Im Bereich der Elektronik begegnet man dem Begriff „Quadratur“ häufig in verschiedenen Kontexten, beispielsweise bei Quadratur-Encodern oder der Quadratur-Signalverarbeitung. Doch was genau ist Quadratur und welche Funktion hat sie? Im Folgenden werden die Bedeutung von Quadratur und die Funktionsweise von Quadratur-Encodern erläutert.
Der industrielle Drehgeber ist ein Drehsensor, der die Drehbewegung in eine Folge digitaler Impulssignale umwandelt. Diese Impulse können zur Steuerung der Winkelverschiebung genutzt werden. In Kombination mit einem Zahnrad oder einer Spindel kann der Drehgeber auch zur Messung der linearen Verschiebung eingesetzt werden.
Die Geschichte der Quadratur
Obwohl der Begriff „Quadratur“ vor allem in der Elektronik gebräuchlich ist, stammt er ursprünglich aus dem antiken Griechenland. Damals versuchten Mathematiker, gekrümmte Bereiche mithilfe von Quadraten zu modellieren. Auch wenn diese Methode im Vergleich zu unseren heutigen Integral- und Pi-Berechnungen recht rückständig erscheint, lassen sich alle Objekte in unserem Alltag, selbst gekrümmte, aus unzähligen kleinen Quadraten zusammensetzen. Der Quadratur-Drehgeber kann die unbekannte Rotation bei der Ausführung von Aufgaben in Rechteckimpulse zerlegen.
Dreh- und Linear-Quadraturgeber
Beim Fanuc-Motor-Encoder bedeutet Quadratur, dass zwei Rechtecksignale, die Bewegung und Richtung anzeigen, um 90 Grad bzw. eine Viertelperiode phasenverschoben empfangen werden. Es handelt sich also um einen Rechteckwellenmodus. Diese Signale können durch Licht oder physischen Kontakt erzeugt werden. Bei optischen Drehgebern sind in gleichmäßigen Abständen Scheiben mit Signalfenstern angeordnet, durch die Licht hindurchtreten kann. Befindet sich der Sensor im Bereich des Signalfensters, ist sein Ausgangspegel hoch, andernfalls niedrig.
Auf diese Weise kann der Fanuc-Spindel-Encoder unterschiedliche Signale ausgeben. Bei einer Drehung im Uhrzeigersinn befindet sich der andere Sensor in einem definierten Zustand, sobald ein Sensor eine bestimmte Umwandlung durchführt. Beispielsweise zeigt Sensor B bei einer Drehung im Uhrzeigersinn ein niedriges Signal an, wenn Sensor A bei 180° von High auf Low wechselt. Wechselt Sensor A hingegen von High auf Low und Sensor B zeigt bereits ein hohes Signal an, dreht sich das Rad tatsächlich gegen den Uhrzeigersinn.
Der Drehweg des Drehmechanismus kann über Impulse auf einem einzelnen Kanal gemessen werden. Fanuc-Absolutwertgeber verwenden üblicherweise PPR (Impulswert pro Umdrehung). Mit der richtigen Einstellung kann der Fanuc-Impulscodierer jedoch die Pegelumwandlung zwischen zwei Kanälen (High-Pegel auf Low-Pegel und umgekehrt) messen. Dadurch lässt sich die Genauigkeit der Einzelkanal-Impulsmessung um das Vierfache steigern..
Es ist zu beachten, dass 360 Grad nicht den gesamten Drehwinkel des Rades darstellen, sondern die Summe vieler einzelner Ein- und Aus-Modi, die üblicherweise während der gesamten Drehung auftreten. Darüber hinaus ist der Versatz von 90 Grad wichtig. Beträgt die Phasendifferenz der Sensoren 180 Grad, wandeln die beiden Sensoren gleichzeitig um, was zu einem unsicheren Zustand im Umwandlungsprozess und somit zu falschen Ergebnissen führt..
Alternativ verwenden einige Original-Encoder ein versetztes Fenstermuster für die beiden Sensoren anstelle der hier gezeigten Sensorversatzanordnung. Der Aufbau des linearen Quadratur-Encoders ist ähnlich, jedoch ist das Sensorfenster linear, um den Ansteuerweg zur Positionsüberwachung des Objekts zu bestimmen.
