Was ist ein Encoder?
Ein Encoder (Geber) ist ein Sensorelement, das physikalische Bewegungen wie Drehwinkel, lineare Verschiebung oder Geschwindigkeit in elektrische Signale umwandelt. Diese Signale dienen der Echtzeitüberwachung, Rückkopplung und Steuerung durch digitale Systeme wie SPS, Antriebe oder Industrie-PCs. In Bereichen wie Industrieautomation, Robotik, CNC-Maschinen, Medizintechnik oder Luft- und Raumfahrt spielt der Encoder eine zentrale Rolle bei der Umsetzung von Regelkreisen und hochpräziser Positionsbestimmung.
Übersicht über Encoder-Typen (Comprehensive Classification of Encoders)
Encoder lassen sich nach verschiedenen technischen Kriterien einteilen, hauptsächlich nach Messprinzip, Signaltyp, Sensortechnologie und Schnittstelle.
1. Nach Messprinzip (By Measurement Format)
| Typ | Beschreibung |
|---|---|
| Drehgeber (Rotary Encoder) | Erfasst rotatorische Bewegungen, z. B. Motorwellen oder Drehteller |
| Lineargeber (Linear Encoder) | Misst lineare Bewegungen, z. B. bei Werkzeugmaschinen oder Positioniertischen |
| Seilzuggeber (Draw Wire Encoder) | Misst lange Verfahrwege über ein gespanntes Drahtseil |
| Encoder-Kits (Encoder Kit) | Modulbauweise ohne Gehäuse, ideal zur Integration in Kleinstantriebe |
2. Nach Signaltyp (By Signal Output Type)
| Typ | Beschreibung |
|---|---|
| Inkrementalgeber (Incremental Encoder) | Gibt relative Bewegungen über A/B/Z-Impulse aus, kontinuierliches Zählen notwendig |
| Absolutwertgeber (Absolute Encoder) | Gibt eindeutige Positionswerte aus, auch nach Stromausfall |
| Analoggeber (Analog Encoder) | Gibt kontinuierliche Spannungs- oder Stromwerte (z. B. 0–10 V, 4–20 mA) aus |
3. Nach Sensortechnologie (By Sensing Technology)
| Technologie | Merkmale und Anwendungen |
|---|---|
| Optisch (Optical) | Höchste Auflösung, ideal für saubere Umgebungen mit hoher Genauigkeit |
| Magnetisch (Magnetic) | Unempfindlich gegenüber Staub und Öl, für raue Industrieumgebungen |
| Kapazitiv (Capacitive) | Kompakt, vibrationsfest, stromsparend, für Präzisionsgeräte geeignet |
| Induktiv (Inductive) | Sehr störfest, ideal für schwere Maschinen und sicherheitsrelevante Anwendungen |
4. Nach Schnittstelle (By Communication Interface)
| Schnittstelle | Beschreibung |
|---|---|
| A/B/Z Impulse | Standardausgang für Inkrementalgeber, weit verbreitet |
| Analoge Schnittstelle | Für ältere Steuerungen und einfache Anwendungen |
| Serielle Schnittstelle (SSI/BiSS) | Hohe Präzision und Echtzeitfähigkeit |
| Feldbus (CANopen/Profibus) | Flexible Struktur, Mehrknotenkommunikation möglich |
| Industrial Ethernet (EtherCAT/Profinet) | Hohe Echtzeitfähigkeit für moderne Automatisierungssysteme |
Funktionsweise von Encodern (How Encoders Work)
Ein Encoder besteht typischerweise aus:
- Bewegungselement: Drehwelle, Linearführung oder Seilzug
- Codierscheibe/Magnetband: Enthält das Positionsmuster
- Sensorik: Z. B. Lichtschranken, Magnetsensoren, kapazitive Elemente
- Signalverarbeitung: Wandelt Rohsignale in standardisierte Ausgangssignale um
- Schnittstelle: Zur Kommunikation mit Steuerungssystemen
Je nach Encoder-Typ erfolgt die Positionsbestimmung auf unterschiedliche Weise – optisch per Lichtdurchlass, magnetisch über Feldveränderung oder kapazitiv über elektrische Felder.
Wichtige Kenngrößen von Encodern (Key Performance Metrics)
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Auflösung (Resolution) | Anzahl der Signale pro Bewegungseinheit (z. B. Impulse/Umdrehung oder Bit) |
| Genauigkeit (Accuracy) | Abweichung zwischen realem und gemessenem Wert |
| Wiederholgenauigkeit (Repeatability) | Messkonsistenz bei mehrfacher Messung derselben Position |
| Maximale Frequenz | Maximale Geschwindigkeit, mit der Signale korrekt ausgegeben werden |
| Ausgangspegel | Elektrische Standards wie TTL, HTL oder RS422 |
| Schutzart (IP) | Schutz gegen Staub und Wasser gemäß IP65, IP67 usw. |
Typische Einsatzgebiete von Encodern (Common Applications)
- Industrieautomation: Förderbandpositionierung, Servoregelung, elektrische Zylinder
- CNC-Werkzeugmaschinen: Achspositionserfassung, Werkzeugwechsel
- Robotik: Gelenkwinkelerfassung, mobile Plattformnavigation
- Medizintechnik: Steuerung von MRT-/CT-Scannern
- Erneuerbare Energien: Windrichtungsregelung, Solarnachführung
- Luft- und Raumfahrt: Steuerung von Ruderflächen, Lageüberwachung
Aufbau und Signaldarstellung von Encodern
Abb. 1: Standard-Drehgeber im Gehäuse
Abb. 2: Schematischer Aufbau mit Codierscheibe, Sensorik und Elektronik
Relevante Normen (Relevant Standards)
- IEC 60050-351: Industrielle Messtechnik-Terminologie
- ISO 13849: Maschinensicherheitsanforderungen (inkl. Sicherheits-Encoder)
- IEC 60529: IP-Schutzklassifizierung für Gehäuse
- IEC 61800-5-2: Funktionale Sicherheit elektrischer Antriebe
- CiA 406: CANopen-Profil für Encoder
- IEC 61158: Definition von Feldbus-Protokollen
Glossar (Glossary)
| Begriff | Bedeutung |
|---|---|
| PPR | Impulse pro Umdrehung (Pulses Per Revolution) |
| CPR | Zählungen pro Umdrehung (Counts Per Revolution) |
| Z-Impuls | Referenzsignal pro Umdrehung bei Inkrementalgebern |
| TTL | 5V-Digitalsignal-Standard |
| HTL | 10–30V-Ausgang, hohe Störfestigkeit |
| RS422 | Differenzielles Hochgeschwindigkeitssignal |
| SSI | Synchrones serielles Interface, v. a. für Absolutgeber |
| BiSS | Offenes, leistungsstarkes serielles Kommunikationsprotokoll |
Fazit: Encoder sind die Brücke zwischen physikalischen Bewegungen und digitalen Steuerungen. Wer ihre Funktionsweise, Bauformen, Schnittstellen und Standards versteht, kann sie optimal in Automatisierungs- und Präzisionssysteme integrieren.