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Inkrementalgeber, Absolutgerber

Drehgeber gehöhren heute zur Standardsensorik bei Industrieautomation. In vielen Fertigungsabläufen und Produktionsprozessen sind sie als zuverlässige Meßwertaufnehmer oder Befehlsgeber nicht mehr wegzudenken, um eine maßgenaue Positionierung zu ermöglichen. Durch den Anbau an einen Drehstrommotor kennt der Frequenzumrichter die aktuelle Lage der Abtriebswelle und bei unseren Frequenzumrichtern den benötigten Drehmomentbedarf. Hierbei wird meist der Eigenlüfter des Motors entfernt; eine Fremdlüftereinheit zur Kühlung muss verwendet werden. Drehgeber wandeln die Drehbewegung entweder direkt über eine Kupplung am Motor oder über ein Ritzel und Zahnstange sowie Meßräder in einen direkt zu verarbeitenden Meßwert um. Somit wird für jeden Positionswert ein Impuls (inkremental) oder Code (absolut) ausgegeben. Beide Systeme arbeiten nach der verschleißfreien, optoelektronischen Abtastung einer mit der Welle festverbundenen Impulsscheibe. Die hohe Impulszahlen lassen sich so Weg- oder Meßstrecken auf mehr als 0,01 mm auflösen.

Bild	Beschreibung	Preis EURO
	MAGNETFELDSENSOR FÜR ROTATIVE  ANWENDUNGEN B198/MDFK 08 Wellendrehzahl bis 35000 1/min bei  max. Schaltfrequenz von 160kHz; IP67	a.A.

Funktionsprinzip Inkrementale Drehgeber

Inkrementale Drehgeber geben pro Umdrehung eine bestimte Anzahl von Impulsen ab. Die Anzahl der Impulse ist ein Mass für den zurückgelegten Weg (Winkel oder Strecke). Auf einer Welle ist eine Codierscheibe fest montiert. Die Scheibe ist in einzelne Segmente aufgeteilt, die abwechselnd lichtdurchlässig bzw. lichundurchlässig sind.
Von einer LED wird ein parallel ausgerichtetes Lichtbündel ausgestrahlt, das alle Segmente der Codierscheibe durchleuchtet. Von Fotoelementen wird das modulierte Licht emfangen und in zwei 90° verschobene, sinusförmige Signale umgesetzt. Durch eine Digitalisierungs-Elektronik werden die Signale verstärkt und in Rechteckimpulse umgewandelt, die dann über Leitungstreiber am Ausgang ausgegeben werden.

Bei inkrementalen Drehgebern wird die aktuelle Position - ausgehend von einem Bezugspunkt - durch Zählen von Messschritten bzw. durch Unterteilen und Zählen von Signalperioden ermittelt. Zum Reproduzieren des Bezugspunktes besitzen die inkrementalen Messgeräte Referenzmarken, die nach dem Start überfahren werden müssen.

Alle inkrementalen Drehgeber gibt es bis zu  drei Ausgangssignalen: A, B, 0-Index. Die Geräte haben optional noch die dazugehörigen invertierten Ausgangssignale. Der Phasenversatz zwischen Signal A und B beträgt 90° elektrisch. Als Ausgangstufe können wahlweise 5 V DC TTL-Ausgang oder 10-30 V DC HTL-Ausgang (pnp/npn-schaltend) geliefert werden. Die maximale Schaltfrequenz beträgt je nach Typ bis zu 300 kHz.

Inkrementale Drehgeber H182 mit Kommutierungssignalen liefern - ohne Drehbewegung - eine hinreichend genaue Winkelposition der Welle zur phasenrichtigen Zuordnung des Drehfeldes eines permanenterregten Drehstrommotores.

Funktionsprinzip Hohlwellengeber

Hohlwellengeber werden immer dann eingesetzt, wenn eine besonders geringe Einbautiefe erforderlich ist oder wenn es bei einem Antrieb mit hohen Beschleunigungen auf Genauigkeit ankommt. Sonst ist der Aufbau genauso wie beim Vollwellengeber.

Längenmessung mit Drehgebern

In Verbindung mit einem Messrad oder Ritzel und Zahnstange sind mit Drehgebern auch Längen- und Wegmessungen möglich. Die gewünschte Auflösung, z.B. von 0,1 mm, wird durch die Wahl der richtigen Strichzahl erreicht.

1. Beispiel
Eine Weglänge soll gemessen werden, die gewünschte Auflösung 0,1 mm soll errecht werden. Zur steht eine Zahnstange mit der Länge x und ein Ritzel von 50 mm Abrollumfang. Welche Strichzahl muss der Drehgeber haben ?

Strichzahl = Abrollumfang/Auflösung = 50 mm/ 0,1 mm = 500

2. Beispiel
Zur Verfügung steht ein Messrad mit 500 mm Umfang ( 500 mm Weglänge). Welche Strichzahl muss der Drehgeber bei einer Auflösung von 0,1 mm haben ?

Strichzahl = Abrollumfang/Auflösung = 500 mm/ 0,1 mm = 5000

Inkrementalgeberfrequenz/ Schaltfrequenz bei max. Drehzahl

Die maximal angegebene Drehzahl bezieht sich auf die mechanische Belastbarkeit eines Gebers. Bei einer hohen Auflösung wird daher schnell die maximale Schaltfrequenz erreicht. Bei höheren Motorgeschwindigkeiten und/oder hoher Impulszahl der Geber muß die Verarbeitungsgeschwindigeit der Frequenzumrichter o.ä. berücksichtigt werden. Viele Geräte haben oft maximal 160kHz.

Beispiel
max. Drehzahl ist 12.000 min-1, Strichzahl 1024, Schaltfrequenz des Inkrementalgebers = ?

Schaltfrequenz = (12.000 min-1 • 1024) / 60 sec. = 204,8 kHz

max. Impulszahl:
I = Schaltfrequenz [Hz] x 60 sec./ max. Drehzahl [1/min]

Montage

Drehgeber müssen vor mechanischen Überlastungen, z.B. gegen Versatz zwischen Antriebs- und Drehgeberwelle geschützt werden, denn es können sonst Wellen- und Lagerschäden sowie Meßungenauigkeiten auftreten. Von daher sollte zwischen Antriebs- und Drehgeberwelle stets eine flexible Kupplung montiert werden. Bei der Montage sind Schläge auf den Wellenstumpf des Drehgebers zu vermeiden, da dies zu bruch der Codierscheiben führen kann.

• Verwenden Sie abgeschirmte Leitung (z.B. 5x0,34 mm² für 10-30V Typen oder 4x2x0,19 mm² + 4x0,5 mm² bei 5V Typen)
• Verbindungsstecker oder Klemmkästen mit Metallgehäuse verwenden, wobei durch diese teile möglichst keine fremden Signale geführt werden sollen
• Gehäuse von Drehgebern, Stecker, Klemmkasten und Auswerteelektronik über den Schirm des Kabels miteinander verbinden. Schirm möglichst induktionsarm (kurz, großfläschig) im Bereich der Kabeleinführung anschließen, Abschirmsystem als ganzes mit Schutzerde verbinden.
• Die Anschlussleitungen getrennt von Störquellen (z.B. Motor-, Magnet- oder Ventilleitungen usw.) verlegen. Ein Mindestabstandvon 20 cm ist im allgemeinen ausreichend.
• Max. Leitungslänge von 100 m bei 5 V-Version/200 m bei 10-30 V-Version zwischen Drehgeber und Auswerteelektronik. Die Spannung an der Anschlussstelle muss mit der im Datenblatt angegebenen Betriebsspannung des Drehgebers übereinstimmen. Bei 5 V Drehgebern ist dieser Wert über die Sensorleitung messbar.
• Keine Verbindung bzw. Stecker unter Spannung lösen.

Absoltgeber

Absolute Winkelmessgeräte und Drehgeber  geben die Positionswerte über eine serielle Datenschnittstelle - EnDat, SSI, PROFIBUS-DP oder andere - aus. Das bidirektionale EnDat-Interface bzw. der PROFIBUS-DP unterstützt eine automatische Inbetriebnahme sowie Überwachungs- und Diagnosefunktionen. Bei den programmierbaren Drehgebern sind verschiedene Funktionen und Parameter per PC-Software einstellbar.

Absolute Drehgeber geben zu jeder Winkelstellung einen bestimmten codierten Zahlenwert (Codewert) an.
Dieser Codewert steht unmittelbar nach dem Einschalten zur Verfügung auchohne Bewegung der Maschinenachse. Auf einer Welle ist eine Codierscheibe fest montiert. Die Scheibe ist in einzelne Segmente aufgeteilt, die abwechselnd lichtdurchlässig bzw. lichtundurchlässig sind.

Von der Lichtquelle wird ein parallel ausgerichtetes Lichtbündel ausgestrahlt, das alle Segmente und Spuren der Codierscheibe durchleuchtet. Von Fotoelementen wird das modulierte Licht empfangen und in sinusförmige Signale umgesetzt. Durch die nachgeschaltete Elektronik werden die Signale digitalisiert und über ein Leitungstreibe am Ausgang ausgegeben.

Bei absoluten Drehgebern unterscheidet man zwischen Singleturn- und Multiturn-Codegebern.

Die Anschlussspannung beim Singleturn beträgt 10-30 V DC mit HTL-Ausgang (pnp/npn-schaltend). Diese sind auf besonderem Wunsch auch mit 5 V und 5 V TTL-Ausgang erhältlich.

Beim Multiturn ist die Anschlussspannung ebenfalls 10-30 V DC oder auf Wunsch 5 V DC. Für den Datenausgang steht eine serielle Schnittstelle mit TTL-Signalen nach RS485 zur Verfügung.

Funktionsprinzip Singleturn

Diese absoluten Drehgeber teilen eine mechanische Umdrehung (0 bis 360°) in eine bestimmte Anzahl von Messschritten auf. Nach einer Umdrehung wiederholen sich die Messwerte wieder. Die maximale Schrittzahl beträgt 4096. Singleturn-Geräte geben innerhalb einer Umdrehung die aktuelle Winkelposition aus, während Multiturn-Drehgeber zusätzlich mehrere Umdrehungen unterscheiden.

Funktionsprinzip Multiturn

Multiturn-Drehgeber erfassen nicht nur die Winkelposition, sondern unterscheiden auch mehere Umdrehungen. Die Bestimmung der Position innerhalb einer Umdrehung geschiet nach dem Prinzip des Singleturn-Drehgebers. Zur unterscheidung der Anzahl von Umdrehungen werden permanent magnetische Kreisteilungen eingesetzt, die über ein Getriebe miteinander verbunden sind. Die Abtastung erfolgt über digitale Hall-Sensoren. Die Schrittzahl beim Multiturn-Drehgeber ist 8192 Schritte x 4096 Umdrehungen.

Code

Die meist verwendete Codierung ist der Graycode. Dieser Code ist einschrittig, d.h. beim Übergang von einer Zahl auf die folgende wechselt immer nur ein einziges Bit (von Hell nach Dunkel) auf der Codierscheibe. Beim Graycode haben die einzelnen Bits keine Wertigkeit, wie beim Binärcode, wo jederr Bit-Kombination eine bestimmte Dezimalzahl zugeordnet wird.