gelesen (insbesondere den Abschnitt
>"Signalauswertung")? ;-)

Ja.

>Drehgeber mit analogem Sin/Cos-Ausgang erlauben eine sehr viel höhere
>Winkelauflösung als entsprechende Typen mit Rechteckausgang,
> allerdings
>ist auch die Auswertung durch die nachfolgende Steuerung aufwendiger.

Ja und? Darum gib die Frage des OPs doch gar nicht.
Außerdem geht der Trend ja nicht erst seit gestern dazu, ein 
Sensorsignal möglichst frühzeitig zu digitalisieren und digital 
weiterzuverarbeiten. Deshalb sind Resolver eher auf dem Rückzug, 
Ausnahmen bestätigen die Regel.

von Falk B. (falk)


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@ N. M. (mani)

>Nein, es gibt auch Sinus Cousins Geber die nicht modulieren wie ein
>Resolver und trotzdem analoge Ausgangssignal besitzen. Siehe z.B. bei
>Sick Stegmann nach Sinus Cousins Geber.

Mag sein, ist aber eher eine Sonderform.

>Sie zählen zwar zu den Inkremental-Geber (sind also nicht Singleturn
>Absolut) aber haben dafür teilweise bis zu 4096 Striche pro mechanische
>Umdrehung. Der Vorteil dabei ist, das eine wesentlich hochaufgelöstere
>Position als bei einem vergleichbaren Quadraturencodersignal (Digital)
>erfasst werden kann da sämtliche Zwischenschritte durch das analog
>Signal vorhanden sind.

Naja, das dann aber auch mit Aufwand wieder digitalisiert werden will. 
Denn das ist es, was man heute haben will. Analoge Steuerung sind fast 
ausgestorben.

von N. M. (mani)


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Falk B. schrieb:
> Mag sein, ist aber eher eine Sonderform.

Falk, das ist teilweise immernoch State of the Art.
Ich arbeite in diesem Sektor. Glaub mir.

Falk B. schrieb:
> Naja, das dann aber auch mit Aufwand wieder digitalisiert werden will.
> Denn das ist es, was man heute haben will. Analoge Steuerung sind fast
> ausgestorben.

Wenn man mehr will, muss man meist auch mehr investieren. Schau dir mal 
die ganzen seitherigen FUs an. Da haben fast alle einen Anschluss um 
SIN/COS Geber auszuwerten. Was auch logisch ist wenn man eine gewisse 
Dynamik des Motors erreichen will. In den FUs die ich kenne werden 
teilweise mit 2-4 MHz die analogen Signale abgetastet! Mit 14Bit ADCs. 
Innerhalb eines Striches von 4096 pro Motorumdrehung!
Man bräuchte also ordentlich mehr Striche wenn das Digital sein soll.
Und mit einem Protokoll würde man die Latenz nicht hin bekommen.

Langsam kommt die Ablösung mit EnDat2.2, HiperfaceDSL oder DriveCliq.
Aber auch die sind nur Kompromisse.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Falk B. schrieb:
> @ Yalu X. (yalu) (Moderator)
>
>>davon ab, wie dieses Signal weiterverarbeitet wird. Mit einem Schmitt-
>>Trigger entsteht daraus ein Rechtecksignal, mit einem Dreick-Sinus-
>>Konverter ein Sinus- bzw. Cosinussignal.
>
> Ob es sooo sinvoll ist, einen WINKELgeber mit einem halben Dutzend
> Signalwandlungen als Grundkonzept zu erklären?

Wieso ein halbes Dutzend? Ich schrieb von gerade mal einer.

Aber auch die braucht man nicht unbedingt. Wenn ich die von N. M.
verlinkte Beschreibung eines Streckengeber richtig verstanden habe, wird
dort das Sinussignal direkt durch den Photodetektor geliefert, so dass
hier überhaupt nichts signalgewandelt, sondern lediglich verstärkt
werden muss.

So gesehen ist der Drehgebertyp mit Rechteckausgang der komplexere von
beiden, denn der braucht mindestens einen Signalwandler in Form eines
Schmitt-Triggers.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Yalu X. schrieb:
> Wenn ich die von N. M.
> verlinkte Beschreibung eines Streckengeber richtig verstanden habe, wird
> dort das Sinussignal direkt durch den Photodetektor geliefert

Wenn das so ist (was ich jetzt einfach mal glaube) dann ist das aber ein 
ganz anderer optischer Signalweg als der den der TE beschreibt:

Tho S. schrieb:
> Die Schlitze der Codierscheibe sind gleich groß und der Abstand zwischen
> den Schlitzen ist genauso groß, wie die Schlitze selbst.

Denn bei simplen Schlitzen kommt nun mal kein Sinus hinten heraus.

Und selbst wenn man die optische Strecke auf Sinus/Cosinus trimmt, ist 
das erst die halbe Miete, weil Lichtquellen und Sensoren ja altern und 
mit allen möglichen Umgebungsgrößen driften.

Das Verständnisproblem des TE scheint aber in der Tat darin zu bestehen, 
daß er das maximal simplifizierte Funktionsprinzip eines digitalen 
Drehgebers im Inneren einen sin/cos Gebers vermutet.

von Tho S. (thoso805)


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Doch nicht so eindeutig. Schade.

Also ich wundere mich ja wie das sinusförmige Signal eines sin/cos geber 
erzeugt wird.

In vielen Beschreibungen habe ich gelesen, dass das Sinus Signal direkt 
von den Photoelementen detektiert wird.

In folgendem Artikel steht: 
(http://www.next-community.de/fileadmin/media/whitepaper/files/Additive_WP_Inkrementalgeber_1.pdf)

 "Aufgrund von Lichtstreuung entsteht beim Durchlaufen jedes Schlitzes 
zwischen Photozelle und LED statt eines dreieckigen ein nahezu 
sinusförmiger Spannungsverlauf."

Ist dies nun die Erklärung für die negative Halbwelle des Sinus oder 
nicht?


Also wird haben an der Uni sowohl optische Geber die ein TTL Signal 
ausgeben und einen Geber der ein Sin/Cos Signal ausgibt.
Meine Aufgabe ist es diesen Sin/Cos Geber mit einem Mikrocontroller 
auszuwerten. Ein Quadratur-Encoder ist im Mikrocontroller integriert.
Mit einem IC-TW28 von IC-HAUS werde ich aus dem Sinus Signal ein 
Rechtecksignal modulieren und dann noch Interpolieren um es anschließend 
auszuwerten.

Die Frage wie der Sinus zustande kommst beschäftift mich sehr.




Yalu X. schrieb:
> Wenn die Schlitze auf der Codescheibe rechteckig sind und die Blenden
> des Abtastsystems dieselbe Form und Größe haben, entsteht beim Drehen
> der Scheibe an den Photodioden des Abtastsystems ein Dreiecksignal. Was
> letztendlich an der Schnittstelle des Drehgebers herauskommt, hängt
> davon ab, wie dieses Signal weiterverarbeitet wird. Mit einem Schmitt-
> Trigger entsteht daraus ein Rechtecksignal, mit einem Dreick-Sinus-
> Konverter ein Sinus- bzw. Cosinussignal.

klingt logisch nur wieso wird überall behauptet dass die Photoelemente 
ein Sinus Signal detektieren....
Bisher habe ich nirgends gelesen dass ein Dreiecksignal erzeugt wird, 
welches in ein sinusförmiges Signal konvertiert wird.

Gibt es nicht einen Artikel wo das ganze mal etwas genauer beschrieben 
ist....?

: Bearbeitet durch User
von N. M. (mani)


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Ich stelle Mal eine Vermutung auf:
In dem von mir verlinkten Artikel oben wird vom Photostrom geredet. Kann 
es sein dass sie die U/I Kennlinie der Photozelle ausnutzen um von einer 
dreieckförmigen Flächenänderung auf ein näherungsweise sinusförmiges 
Signal zu kommen?

Andere Vermutung:
Es wird auch viel von Optiken gesprochen.
Wenn ich eine punktförmige Lichtquelle über ein rechteckiges Gitter 
schiebe, was für eine effektive Fläche bzw Kurvenform entsteht dabei?

Ob da jetzt noch ein Offset drauf ist damit die negative Halbwelle 
entsteht, ist ja zweitrangig.


Tho S. schrieb:
> Meine Aufgabe ist es diesen Sin/Cos Geber mit einem Mikrocontroller
> auszuwerten. Ein Quadratur-Encoder ist im Mikrocontroller integriert.
> Mit einem IC-TW28 von IC-HAUS werde ich aus dem Sinus Signal ein
> Rechtecksignal modulieren und dann noch Interpolieren um es anschließend
> auszuwerten.

Warum gehst du mit dem analogen Signal nicht auf den Quadraturzähler UND 
auf 2 ADCs deines uC?
Der Quadraturzähler zählt die schnellen Bewegungen die du bei einem 4096 
Striche Encoder bei 6000RPM nicht mit dem ADC erfassen kannst 
(Abtastrate). Zum Zyklus deiner Prozessdatengewinnung Latchst du den 
Quadraturzähler und die beiden ADCs SIMULTAN berechnest einen hoch 
aufgelösten Winkel innerhalb dieses Striches durch die ADC Werte (atan) 
und verheiratest den z.B 16Bit ADC Winkel mit einem 18Bit 
Quadraturzähler Winkel zu einem 32Bit Gesamtwinkel (2 Bit überlappen).
Dann sparst du dir den IC Haus Chip.

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Falk,

>>ich beschäftige mich mit Drehgebern.
>>Ich verstehe bei einem Sin-/Cos- Geber noch nicht so richtig, wie das
>>sinusförmige Signal entsteht.
>
> Gar nicht, denn die Drehgeber arbeiten rein digital und geben
> logischerweise Digitalsignale aus.

Deine Kompetenz auf anderen Feldern in allen ehren, aber hier solltest 
du dich besser zurückhalten...

Ich habe seinerzeit am WZL den Teil der Werkzeugmaschinen-Vorlesung 
betreut, in dem es um Messsysteme geht. Heidenhain hat schöne 
Schulungsunterlagen, falls du dich in das Thema einlesen willst. Auch zu 
anderen Geberarten (Absolutgeber usw.) gibt es da sehr anschauliche 
Bilder.

Natürlich sind die Ausgangssignale der Photodioden erstmal analog. Viel 
Licht  = viel Strom, wenig Licht = wenig Strom. Da der Hell-Dunkel 
Übergang durch die Schlitzblende nicht schlagartig erfolgt, muss sich 
auch das Signal entsprechend kontinuiertlich ändern und nicht digital. 
Bei Digitalencodern wird das Signal einfach mit Komparatoren 
digitalisiert, weil es dann einfacher zu verarbeiten ist als ein sin/cos 
Signal.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo N. M.,
>> Meine Aufgabe ist es diesen Sin/Cos Geber mit einem Mikrocontroller
>> auszuwerten. Ein Quadratur-Encoder ist im Mikrocontroller integriert.
>> Mit einem IC-TW28 von IC-HAUS werde ich aus dem Sinus Signal ein
>> Rechtecksignal modulieren und dann noch Interpolieren um es anschließend
>> auszuwerten.
>
> Warum gehst du mit dem analogen Signal nicht auf den Quadraturzähler UND
> auf 2 ADCs deines uC?
> Der Quadraturzähler zählt die schnellen Bewegungen die du bei einem 4096
> Striche Encoder bei 6000RPM nicht mit dem ADC erfassen kannst
> (Abtastrate). [...]
> Dann sparst du dir den IC Haus Chip.

Davon kann ich nur abraten. Das bekommt man nie 100% synchron hin. Die 
Zeit die man dann damit kämpft, Sprünge an den Quadrantenübergängen zu 
kaschieren ist deutlich teurer als die ICs von IC-Haus oder Gemac 
Chemnitz. Been there, done that.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo N. M.,

> Falk B. schrieb:
>> Naja, das dann aber auch mit Aufwand wieder digitalisiert werden will.
>> Denn das ist es, was man heute haben will. Analoge Steuerung sind fast
>> ausgestorben.
>
> Wenn man mehr will, muss man meist auch mehr investieren. Schau dir mal
> die ganzen seitherigen FUs an. Da haben fast alle einen Anschluss um
> SIN/COS Geber auszuwerten. Was auch logisch ist wenn man eine gewisse
> Dynamik des Motors erreichen will. In den FUs die ich kenne werden
> teilweise mit 2-4 MHz die analogen Signale abgetastet! Mit 14Bit ADCs.
> Innerhalb eines Striches von 4096 pro Motorumdrehung!
> Man bräuchte also ordentlich mehr Striche wenn das Digital sein soll.
> Und mit einem Protokoll würde man die Latenz nicht hin bekommen.
>
> Langsam kommt die Ablösung mit EnDat2.2, HiperfaceDSL oder DriveCliq.
> Aber auch die sind nur Kompromisse.

Die kommen nicht langsam, die sind längst Stand der Technik. Gerade 
HiperfaceDSL (Einkabel-Technik) ist in den letzten Jahren schwer im 
kommen. Nahezu jeder Hersteller von Servotechnik hat entsprechende 
Lösungen im Programm. Ich sehe auch nicht, warum digitale Schnittstellen 
ein Kompromiss sein sollen. Der Hersteller des Messsystems liefert in 
der Regel noch die beste Signalumwandlung. Zudem verhindert die digitale 
Übertragung Störungen des Analogsignals. Und bei Motorgebern kann über 
das EEPROM vom Geber auch der Motor automatisch identifiziert und der 
Umrichter entsprechend konfiguriert werden.

Nachtrag zum Beitrag von eben:
http://www.heidenhain.de/de_DE/dokumentation/technische-information/

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Bernd G. (Firma: Bannerträger des Fortschritts) (berndg)


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Mein Senf dazu: Sin/cos Drehgeber wurden nicht aus purem Spaß zur 
Abdeckung von Bastlerbedürfnissen entwickelt, sondern weil es ganz 
konkrete Anforderungen und Anwendungen dafür gibt.
Ja, sie funktionieren mit optischer oder magnetischer Signalerzeugung.
Das Ausgangssignal ist keinesfalls dazu gedacht, mit Hilfe eines 
primitiven Schmitt-Triggers auf Rechteckform gequält zu werden, sondern 
wird in der Mehrzahl der Fälle mit Interpolatorschaltkreisen, salopp 
gesagt, frequenzmäßig hochgesetzt. Aus einer Sinuswelle werden so 
teilweise über 2000 Inkremente erzeugt. Dass es funktioniert, setzt 
einen äußerest geringen Klirrfaktor des sin/cos-Signal voraus.
Der Einsatz erfolgt sehr oft in Motorregelungen für Direktantriebe.

Und nein, EnDat xx ist kein Ersatz für sin/cos, sondern etwas ganz 
anderes.
Es ist interessant, mit welch tiefer Überzeugung hier immer wieder 
blanke Vermutungen und diverses Halbwissen als absolute Wahrheiten 
dargestellt werden. Herr Ostermann sei hierbei ausdrücklick ausgenommen.

So, und jetzt kräftig an die Minusbewertungen!

: Bearbeitet durch User
von Mi N. (msx)


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Auf der 2. Seite wird gezeigt, wie z.B. Heidenhain die sin/cos-Signale 
in den Gebern erzeugt: 
http://www.heidenhain.de/fileadmin/pdb/media/img/1172234-10_Offene_Laengenmessgeraete.pdf

Als Option hat man 11 µA oder 1 Vss Ausgangssignale. Bei den Gebern mit 
TTL-Ausgängen wird das Signal im Geber noch einmal aufbereitet.
Einfache Schmitt-Trigger reichen nicht aus, um z.B. aus einer 20 µm 
Sinus-Periode Signale mit 1 µm Auflösung zu zaubern. An der deutlich 
höheren Stromaufnahme dieser Geber (TTL-Signale) kann man erkennen, daß 
dort ein bißchen Elektronik verbaut ist.

N. M. schrieb:
> Warum gehst du mit dem analogen Signal nicht auf den Quadraturzähler UND
> auf 2 ADCs deines uC?
> Der Quadraturzähler zählt die schnellen Bewegungen die du bei einem 4096
> Striche Encoder bei 6000RPM nicht mit dem ADC erfassen kannst
> (Abtastrate). Zum Zyklus deiner Prozessdatengewinnung Latchst du den
> Quadraturzähler und die beiden ADCs SIMULTAN berechnest einen hoch
> aufgelösten Winkel innerhalb dieses Striches durch die ADC Werte (atan)
> und verheiratest den z.B 16Bit ADC Winkel mit einem 18Bit
> Quadraturzähler Winkel zu einem 32Bit Gesamtwinkel (2 Bit überlappen).
> Dann sparst du dir den IC Haus Chip.

Dem kann ich nur zustimmen.

Thorsten O. schrieb:
> Davon kann ich nur abraten. Das bekommt man nie 100% synchron hin. Die
> Zeit die man dann damit kämpft, Sprünge an den Quadrantenübergängen zu
> kaschieren ist deutlich teurer als die ICs von IC-Haus oder Gemac
> Chemnitz. Been there, done that.

Es gibt ja nicht nur schnell drehende Achsen, sondern auch Weggeber, mit 
geringer Verfahrgeschwindigkeit. Ein ATmega48 zur Auswertung ist 
ausreichend - ohne Sprünge an den Übergängen der Quadranten.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Tho S. schrieb:
> In folgendem Artikel steht:
> 
(http://www.next-community.de/fileadmin/media/whitepaper/files/Additive_WP_Inkrementalgeber_1.pdf)
>
>  "Aufgrund von Lichtstreuung entsteht beim Durchlaufen jedes Schlitzes
> zwischen Photozelle und LED statt eines dreieckigen ein nahezu
> sinusförmiger Spannungsverlauf."
>
> Ist dies nun die Erklärung für die negative Halbwelle des Sinus oder
> nicht?

Möglicherweise. Mann könnte auch weitere Effekte, wie bspw. die
richtungsabhängige Intensität/Empfindlichekeit der LED/Photodiode
nutzen, durch die das Dreiecksignal ebenfalls verrundet wird. Das
entstehende Signal wird aber in beiden Fällen nur eine grobe Näherung
eines echten Sinussignals darstellen, so dass sich der (sinnvoll
nutzbare) Auflösungsgewinn in Grenzen hält.

Weiter oben habe ich geschrieben, dass auch mit der Blendenform die
Signalform beeiflusst werden kann. Man kann bspw. statt der rechteckigen
Form etwas nehmen, was aussieht wie ein Auge, das oben und unten durch
jeweils eine Sinushalbwelle begrenzt wird und dessen Breite der der
Stiche und Lücken auf der Codescheibe entspricht (habe gerade keine
Zeit, eine Skizze anzufertigen, kann das aber heute Abend nachholen).
Damit ist die Lichtdurchtrittsfläche und damit theoretisch¹ auch der
Photostrom exakt proportional zu 1-cos(φ). Subtrahiert man davon einen
kostanten Strom, der gleich der Amplitude des Sinussignals ist, liegt
das entstehende Signal symmetrisch zum Nullpunkt.

> Also wird haben an der Uni sowohl optische Geber die ein TTL Signal
> ausgeben und einen Geber der ein Sin/Cos Signal ausgibt.

Dann schraube diesen Geber doch einfach auf und schau nach, was sich
darin verbirgt ;-)

Bernd G. schrieb:
> Es ist interessant, mit welch tiefer Überzeugung hier immer wieder
> blanke Vermutungen und diverses Halbwissen als absolute Wahrheiten
> dargestellt werden.

Da hier offensichtlich noch keiner einen solchen Drehgeber genauer von
innen angeschaut hat, bleibt und nichts anderes übrig, als Vermutungen
anzustellen.

Aber vielleicht kannst ja du etwas Fundierteres zur Fragestellung (s.
Thread-Titel) beisteuern?

Mi N. schrieb:
> Auf der 2. Seite wird gezeigt, wie z.B. Heidenhain die sin/cos-Signale
> in den Gebern erzeugt:
> 
http://www.heidenhain.de/fileadmin/pdb/media/img/1172234-10_Offene_Laengenmessgeraete.pdf

Wie es zu einem präzisen Sinussignal kommt, ist hier leider auch nicht
erklärt. Man kann aber entnehmen, dass das Signal des Photodetektors
noch einmal massiv nachbearbeitet wird, um Einflüsse durch Verschmutzung
auszuschalten. Bei so viel Nachbearbeitung würde es mich nicht wundern,
wenn da auch ein ungenauer Sinusverlauf noch etwas korrigiert wird. Auch
das ist aber nur eine Vermutung ;-)

—————————————
¹) d.h. bei gleichmäßiger Ausleuchtung und Vermeidung von Streulicht

von Mi N. (msx)


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Yalu X. schrieb:
> Wie es zu einem präzisen Sinussignal kommt, ist hier leider auch nicht
> erklärt. Man kann aber entnehmen, dass das Signal des Photodetektors
> noch einmal massiv nachbearbeitet wird, um Einflüsse durch Verschmutzung
> auszuschalten. Bei so viel Nachbearbeitung würde es mich nicht wundern,
> wenn da auch ein ungenauer Sinusverlauf noch etwas korrigiert wird. Auch
> das ist aber nur eine Vermutung ;-)

Das ist die Beschreibung, die ich auf die Schnelle gefunden habe. In 
älteren Beschreibungen war die Signalerzeugung (völlig ohne ASIC) besser 
dargestellt.
Die Nachbearbeitung der Signale ist neueren Datums, aber nicht für die 
Signalform entscheidend. Gerade habe ich noch einmal einen älteren MT12 
mit 11 µA Ausgängen von Heidenhain aufgeschraubt - definitiv keine 
zusätzliche Elektronik. Die Signalausgänge sind auch noch potentialfrei. 
Bei Nachfolgemodellen (ST12xx) ist das nicht mehr der Fall.
Um sinnvolle Fotos davon zu machen, müßte ich die Optik zerlegen. Da 
lasse ich aber schön die Finger von!

Bernd G. schrieb:
> So, und jetzt kräftig an die Minusbewertungen!

Auch Minuspunkte müssen erst einmal verdient werden ;-)

von Bernd G. (Firma: Bannerträger des Fortschritts) (berndg)


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> Da hier offensichtlich noch keiner einen solchen Drehgeber genauer von
> innen angeschaut hat, bleibt und nichts anderes übrig, als Vermutungen
> anzustellen.

Die Blenden-/optisch bzw. "Zahnradform"/magnetisch macht es.
Aus Kostengründen habe ich bisher darauf verzichtet, meine Neugier zu 
befriedigen. Soviel war mir der Erkenntnisgewinn (in meinem Falle 
nutzloses Wissen) dann doch nicht wert.
Im übrigen werden sich die Hersteller von Sin/cos-Drehgebern in den 
Details da sehr bedeckt halten.

von Falk B. (falk)


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@ Thorsten Ostermann (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite

>Deine Kompetenz auf anderen Feldern in allen ehren, aber hier solltest
>du dich besser zurückhalten...

;-)

>Übergang durch die Schlitzblende nicht schlagartig erfolgt, muss sich
>auch das Signal entsprechend kontinuiertlich ändern und nicht digital.
>Bei Digitalencodern wird das Signal einfach mit Komparatoren
>digitalisiert, weil es dann einfacher zu verarbeiten ist als ein sin/cos
>Signal.

Und wo ist jetzt DEINE kompente Antwort auf die eigentliche Frage des 
OPs?
Es ist auf der Suche nach dem Sin/Cos Signal . . .

von Mi N. (msx)


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Von 2003/04 und daher noch ein wenig auskunftsfreudiger.
Seite 10+11 in der 1.Anlage und Seite 7 der 2.Anlage.

von Bernd G. (Firma: Bannerträger des Fortschritts) (berndg)


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> Nach meinen Überlegungen müsste es ein Impulssignal geben, dass nicht
> sinusförmig ist, denn die negative Halbwelle ist ja nicht vorhanden.

> Wird ein zusätzliches Photoelement antiparallel beschaltet, bekommt das
> Signal einen Nulldurchgang und wird erst dann sinusförmig oder?

Es gibt keine negative Halbwelle und nichts antiparalleles. Sinus- bzw. 
Cosinuswellenzug liegen per Superposition (Offset) immer im positiven 
Bereich. Es wird in der Photodiode also nie ganz dunkel, sonder nur ein 
wenig dunkler (Spitze der negativen Halbwelle).
Das Ausgangssignal mit typ. 1 Vss schwankt genauso um einen Mittelwert 
von ca. 2,5 V.
Zur exakten Signalverarbeiten ist deshalb jedes der Ausganggsignale 
nochmal invertiert vorhanden. Die Weitervarbeitung bedarf also 
irgendwann im Signalweg der Verwendung von Differenzverstärkern. Der 
liefert dann beim offsetbehafteten Nulldurchgang auch wirklich 0 V.

von Mi N. (msx)


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Bernd G. schrieb:
> Das Ausgangssignal mit typ. 1 Vss schwankt genauso um einen Mittelwert
> von ca. 2,5 V.

Das liegt an der internen Elektronik, die den 0-Durchgang auf Vcc/2 
legt.

> Zur exakten Signalverarbeiten ist deshalb jedes der Ausganggsignale
> nochmal invertiert vorhanden. Die Weitervarbeitung bedarf also
> irgendwann im Signalweg der Verwendung von Differenzverstärkern.

Bei Stromsignalen ist das nicht notwendig, wenn man den invertierten 
Ausgang bei der Signalaufbereitung (I/U-Wandler) auf ca. Vcc/2 legt.
Auch bei TTL-Signalen ist bei kurzen Leitungen kein Differenzempfänger 
notwendig.

von Tho S. (thoso805)


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Danke für die vielen Antworten.

Kann man sagen, dass simplere Konstruktionen eines optischen Drehgebers 
ein dreieckförmiges Signal liefern und durch gezieltes Ausnutzen von:
- Lichtstreuung,
- der Eigenschaft der winkelabhängigen Empfindlichkeit eines 
Photoelements
-...
sowie durch die Wahl der Schlitzform, das detektierte Signal zu einem 
nahezu sinusförmigen Signal geformt werden kann?

von Falk B. (falk)


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@Tho So (thoso805)

>sowie durch die Wahl der Schlitzform, das detektierte Signal zu einem
>nahezu sinusförmigen Signal geformt werden kann?

Das glaube ich eher nicht. Wenn es schon optische Resolver sind, dann 
wird man auch den Aufwand treiben, dort eben keine digitalen 
Streifenmuster draufbringen sondern welchen mit analogen 
Helligkeitsabstufungen, welche dann die Sinussignale direkt ergeben.

Und Resolver und billig/einfach passt eher nicht zusammen ;-)

Das ist eher die Domäne der digitalen (mechanischen) Drehgeber.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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von Tho S. (thoso805)


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Falk B. schrieb:
> Das glaube ich eher nicht. Wenn es schon optische Resolver sind, dann
> wird man auch den Aufwand treiben, dort eben keine digitalen
> Streifenmuster draufbringen sondern welchen mit analogen
> Helligkeitsabstufungen, welche dann die Sinussignale direkt ergeben.

Okay. Ich kann mir grade leider nicht vorstellen wie analoge 
Helligkeitsabstufungen realisiert werden können. Gibt's da eine Skizze 
zu. Ich glaube das wollte jemand weiter oben bereits zeichnen, hat es 
aber nicht getan.

Tatsächlich fällt es mir schwer die Signalerzeugung eines optischen 
Drehgebers in einen Text zu verfassen, da es ziemlich uneindeutig ist, 
wie die Signale entstehen bzw wie weit sie aufbereitet werden.
Möglicherweise wären die analogen Helligkeitsabstufungen ein Weg um es 
zu erklären.

In der Arbeit die vor mir geschrieben wurde, ist es einfach so 
beschrieben, dass die Signale sinusförmig detektiert werden. Es geht 
zwar um einen Lineargeber mit sin/cos Ausgang aber da müsste die 
Signalerzeugung eines sinusförmigen Signals ja die gleichen Hintergründe 
haben. Ich weiß nicht ob ich mich da verrenne...

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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http://www.servotechnik.de/fachwissen/geber/f_beitr_00_403.htm

Das ist der Urtyp der induktiven Resolver, wie er auch in Wikipedia 
beschrieben ist.

von Falk B. (falk)


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@ Tho So (thoso805)

>Okay. Ich kann mir grade leider nicht vorstellen wie analoge
>Helligkeitsabstufungen realisiert werden können.

OMG! Hast du noch NIE ein Dia in der Hand gehabt? Dort gibt es sogar 
FARBIGE Helligkeitsabstufungen! Man kann diverse Materialien, 
Kunststoffe, Folien, Filmmaterial in nahezu beliebigen Anstufungen 
eintrüben, von glasklar bis pechschwarz.

>Tatsächlich fällt es mir schwer die Signalerzeugung eines optischen
>Drehgebers in einen Text zu verfassen, da es ziemlich uneindeutig ist,

Ein Bild sagt mehr als tausend Worte.

>In der Arbeit die vor mir geschrieben wurde, ist es einfach so
>beschrieben, dass die Signale sinusförmig detektiert werden.

Jaja, so kann man sich aus aus der Affäre ziehen ;-)

> Es geht
>zwar um einen Lineargeber mit sin/cos Ausgang aber da müsste die
>Signalerzeugung eines sinusförmigen Signals ja die gleichen Hintergründe
>haben. Ich weiß nicht ob ich mich da verrenne...

Es gibt mehrere Verfahren. Welches nun bei DEINEM Geber genutzt wird, 
sollte der Hersteller wissen.

von Tho S. (thoso805)


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Falk B. schrieb:
> Es gibt mehrere Verfahren. Welches nun bei DEINEM Geber genutzt wird,
> sollte der Hersteller wissen.


Da ich die optischen Drehgeber allgemein beschreiben will, muss ich es 
irgendwie verallgemeinern.

Der im Bild sichtbare Geber, wäre einer von denen, die ich verwenden 
soll.

Mit welchem Bild soll ich denn darstellen wieso das Signal sinusförmig 
wird?
Jeder denkt doch, dass eigentlich ein dreieckförmiges Signal entsteht, 
wenn man die Skizze im Anhang betrachtet.

von Soul E. (souleye) Benutzerseite


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Tho S. schrieb:

> Jeder denkt doch, dass eigentlich ein dreieckförmiges Signal entsteht,
> wenn man die Skizze im Anhang betrachtet.

Dann mal die radialen Striche auf der Teilungsscheibe mit einem weichen 
Bleistift. So wie dargestellt sieht es wirklich eher nach hartem 
Schwarz/Weiss aus und nicht nach sinusförmigem Übergang.

von Falk B. (falk)


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@ Tho So (thoso805)

>Da ich die optischen Drehgeber allgemein beschreiben will, muss ich es
>irgendwie verallgemeinern.

Ja was denn nun? Im deinen letzten Beitrag war noch von einem 
Lineargeber mit SIN/COS Ausgang die Rede!!!

Drehgeber haben in den allermeisten Fällen zwei bzw. drei 
Digitalausgänge, welche rein digital über eine passende Logik 
verarbeitet werden.

>Der im Bild sichtbare Geber, wäre einer von denen, die ich verwenden
>soll.

Das ist ein Drehgeber. Die haben mit SIN/COS nichts zu tun. ALLERDINGS 
sind deren beide Ausgangssignale A und B auch wie bei SIN/COS um 90° 
phasenverschoben.

>Mit welchem Bild soll ich denn darstellen wieso das Signal sinusförmig
>wird?

Gar nicht, denn das wird es nie.

>Jeder denkt doch, dass eigentlich ein dreieckförmiges Signal entsteht,
>wenn man die Skizze im Anhang betrachtet.

Sehr witizig. Aus der Skizze geht so gut wie GAR  NICHTS hervor, wie das 
Signal entsteht. Dazu braucht es schon eine GUTE Skizze, welche die 
DETAILS der Optik darstellt.

von Tho S. (thoso805)


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Falk B. schrieb:
> Ja was denn nun? Im deinen letzten Beitrag war noch von einem
> Lineargeber mit SIN/COS Ausgang die Rede!!!

Ich rede schon die ganze zeit von optischen DREHgebern, bloß hat sich 
meinVorgänger mit einem Lineargeber beschäftigt der einen Sin/Cos 
Ausgang hat.

wieso hat mein Geber nichts mit sin/cos zutun? Der Ausgang des Gebers 
ist ein sin/cos Signal....

von Falk B. (falk)


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@ Tho So (thoso805)

>> Ja was denn nun? Im deinen letzten Beitrag war noch von einem
>> Lineargeber mit SIN/COS Ausgang die Rede!!!

>wieso hat mein Geber nichts mit sin/cos zutun?

Weil es ein Drehgeber und kein Resolver ist.

> Der Ausgang des Gebers ist ein sin/cos Signal....

Nö. Zeig doch mal.

von Tho S. (thoso805)


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Signale eines inkrementalen Messsystems

Um die Bewegungsrichtung zu ermitteln, erfolgt die Abtastung mittels 
zwei elektrisch um 90° versetzten Fotoempfänger (Signal A und B). Für 
eine Referenzpunktermittlung ist außerdem (zu den beiden um 90° 
versetzten A und B-Kanal) ein Nullimpuls (Signal R) nötig, welcher 
abstandscodiert, bei Drehgebern einmal pro Umdrehung oder bei einfachen 
Maßstäben einmal pro Messlänge auftritt. Um Störungen auf 
Signalleitungen entgegenzuwirken werden zudem invertierte Signale, die 
sogenannten Komplementärsignale, eingesetzt. Je nach Ausführung werden 
die Ausgangssignale als Sinusstrom (11µA SS), als Sinusspannung (1V SS) 
oder als rechteckförmiges TTL-Signal (5V) ausgegeben.
http://www.fachlexika.de/technik/mechatronik/sensor.html

Hier hat ein inkrementeller Drehgeber wohl einen sin/cos Ausgang?

Sorry wenn ich dich nicht richtig verstehe...

Ich finde leider kein Datenblatt oder sonst irgendetwas zu meinem 
Hengstler Geber...

: Bearbeitet durch User
von Tho S. (thoso805)


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N. M. schrieb:
> Nein, es gibt auch Sinus Cousins Geber die nicht modulieren wie ein
> Resolver und trotzdem analoge Ausgangssignal besitzen. Siehe z.B. bei
> Sick Stegmann nach Sinus Cousins Geber.
> Sie zählen zwar zu den Inkremental-Geber (sind also nicht Singleturn
> Absolut) aber haben dafür teilweise bis zu 4096 Striche pro mechanische
> Umdrehung. Der Vorteil dabei ist, das eine wesentlich hochaufgelöstere
> Position als bei einem vergleichbaren Quadraturencodersignal (Digital)
> erfasst werden kann da sämtliche Zwischenschritte durch das analog
> Signal vorhanden sind.
> Wenn man die TTL/HTL Variante der Geber zerlegt, sieht man oft das nach
> den analogen Signalen einfach ein Schmitt Trigger +Treiber sitzt und
> dadurch die digitale Variante erzeugt wird.
> Teilweise gibt es die Analogen dann auch noch mit Datenkanal wo neben
> den analogen Signalen (Motorführung) auch noch die Multiturnposition
> (Strecke) über einen zuzüglichen Datenkanal übertragen wird (Hiperface).

Das hat doch außerdem schon jemand oben geschrieben

von Falk B. (falk)


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@Tho So (thoso805)

>Hier hat ein inkrementeller Drehgeber wohl einen sin/cos Ausgang?

jain, das ist aber eher allgemeines Blabla nach dem Motto "everything 
goes".

>Ich finde leider kein Datenblatt oder sonst irgendetwas zu meinem
>Hengstler Geber...

Wirklich? Was ist damit? Schon mal gegoogelt?

http://www.hengstler.de/de/s_c10030224i9294/RI76_Inkremental_RI76TD/5000AD.1A40RF-F0/538151.html

Das ist ein Drehgeber mit 5000 Strich/U und RS422 Ausgängen. Nix 
SIN/COS!!!

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Mi N. schrieb:
> Von 2003/04 und daher noch ein wenig auskunftsfreudiger.

Super! Beim Überfliegen dieser Dokumente fiel es mir wie Schuppen von
den Augen. Die Antwort auf die Frage des TE ist – zumindest was die
Heidenhain-Sensoren betrifft – erschreckend banal.

Da ich jetzt aber weg muss, liefere ich die Antwort später. Vielleicht
kommt ja in der Zwischenzeit sonst noch jemand auf des Rätsels Lösung :)


Falk B. schrieb:
> Wenn es schon optische Resolver sind, dann wird man auch den Aufwand
> treiben, dort eben keine digitalen Streifenmuster draufbringen sondern
> welchen mit analogen Helligkeitsabstufungen, welche dann die
> Sinussignale direkt ergeben.

Ich habe den Eindruck, dass Hersteller wie Heidenhain schon sehr stolz
darauf sind, überhaupt optische Strukuren im Bereich von 1µm drucken zu
können. Jetzt soll das Ganze auch noch mit genau definierter Transparenz
(also bspw. mit variabler Schichtdicke) oder gar variabler Reflektivität
geschehen? Ich glaube da erwartest du etwas zuviel.

von Tho S. (thoso805)


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Falk B. schrieb:
> Das ist ein Drehgeber mit 5000 Strich/U und RS422 Ausgängen. Nix
> SIN/COS!!!

dann habe ich mir diese Woche den falschen rausgesucht. Muss ich wohl 
nächste Woche nochmal schauen. Denn es soll definitiv ein inkrementeller 
Drehgeber mit sin/cos Ausgang sein.

Dann bin ich mal auf Yalu gespannt.

von Bernd G. (Firma: Bannerträger des Fortschritts) (berndg)


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Als gedankliche Hilfestellung mal unter "Lichttonverfahren" und 
"Hammondorgel" suchen. Die Ergebnisse können dann auf optische und 
magnetische Sincos-DG extrapoliert werden.

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Falk,

>>Da ich die optischen Drehgeber allgemein beschreiben will, muss ich es
>>irgendwie verallgemeinern.
>
> Ja was denn nun? Im deinen letzten Beitrag war noch von einem
> Lineargeber mit SIN/COS Ausgang die Rede!!!
>
> Drehgeber haben in den allermeisten Fällen zwei bzw. drei
> Digitalausgänge, welche rein digital über eine passende Logik
> verarbeitet werden.

[...]

> Das ist ein Drehgeber. Die haben mit SIN/COS nichts zu tun. ALLERDINGS
> sind deren beide Ausgangssignale A und B auch wie bei SIN/COS um 90°
> phasenverschoben.

Unsinn. Nochmal: Das Signal an der Schnittstelle nach außen entsteht 
durch die interne Signalaufbereitung. Auch ein Drehgeber mit TTL-Ausgang 
hat intern analoge Signale. Und ob Drehgeber oder Linearmaßstab ist in 
Hinblick auf die Ausgangsschnittstelle völlig egal. Das zugrunde 
liegende Messprinzip ist das gleiche.

Und damit du mir das jetzt endlich glaubst habe ich mal in meiner 
Bibliothek für dich gekramt:
http://mechapro.de/pdf/Heidenhain_Messprinzip.pdf
Quelle: Ernst, Alfons: "Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik", Verlag 
Moderne Industrie, 1998.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Falk,

>>sowie durch die Wahl der Schlitzform, das detektierte Signal zu einem
>>nahezu sinusförmigen Signal geformt werden kann?
>
> Das glaube ich eher nicht. Wenn es schon optische Resolver sind, dann
> wird man auch den Aufwand treiben, dort eben keine digitalen
> Streifenmuster draufbringen sondern welchen mit analogen
> Helligkeitsabstufungen, welche dann die Sinussignale direkt ergeben.

Erklär mir bitte mal, was ein optischer Resolver ist. Ich kenne nur 
induktiv arbeitende Resolver.

> Und Resolver und billig/einfach passt eher nicht zusammen ;-)
>
> Das ist eher die Domäne der digitalen (mechanischen) Drehgeber.

Resolver sind in der Servotechnik die billigsten Messsysteme, die 
eingesetzt werden, wenn sin/cos-Geber zu teuer sind. Ein offener Encoder 
mit TTL-Schnittstelle (Avago o.ä.) ist natürlich noch billiger, aber der 
hat auch kein Gehäuse und meist nur 500-100 Striche/U.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Falk B. (falk)


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@ Thorsten Ostermann (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite

>> Das ist ein Drehgeber. Die haben mit SIN/COS nichts zu tun. ALLERDINGS
>> sind deren beide Ausgangssignale A und B auch wie bei SIN/COS um 90°
>> phasenverschoben.

>Unsinn.

NaNaNa!

> Nochmal: Das Signal an der Schnittstelle nach außen entsteht
>durch die interne Signalaufbereitung. Auch ein Drehgeber mit TTL-Ausgang
>hat intern analoge Signale.

Das sind Spitzfindigkeiten!!! Einfache Drehgeber haben mechanische 
Kontakte, die sind ein oder aus! Das IST Digital! Und erzähl mir bitte 
nicht, der Schaltmoment wäre analog! Ebenso einfache optische Drehgeber, 
wie sie millionenfach in mechanischen Mäusen verbaut waren. IR-LED, 
Lochscheibe, Phototransistor. Daß dahinter noch ein Schmitt-Trigger 
kommt ist wohl war, macht aus dem System aber nicht wirklich was "echt 
analoges".

>Und damit du mir das jetzt endlich glaubst habe ich mal in meiner
>Bibliothek für dich gekramt:
>http://mechapro.de/pdf/Heidenhain_Messprinzip.pdf
>Quelle: Ernst, Alfons: "Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik", Verlag
>Moderne Industrie, 1998.

Alles schön und gut, geht aber am eigentlichen Problem des OP vorbei.

1.) Der OP war die ganze Zeit auf dem Holzweg mit SEINEM, speziellen 
Drehgeber, denn der ist ein normaler ohne SIN/COS Ausgang.
2.) Dein Buchausschnitt erklärt nicht, warum die lineare Verschiebung 
von Schlitzen gegenüber anderen, durchleuchteten Schlitzen eine 
sinusförmige Aussteuerung ergibt. Denn die solle ja eigentlich eher 
linear bzw. dreieckförmig sein. Und von nicht rechteckigen Ausscnitten 
etc. ist dort nicht die Rede. Also, worin liegt der Trick? DAS ist die 
große Frage an die Insider. Ich bin auf deine Antwort gespannt.

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Von mechanischen Drehgebern war im OP nie die Rede. Dort wird von 
Schlitzscheibe gesprochen, also geht es um optische Geber. Glaubst du 
die Physik funktioniert in einer Maus mit Gabellichtschranke anders als 
in einem Geber für einen Servomotor? Du kannst ja gerne mal Messungen 
machen...

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Falk B. (falk)


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@ Thorsten Ostermann (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite

>Erklär mir bitte mal, was ein optischer Resolver ist.

Einer, der mittels optischer Methoden den Drehwinkel bestimmt. Ob der in 
der Praxis weit verbreitet ist, weiß ich nicht.

> Ich kenne nur induktiv arbeitende Resolver.

http://www.mykeyhole.com/optoresolver/technology/optoresolver_technology.htm

>> Und Resolver und billig/einfach passt eher nicht zusammen ;-)
>>
>> Das ist eher die Domäne der digitalen (mechanischen) Drehgeber.

>Resolver sind in der Servotechnik die billigsten Messsysteme, die
>eingesetzt werden, wenn sin/cos-Geber zu teuer sind.

Tja, hier scheint sich ein sprachliches Problem aufzutun. Resolver 
liefern auch SIN/COS Signale. Wie unterscheidest du die nun von SIN/COS 
Gebern?

Und zum Thema billig und teuer gibt es verschiedene Aussagen im Netz. 
Wie die Praxis aussieht weiß ich nicht, ich arbeite nicht in der 
Branche. Ich hatte mal vor 10 Jahren einen kleinen Testaubau gebaut, wo 
ich per EnDat 2.2 die Daten von einem recht teuren 
Haidenhain-Inkrementalgeber ausgelesen hab, der hatte wohl um die 20 Bit 
Auflösung/U (natürlich interpoliert). Das wars dann.

https://www.dynapar.com/content.aspx?id=43

"Resolvers have one more advantage: they're inexpensive. Since they're 
built very much like motors, they can be made with automated equipment 
that keeps the price down.

Disadvantages: Resolvers are not without their own drawbacks. The 
biggest is the need for interfacing electronics. The conversion of a 
resolver output to digital is far more complex than an analog to digital 
conversion. First, an oscillator sends a sine wave interrogation signal 
to the resolver. Second, the sensor modifies the signal, which then has 
to be interpreted into a series of sine waves. Finally, the signal is 
interpolated into a digital signal. The cost of the electronics to do 
all this can be three to five times the cost of the resolver itself."

;-)

von Tho S. (thoso805)


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Falk B. schrieb:
> 1.) Der OP war die ganze Zeit auf dem Holzweg mit SEINEM, speziellen
> Drehgeber, denn der ist ein normaler ohne SIN/COS Ausgang.

Es geht defintiv um einen inkrementellen Drehgeber mit Sin/Cos Ausgang.
Wenn der auf dem Bild keiner war, dann habe ich mich vergriffen und im 
Regal liegt noch ein anderer, der ein sin/cos Signal ausgibt.

Falk B. schrieb:
> 2.) Dein Buchausschnitt erklärt nicht, warum die lineare Verschiebung
> von Schlitzen gegenüber anderen, durchleuchteten Schlitzen eine
> sinusförmige Aussteuerung ergibt. Denn die solle ja eigentlich eher
> linear bzw. dreieckförmig sein. Und von nicht rechteckigen Ausscnitten
> etc. ist dort nicht die Rede. Also, worin liegt der Trick? DAS ist die
> große Frage an die Insider. Ich bin auf deine Antwort gespannt.

Ich bin auch gespannnt...

Nach jetzigem stand würde ich davon ausgehen, dass eine Art 
Dreiecksignal von den Photoelementen detektiert wird und dann dieses 
analoge Signal von einer Schaltung aufbereitet und verstärkt wird, damit 
ein sin/cos oder ein digitales Rechtecksignal (TTL HTL) zur Auswertung 
zur Verfügung steht.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Kurzfassung:

Das Sinus/Cosinus-Signal muss nicht von besonders guter Qualität sein,
um die von Heidenhain spezifizierten Genauigkeitsangaben zu erfüllen.
Selbst der durch ein Dreiecksignal verursachte Fehler würde locker
innerhalb der Gesamttoleranz der Drehgeber liegen und die Toleranz
innerhalb einer Signalperiode nur knapp verfehlen.

Die Abtastvorrichtung würde theoretisch ein Dreiecksignal liefern.
Dieses wird aber durch verschiedene Dreckeffekte etwas verschliffen,
wodurch es einem Sinussignal zwar ähnelt, aber immer noch deutliche
Abweichungen aufweist.

Das Signal wird also einfach so genommen, wie es kommt, und die zu
erwartenden Abweichungen, die auch von Bauteil- und Fertigungstoleranzen
abhängen, werden in den Genauigkeitsangaben berücksichtigt. Diese sind
deswegen doch nicht ganz so toll, wie ich das ursprünglich erwartet
hätte.

Das bedeutet aber auch, dass man durch Interpolation zwar die Auflösung
nahezu beliebig erhöhen kann, die Genauigkeit aber nur in relativ engen
Grenzen.


Langfassung:

Wie groß wird der maximale Fehler, wenn das Sinus- und Cosinus-Signal
durch zwei um 90° phasenverschobene Dreiecksignale ersetzt wird?

Es genügt, eine Viertelperiode, also den Bereich von 0 bis 90° bzw. 0
bis π/2 zu betrachten, da sich danach der Signalverlauf gespiegelt
und/oder mit geändertem Vorzeichen wiederholt.

Innerhalb dieses Bereichs hat das Dreiecksignal, das dem Sinus
entsprechen soll, die Funktionsgleichung

Das zweite, dem Cosinus entsprechende hat die Gleichung

Dies ist im Diagramm dreieck.png dargestellt.

Der interpolierte Messwert ergibt sich aus dem Arcustanges2 der beiden
Signale. Im betrachteten Intervall ist er

Im Diagramm vergleich.png erkennt man, dass der Messwert bei Annäherung
des Sinus- und Cosinus-Signals durch Dreiecksignale an drei Stellen (0,
π/4 und π/2) korrekt sind, dazwischen aber einen Linearitätsfehler
aufweist. Die maximale Abweichung beträgt

Kleine Anmerkung am Rande: So viele π sieht man selten in einer Formel
dieser Größe :)


Und wie groß ist die von Heidenhain angegebene Genauigkeit?

Schauen wir dazu in das von Mi No gepostete Dokument 208_945-15-pdf:

Für die einzelnen Messtastertypen ist jeweils die Systemgenauigkeit
angegeben, die sämtliche Fehlerquellen berücksichtigt.

Der CERTO (S. 18/19) hat eine Teilungsperiode von 4µm und eine
Systemgenauigkeit von 0,1µm ohne Kompensation. Der Fehler durch die
Dreiecksignale wäre 4µm·0,0113=0,045µm, liegt also deutlich darunter.
Den METRO (S. 20/21) gibt es mit mehreren verschiedenen
Teilungsperioden, die Systemgenauigkeit ist immer 5% der
Teilungsperiode. Hier fällt die Annäherung durch Dreiecksignale mit
einem Fehler von 1,13% der Teilungsperiode also noch weniger ins Gewicht

Auf S. 12 wird eine weitere Fehlergröße spezifiziert, nämlich die
Positionsabweichung innerhalb einer Signalperiode, die wohl direkt dem
Fehler auf Grund des verzerrten Sinussignals entspricht. Aus der Tabelle
ist ersichtlich, dass diese Abweichung etwa 1% der Teilungsperiode
beträgt. Beim Dreiecksignal ist die Abweichung mit 1,13% nur
unwesentlich größer. Dewegen dürfte schon ein leichtes Verschleifen des
Signals genügen, um den Tabellenwerten zu entsprechen. Von einem
perfekten Sinussignal ist man damit aber noch weit entfernt.

Auf S. 36 ist die Rede von "annähernd sinusförmigen Signalen". Der
Hersteller ist sich also durchaus bewusst, dass die Signale nicht
besonders genau sind, sonst hätte er das "annähernd" weggelassen.

Zitat aus dem anderen Dokument (349_529-15.pdf):

1
Zur Geschwindigkeitsregelung sind Interpolationsfaktoren von größer
2
1000 üblich, um auch bei niedrigen Drehzahlen noch verwertbare
3
Geschwindigkeitsinformationen zu erhalten.

Das sind Größenordnungen mehr als die durch die Sin/Cos-Auswertung
erzielte Genauigkeitssteigerung. Hier haben wir es also mit einer
Anwendung zu tun, wo die Auflösung tatsächlich wesentlich wichtiger ist
als die Genauigkeit. Eine hohe Auflösung kann aber problemlos auch durch
ein verzerrtes Sinus- oder gar ein Dreiecksignal erreicht werden.

Die weiter oben von mir vorgeschlagene "Augen"-Blende, mit der im
Gegensatz zur Schlitzblende ein (zumindest in der Theorie) sauberes
Sinussignal erzeugt werden kann, könnte die Genauigkeit der Sensoren
also durchaus noch erhöhen. Dumm nur, dass ich die Idee hier vorschnell
veröffentlicht habe und mir damit ein Haufen Geld verloren geht ;-/

: Bearbeitet durch Moderator
von Axel S. (a-za-z0-9)


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Tho S. schrieb:
> Signale eines inkrementalen Messsystems

Das ist doch von vorn bis hinten Bullshit.

> Um die Bewegungsrichtung zu ermitteln, erfolgt die Abtastung mittels
> zwei elektrisch um 90° versetzten Fotoempfänger (Signal A und B).

Und schon falsch. Selbst wenn es Fotoempfänger sein sollten, dann sind 
die nicht "elektrisch" um 90° versetzt. Die Empfänger sind mechanisch 
versetzt, was in zeitlich versetzten Signalen resultiert.

> Hier hat ein inkrementeller Drehgeber wohl einen sin/cos Ausgang?

Nein. Ein inkrementeller Sensor ist ein inkrementeller Sensor und kann 
entweder digitale oder analoge (sin/cos) Ausgänge haben. Es gibt genau 
gar keinen Grund, beide Sensor-Prinzipien hier in einen Topf zu werfen

von Tho S. (thoso805)


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Vielen Dank Yalu für deine Mühe.

Hätte vermutet dass der Fehler größer ist.
Mich würde mal interessieren wie so ein blankes ungeformtes 
"sinusförmiges" Signal, das von dem Photoelement eines opt. Drehgebers 
detektiert wird, aussieht. Es ist wahrscheinlich ein nicht definiertes 
Signal, welches mit viel Fantasie, als sinusartig, beschrieben werden 
kann   :D

Für die Theorie habe ich folgenden Artikel gefunden, der mich 
literarisch zufrieden stellt.

http://www.ifm.com/obj/S400d.pdf

Danke auch an alle anderen!

: Bearbeitet durch User
von Mi N. (msx)


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Yalu X. schrieb:
> Die Abtastvorrichtung würde theoretisch ein Dreiecksignal liefern.
> Dieses wird aber durch verschiedene Dreckeffekte etwas verschliffen,
> wodurch es einem Sinussignal zwar ähnelt, aber immer noch deutliche
> Abweichungen aufweist.

Diese "Dreckeffekte" sind für den Physiker Beugung am Spalt, die bei 
diesen kleinen Strukturen schon deutlich wird. Der Vergleich mit der 
Abtastung bei einer Computermaus paßt hier nicht. Ebenso paßt nicht, 
einem Drehgeber ein Rechtecksignal aufzuzwingen, nur weil das eigene 
Blickfeld nicht mehr hergibt.

Wie Yalu schon geschrieben/gerechnet hatte, reichen sinusähnliche 
Signale voll aus, um die erzielbare mechanische Genauigkeit voll 
aufzulösen (100-fache Auflösung der Signalperiode). Eine geringere 
20-fach Auflösung erreicht man mit ein paar Komparatoren, die die 
gegenseitige Phasenlage auswerten.
Dies noch zur elektronischen Seite (Signalauswertung), ansonsten ist ja 
schon alles gesagt.

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