Wann und wie mehrgängige Drehgeber eingesetzt werden

Mehrgängige Drehgeber sind elektromechanische Präzisionssensoren, die nicht nur die Winkelposition einer Welle innerhalb einer einzigen Umdrehung (0° bis 360°), sondern auch die kumulative Anzahl vollständiger Umdrehungen messen können. Im Gegensatz zu eingängigen Drehgebern, die ihren Ausgang bei jeder Umdrehung zurücksetzen, liefern mehrgängige Drehgeber sowohl die absolute Winkelposition als auch die Gesamtumdrehungszahl und ermöglichen so eine genaue Positionsrückmeldung über größere Bewegungsbereiche.

Bei modernen Anwendungen zur Motorsteuerung ist die Erfassung des Wellenwinkels für nur einen 360°-Zyklus für eine zuverlässige Systemüberwachung nicht ausreichend. Wenn eine Drehbewegung mechanisch mit einer linearen Verschiebung, einem Getriebe oder einer großen Anlage gekoppelt ist, wird die Verfolgung der Gesamtumdrehungen unerlässlich. Mehrgängige Drehgeber erfüllen diese Anforderung, indem sie kontinuierlich absolute Positionsdaten liefern und so eine präzise Synchronisierung und Steuerung in komplexen elektromechanischen Systemen gewährleisten. In diesem Artikel werden mehrgängige Drehgeber ausführlicher besprochen, u. a. wie sie funktionieren, wo sie eingesetzt werden können und welche zusätzlichen Integrationsaspekte zu beachten sind.

Funktionalität und Vorteile mehrgängiger Drehgeber

Es mag zwar machbar erscheinen, volle Wellenumdrehungen in der Software zu verfolgen, indem man überwacht, wann ein eingängiger Drehgeber von 359° auf 0° umschaltet, aber dieser Ansatz führt zu ernsthaften Problemen bei der Zuverlässigkeit. Ausgelassene Abtastwerte, Stromunterbrechungen, Kommunikationsstörungen oder sogar vibrationsbedingtes Rauschen können die Zählung desynchronisieren. Schnelle Umkehrungen nahe der 0°/360°-Grenze verwirren die Übertragserkennung oft zusätzlich und führen zu kumulativen Fehlern. Selbst bei umfassender Filterung und Algorithmusabstimmung bleiben softwarebasierte Lösungen anfällig für Genauigkeitsverluste.

Mehrgängige Absolutwertgeber bewältigen diese Herausforderungen auf der Hardware-Ebene, indem sie zwei wichtige Funktionen integrieren: eine feine Winkelauflösung innerhalb einer einzelnen Umdrehung und einen integrierten Umdrehungszähler zur Verfolgung kompletter Wellenumdrehungen. Die Winkelmessung erfolgt in der Regel durch kapazitive, magnetische oder optische Abtastung, während der Umdrehungszähler synchron mit den Winkeldaten aktualisiert wird. Diese Kombination bietet eine echte absolute Position und liefert eine robuste und fehlerfreie Rückmeldung, ohne auf eine externe Übertragslogik angewiesen zu sein.

Der Umdrehungszähler selbst kann auf verschiedene Weise eingesetzt werden. Mechanische Encoder arbeiten mit zahnradbasierten Systemen, magnetische Designs verwenden oft Wiegand-Drahtimpulse zur Registrierung von Umdrehungen, und digitale Implementierungen sind auf kontinuierliche elektrische Energie angewiesen. Letzteres erfordert in der Regel ein sorgfältiges Systemdesign, um die Stromversorgung aufrechtzuerhalten - in der Regel durch Backup-Batterien oder Softwareschutzmaßnahmen -, damit die Anzahl der Umdrehungen auch bei Unterbrechungen erhalten bleibt.

Umgang mit mehrgängigen Drehgebern beim Hochfahren

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von mehrgängigen Drehgebern ist das Zurücksetzen beim Einschalten, da der Verlust der gespeicherten Umdrehungszahl die absoluten Positionsdaten beeinträchtigen kann. Um dies abzumildern, werden in der Regel mehrere technische Strategien eingesetzt:

• Referenzpunkt oder Endschalter - Beim Start fährt das System den Mechanismus zu einem vordefinierten Referenzpunkt und reinitialisiert die Position des Encoders.
• Speicherung des letzten bekannten Wertes - Wenn ein Host-Controller oder ein nichtflüchtiger Speicher verfügbar ist, kann das System den letzten aufgezeichneten Winkel und die letzte Umdrehungszahl vor dem Abschalten speichern. Nach dem Neustart werden diese Werte wieder übernommen, sofern sich die Welle während der Stillstandszeit nicht bewegt hat.
• Mechanische Wellenverriegelung - Bei geplanter Abschaltung oder extrem niedriger Leistung kann die Welle physisch verriegelt werden, um Bewegungen zu verhindern. Der gespeicherte Geberwert ist dann beim Einschalten gültig und ermöglicht eine nahtlose Wiederherstellung. Diese Methode ist besonders nützlich für tragbare oder batteriebetriebene Systeme.
• Neuinitialisierung auf Systemebene - Für Anwendungen, bei denen der Verlust von ein paar Umdrehungen tolerierbar ist, kann das System beim Start einfach zurückgesetzt und neu kalibriert werden, indem externe Sensoren oder sichere Standardzustände verwendet werden. Dies reduziert die Komplexität, ist aber nur bei unkritischen Anwendungen mit Positionsrückmeldung sinnvoll.

Für Anwendungen, bei denen der Verlust von Umdrehungen während einer Stromunterbrechung inakzeptabel ist, bietet die Integration eines Batterie-Backups eine der zuverlässigsten Lösungen. Anstatt sich auf externe Rekalibrierungsmethoden oder Hilfssensoren zu verlassen, stellt dieser Ansatz sicher, dass der Encoder sowohl bei kurzen als auch bei längeren Ausfällen kontinuierlich mit Strom versorgt bleibt.

Vom Standpunkt des Stromverbrauchs aus betrachtet, ist dies der Punkt, an dem die Wahl der Technologie wichtig wird. Kapazitive Encoder, wie die AMT-Serie von Same Sky, arbeiten in der Regel mit nur ~80 mW, was sie für eingebettete und batteriebetriebene Designs sehr effizient macht. Ihre Effizienz minimiert den Bedarf an Backup-Energiespeichern und ermöglicht so eine lang andauernde Unterstützung ohne übermäßige Batteriekapazität.

Im Gegensatz dazu verbrauchen magnetische Drehgeber in der Regel zwischen 150 und 500 mW, während optische Drehgeber bei hochauflösenden oder LED-basierten Systemen oft 200 mW bis über 1 W benötigen. Dieser Effizienzvorteil macht kapazitive Drehgeber zu einer attraktiven Option in Umgebungen mit begrenztem Stromverbrauch, wo jedes Milliwatt entscheidend ist.

Abbildung 1: Allgemeiner Stromverbrauch nach Encoder-Technologie. (Bildquelle: Same Sky)

Anwendungsbeispiele für den Einsatz von mehrgängigen Drehgebern

Hier sind einige häufige Szenarien aus der Praxis, bei denen eine Rückmeldung mit nur einer Umdrehung nicht ausreicht und mehrgängige Drehgeber erforderlich sind:

• Getriebe- oder riemenreduzierte Antriebe - Wenn ein Motor bei jeder Umdrehung der Abtriebswelle mehrere Umdrehungen durchführt (z. B. bei einem Verhältnis von 10:1), ist es unzureichend, nur den Endwinkel zu verfolgen. Das System muss alle Zwischenumdrehungen berücksichtigen, um die Positionsgenauigkeit zu erhalten.
• Kugelumlaufspindeln und Leitspindeln - Jede Wellenumdrehung entspricht einem festen linearen Abstand. Fehlende Umdrehungen führen direkt zu linearen Positionsfehlern, so dass die Nachführung von mehreren Umdrehungen für eine präzise Positionierung entscheidend ist.
• Zahnstangen- und Ritzelmechanismen - Ein kontinuierlicher linearer Weg wird durch eine Drehbewegung erzeugt. Für eine genaue Rückmeldung muss jede Umdrehung gezählt werden, um die tatsächlich zurückgelegte Strecke zu berechnen.
• Drehachsen in der Robotik und Automation - Gelenke, Walzen und rotierende Plattformen überschreiten oft eine einzige Umdrehung. Ohne Multiturn-Feedback riskieren die Systeme Bewegungsfehler und sogar Kollisionen während des Betriebs.

Aus allgemeiner Sicht kann ein System zur Motorsteuerung von einem mehrgängigen Drehgeber profitieren, wenn die Anwendung die folgenden Anforderungen erfüllt:

• Erweiterte Positionsverfolgung - Systeme, die Wellenbewegungen über 360° hinaus überwachen müssen.
• Umwandlung von Rotation in Linearbewegung - Mechanische Antriebe, bei denen jede Umdrehung einer präzisen Linearbewegung entspricht.
• Hohe Getriebeübersetzungen - Getriebe- oder riemengetriebene Systeme, bei denen die Motordrehzahl die Bewegung der Abtriebswelle weit übersteigt.
• Absolute Genauigkeit mit minimaler Filterung - Anwendungen, die keine kumulativen Fehler durch Software-Übertragserkennung vertragen.
• Optimierte Startlogik - Designs, die von einer einfacheren, zuverlässigeren Initialisierung nach dem Einschalten profitieren.

Die AMT-Absolutwertgeberfamilie von Same Sky umfasst kompakte mehrgängige Modelle mit digitalen SPI- und RS-485-Schnittstellen. Sie wurden für eingebettete Motorsteuerungssysteme entwickelt und zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch, modulare Montageflexibilität und unkomplizierte Kommunikation aus - ideal, wenn eine absolute Multiturn-Verfolgung erforderlich ist. Die ordnungsgemäße Verwaltung von Power-Up-Resets gewährleistet eine ununterbrochene Genauigkeit über Betriebszyklen hinweg.

Das genaue Kommunikationsprotokoll variiert zwar, aber die meisten machen es einfach, sowohl die Winkelposition als auch die Anzahl der Umdrehungen mit einer kleinen Anzahl von Bytes oder Befehlen zu lesen. Die Befehle für die AMT-Drehgeber von Same Sky sind in den jeweiligen Datenblättern dokumentiert.

Fazit

Mehrgängige Drehgeber optimieren die Motorsteuerung, indem sie die Umdrehungsnachführung intern verwalten, wodurch eine komplexe Übertragslogik oder umfangreiche Softwarefilterung überflüssig wird. Diese integrierte Fähigkeit gewährleistet genaue Positionsdaten über einen großen Bewegungsbereich und macht sie zu einer unverzichtbaren Komponente für Ingenieure, die zuverlässige und skalierbare Automatisierungssysteme entwickeln.

Die mehrgängigen AMT-Absolutdrehgeber von Same Sky erhöhen die Design-Flexibilität weiter und unterstützen Motorwellendurchmesser von 2 mm bis 5/8 Zoll (15,875 mm). Diese breite mechanische Kompatibilität ermöglicht die Integration in ein breites Spektrum von Motorplattformen und bietet eine robuste Positionserfassung ohne zusätzliche Anpassungen.