Optionen für Drehgeber: absolut oder inkrementell?

Von Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei CUI Inc.

Der Drehgeber ist eine bewährte und beliebte Lösung zur Messung der Geschwindigkeit, Richtung oder Bewegung einer rotierenden Welle. Es gibt mehrere verschiedene Typen. Die Haupttypen sind absolute und inkrementelle Drehgeber. Wie funktionieren sie? Worin liegt der Unterschied? Wie wählen Sie den richtigen Typ für Ihren Zweck?

Das Funktionsprinzip von Drehgebern

Wie der Name nahelegt, gibt die Messung eines absoluten Drehgebers die exakte Position der Welle wieder. Jeder Rotationspunkt hat einen eindeutigen Positionswert, ein Datenwort, das auf einer zusammen mit der Welle rotierenden Scheibe codiert ist. Die Anzahl eindeutiger Codes auf der Scheibe bestimmt die Genauigkeit, mit der die Position ausgedrückt werden kann. Sobald der Drehgeber eingeschaltet ist, liest er den Code mithilfe eines optischen, kapazitiven oder magnetischen Sensors und generiert eine gültige Ausgabe. Es ist auch unnötig, eine Referenz zu definieren oder die Welle so zu drehen, dass der Sensor die Position ermitteln kann. Er ist sogar in der Lage, die Position bei einem vorübergehenden Stromausfall zu verfolgen.

Diagramm: Die Codierscheibe eines absoluten Drehgebers mit einem eindeutigen Code für jede Position

Abbildung 1: Die Codierscheibe eines absoluten Drehgebers liefert einen eindeutigen Code für jede Position. So ist die Ausgabe sofort gültig und bestimmt die Auflösung des Drehgebers. (Bildquelle: CUI Inc.)

Die Auflösung des Drehgebers wird in Form von Bits ausgedrückt, die der Anzahl der eindeutigen Datenwörter für eine Umdrehung entsprechen. Absolute Drehgeber gibt es als Singleturn- und Multiturn-Typ. Die Singleturn-Versionen liefern Positionen innerhalb einer vollen 360°-Umdrehung, die sich bei jeder Umdrehung der Welle wiederholen. Der Multiturn-Typ verfügt über einen Umdrehungszähler, sodass der Drehgeber nicht nur die Position der Welle, sondern auch die Anzahl der Umdrehungen ausgeben kann.

Nun zu den inkrementellen Drehgebern: Diese generieren während der Rotation der Welle Impulse. Die Ausgabe besteht normalerweise aus zwei Rechteckwellen, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind. Zum Verfolgen oder Zählen dieser Impulse ist zusätzliche Elektronik erforderlich.

Bild: Ein inkrementeller Drehgeber generiert Impulswellen

Abbildung 2: Ein inkrementeller Drehgeber generiert um 90° gegeneinander phasenverschobene Impulswellen. (Bildquelle: CUI Inc.)

Die Auflösung eines inkrementellen Drehgebers wird durch die Anzahl der Impulse pro Umdrehung (pulses per revolution, PPR) ausgedrückt. Diese entspricht der Anzahl der High-Impulse einer der beiden ausgegebenen Rechteckwellen. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Blog-Post von CUI zu PPR.

Wenn Sie Abbildung 2 betrachten, sehen Sie, dass es nur vier verschiedene und sich wiederholende Ausgangszustände gibt. Aus diesem Grund muss sich ein inkrementeller Drehgeber auf einen bekannten festen Ort beziehen, um sinnvolle Positionsangaben zu liefern. Diese „Start“-Position ist der Indeximpuls des Drehgebers. Die absolute Position der Welle wird dann durch Verfolgen der relativen inkrementellen Änderung der Drehung bezüglich des Indeximpulses berechnet. Dieser Referenzvorgang ist jedes Mal beim Einschalten des Drehgebers oder nach einem vorübergehenden Stromausfall nötig. Daher muss sich die Welle drehen, damit ihre Position bekannt ist. Dieser Vorgang ist langsamer als das Ermitteln der Position durch einen absoluten Drehgeber, der keine anfängliche Drehung benötigt.

Kriterien für die Entscheidung zwischen absolut und inkrementell

Absolute Drehgeber sind komplexer als inkrementelle und daher in der Regel teurer. Obwohl die Preise sich einander annähern, werden für eine einfache Überwachung von Geschwindigkeit, Richtung oder relativer Position inkrementelle Drehgeber vorgezogen. Auf der anderen Seite gibt es Situationen, in denen ein absoluter Drehgeber die bessere Wahl bildet.

Eine der großen Stärken des absoluten Drehgebers ist die Tatsache, dass die Position der Welle beibehalten wird, sodass Positionsdaten ohne Warten auf die Ermittlung der Startposition oder auf eine Kalibrierung verfügbar sind. Daher kann das System schneller starten oder nach einem Stromausfall schneller in Betrieb genommen werden, selbst dann, wenn sich die Position der Welle geändert hat, während der Drehgeber ausgeschaltet war.

Ein anderer Grund für die Wahl eines absoluten Drehgebers liegt dann vor, wenn Positionsangaben sofort beim Start vor der Aktivierung irgendwelcher Mechanismen oder Bewegungen benötigt werden. Dieses Szenario könnte vorliegen, wenn die betreffende Anlage bei einer Drehung der Welle von der Startposition aus in die falsche Richtung beschädigt werden könnte oder wenn dies eine Gefahr für Personen darstellen könnte.

Darüber hinaus könnte der Drehgeber aufgrund der Tatsache, dass ein absoluter Drehgeber die echte Position in Echtzeit angibt, von einem digitalen System über einen zentralen Kommunikationsbus zur Erfassung der Position mit minimaler Latenz abgefragt werden. Das ständige Verfolgen der Position ist mit einem inkrementellen Drehgeber schwieriger, da zur Verfolgung aller Impulse normalerweise externe Elektronik zur Quadratur-Decodierung benötigt wird. Dies belastet das Hostsystem zusätzlich, besonders dann, wenn mehrere Drehgeber überwacht werden müssen.

Bild: Ein absoluter Drehgeber generiert für jede Position des Coderads ein eindeutiges digitales „Wort“

Abbildung 3: Ein absoluter Drehgeber generiert für jede Position des Coderads ein der eingestellten Auflösung entsprechendes eindeutiges digitales „Wort“. (Bildquelle: CUI Inc.)

Ein weiterer Vorteil eines absoluten Drehgebers ist, dass er zur Reduzierung der Empfindlichkeit des Systems gegen elektrisches Rauschen beiträgt. Im Gegensatz zu inkrementellen Drehgebern, die Impulse zählen, erlauben absolute Drehgeber dem System, zur Berechnung der Position einen auf Fehler überprüften Code aus einem digitalen Ausgang oder digital über einen seriellen Bus auszulesen.

Darüber hinaus können mehrere absolute Drehgeber einfacher als inkrementelle innerhalb eines Systems kombiniert werden. Typische Beispiele sind Fabrikautomatisierung und mehrachsige Roboter. Die Überwachung der Ausgaben mehrerer inkrementeller Drehgeber kann kompliziert werden und erhebliche Rechenaufwand erfordern, während die Messungen einzelner absoluter Drehgeber einfacher interpretiert werden können – insbesondere dann, wenn sie an einen zentralen Kommunikationsbus angeschlossen sind.

Anwendungsbereiche für absolute Drehgeber

Sie sollten nun gut über die wichtigsten Unterschiede zwischen absoluten und inkrementellen Drehgebern informiert sein. Betrachten wir nun einige typische Anwendungsbereiche für absolute Drehgeber.

Roboter stellen dabei einen sich schnell erweiternden Bereich dar, der viele Gebiete durchdringt – zum Beispiel die computerassistierte Chirurgie, bei der große Mengen von präzisen Positionsinformationen zur Überwachung und Steuerung von chirurgischen Roboterarmen übertragen werden müssen – bis zum industriellen Einsatz, z. B. bei der automatischen Montage, beim automatischen Schweißen, Lackieren und mehr. Für die Zukunft ergeben sich aufregende Möglichkeiten, z. B. Hilfsroboter für den Haushalt, die von der Geschwindigkeit und der einfachen Einsetzbarkeit von absoluten Drehgebern profitieren können.

Da Unternehmen weiterhin an ihrer Digitalisierung arbeiten und sich die Preise von inkrementellen und absoluten Drehgebern annähern, werden die Einsatzbereiche von absoluten Drehgebern nahezu unüberschaubar. Der Verbrauchermarkt bietet ebenfalls viele Möglichkeiten. Ob sie zur Steuerung von mechanischen Einrichtungen wie automatischen Toren, Kamerastativköpfen, intelligenten Steuerungen von Klimaanlagen, automatisierten Fabriken oder für motorisierte Automobil-Subsysteme eingesetzt werden: Absolute Drehgeber stellen eine sehr leistungsfähige und immer kostengünstigere Option für Geräteentwickler dar.

Die Wahl des Ingenieurs für die Positionsrückmeldung

Die Unterschiede zwischen absoluten und inkrementellen Drehgebern bezüglich Leistung, Kosten und Benutzerfreundlichkeit zeigen, dass die richtige Wahl des Drehgebertyps für ein neu entwickeltes Produkt entscheidend ist. Da sich die Preise annähern und die Technologien sich weiterhin ändern, könnten die Vorteile, die absolute Drehgeber im Vergleich zu inkrementellen bieten, erstere für eine wachsende Zahl von Einsatzgebieten zur ersten Wahl der Konstrukteure für die Positionsrückmeldung machen.

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Über den Autor

Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei CUI Inc.

Artikel bereitgestellt von Jeff Smoot von CUI Inc.