Absolute Drehgeber

Was ist ein Drehgeber?
Drehgeber erfassen oder geben Winkelstellungen/Positionen vor und wandeln diese Informationen in elektrische Signale. Sie sind Winkelsensoren, die ihren Messwert kontaktlos an eine Elektronik übertragen. Und genau diese Eigenschaft differenziert sie von Potentiometern, die passive Bauelemente sind. Grundsätzlich besteht jeder Drehgeber aus einem Gehäuse, einer Elektronik mit Sensor als Herzstück der Messung und dem elektrischen Anschluss. Je nach Ausführung ist auch eine Welle mit Wellenlager Teil des Sensors, um die Winkelmessung mechanisch zu realisieren. Für das Wort Drehgeber gibt es zahlreiche sinnverwandte Begriffe wie Drehwinkelgeber, Drehwinkelaufnehmer, Drehwinkelmesser oder Drehwinkelsensor aber auch Winkelencoder bzw. Winkel Codierer. Wenn jedoch der Winkel als kompletter Wert (also als Absolutwert) mit festem Bezug zu einer Nullstellung ausgegeben wird, dann bezeichnet man den Drehgeber als Absolutwertgeber. Wenn nur die Winkeländerung ausgegeben wird, das Ausgangssignal also nur die Relativinformation liefert, dann handelt es sich um einen Inkrementalgeber. In diesem Ratgeber werden nur kontaktlose Technologien mit magnetischem oder optischem Messprinzip beschrieben.

Was bedeutet „kontaktlos“?
Kontaktlos bedeutet, dass die Messwertübertragung zwischen Messwertaufnahme und Messwerterfassung berührungslos stattfindet. Beispielsweise erfolgt die Messwertaufnahme über die Welle und die Messwerterfassung über die Elektronik eines Drehgebers. Zwischen beiden Komponenten besteht jedoch keine direkte mechanische Verbindung. Die Messwertübertragung erfolgt demnach kontaktlos bzw. berührungslos. Die kontaktlose Messwertübertragung basiert bei allen Drehgebern von MEGATRON entweder auf Magnetismus oder auf einem optischen Messprinzip. Bei magnetischen Drehgebern gibt es praktisch keinen Verschleiß der Messwerterfassung (Elektronik) und bei optischen Drehgebern hat lediglich die Lichtquelle eine begrenzte Lebensdauer. Der einzige nennenswerte Verschleiß erfolgt bei kontaktlosen Drehgebern über seine mechanischen Komponenten zur Messwertaufnahme, wenn Welle und Wellenlagerung vorhanden sind.

Magnetische Drehgeber mit Hall-Effekt
Der Hall-Effekt, benannt nach Edwin Hall, beschreibt das Auftreten einer elektrischen Spannung, der sogenannten Hall-Spannung, in einem stromdurchflossenen Leiter (Hall-Element), der sich in einem stationären Magnetfeld befindet. Platziert man einen kreisrunden diametral magnetisierten (Nordpol/Südpol) Permanent-Magneten über einem Hall-Element, setzt diesen Magneten einer Drehbewegung aus und misst am Ausgang der Verstärkerschaltung die Spannung, dann wird ein sinusförmiger Ausgangsspannungsverlauf gemessen. Äussere magnetische Felder können diese Technologie prinzipiell stören. Vorwiegend werden sogenannte Gradienten-basierte Hall-Sensoren eingesetzt, die weitgehend unempfindlich auf diese Störungen sind.

Vorteile:

• Die beste Wahl, wenn Langlebigkeit gefordert ist
• Wenig empfindlich gegenüber Vibrationen
• Wenig empfindlich gegenüber wechselnden Umwelteinflüssen, wie Temperaturschwankungen, einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit
• Hohe Betätigungsgeschwindigkeiten (U/min.) möglich
• Geeignet für den Betrieb in ölhaltiger, verschmutzter Umgebung (Maschinenhallen, Baustellen etc.)

Optische Drehgeber
Optische Drehgeber basieren auf einem kontaktlosen, optischen Abtastprinzip. Es wird mittels einer Leuchtdiode Licht erzeugt, das durch ein Kodierrad geführt wird und anschliessend auf einen Photodetektor gelangt. Der Photodetektor erzeugt ein elektrisches Signal, welches nach einer Aufbereitung an den Signalausgang gelangt. Bei kontaktlosen Drehgebern unterliegt das optische Sensorsystem im Betrieb einem kontinuierlichen Alterungsprozess. Zusätzlich tragen Schwebekörper, die sich in Form von Feinstäuben auf das optische System niederlegen, zur Alterung des Sensors bei.

Vorteile:

• Winkelencoder mit einer hohen optischen Auflösung ermöglichen eine Positionsmessung mit sehr hoher Genauigkeit
• Hohe Wiederholgenauigkeit des Messergebnisses
• Sehr hohe Betätigungsgeschwindigkeiten (U/min.) möglich
• Sehr stabil gegenüber magnetischen Fremdfeldern (Immission)
• Hervorragende Eignung für eine exakte Geschwindigkeitsbestimmung
• Sehr hohe Lebensdauer
• Geringer Signaljitter

Inkrementalgeber
Inkrementalgeber geben anstatt einer zum Winkel proportionalen Information (vgl. Absolutwertgeber) eine bestimmte Anzahl an rechteckförmigen Signalen aus. Man spricht auch von Impulsen. Inkrementalgeber werden daher auch Drehimpulsgeber genannt und es wird immer eine Angabe der Anzahl der Impulse pro Umdrehung gemacht. Ein Impuls entspricht einer Periodendauer. Für eine Periodendauer wird auch die Bezeichnung „ein Inkrement“ verwendet. Hieraus erklärt sich auch der Begriff Inkrementalgeber. Für die Auswertung des Messergebnisses eines Inkremental-Encoders wird immer eine externe Auswerteeinheit benötigt, beispielsweise ein Zähler.

Folgende Punkte sind besonders zu beachten:

• Für eine Winkelmessung muss die Anzahl der Impulse in einer externen Auswerteeinheit gezählt und die Summe der Impulse in einen Winkel umgerechnet werden.
• Wird die Betriebsspannung des Zählers unterbrochen, dann geht die Zählerinformation meist verloren. Wenn dann der Absolutwert des Winkels relativ zu einem Bezugspunkt gemessen bzw. errechnet werden soll, dann muss eine Referenzierung durch Durchfahren der Nullstellung erfolgen.
• Für eine Geschwindigkeitsmessung wird die Anzahl der Impulse pro Zeit berechnet.

Inkrementalgeber sind mit unterschiedlichster Anzahl an Impulsen pro Umdrehung verfügbar. Sind es beispielsweise 360 Imp/U, dann heißt das, dass 360 Impulse (360 Signalperioden) pro voller Wellenumdrehung (360°) ausgegeben werden. Werden beispielsweise 1024 Imp/U angegeben, dann werden 1024 Impulse (1024 Signalperioden) pro voller Wellenumdrehung (360°) ausgegeben.

Absolutwertgeber
Absolutwertgeber geben ein zum Winkel proportionales analoges oder digitales Signal aus. Es existiert daher ein fester Bezugspunkt für die Winkelmessung. Drehgeber mit Analogausgang stellen den gemessenen Winkel als Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder Pulsbreite (PWM) zur Verfügung.

Singleturn-Drehgeber
Singleturndrehgeber sind Absolutwertgeber, die nur den Winkel einer vollen Umdrehung messen können. Das Ausgangssignal zeigt nach einer vollen Umdrehung, alle 360° wieder denselben Wert wie bei 0°. Die meisten kontaktlosen Singleturn-Absolutwertgeber messen den vollen Winkelbereich von 0° bis maximal 360°. Nur wenige Produkte messen Winkel in einem eingeschränkten Winkelbereich von beispielsweise +/- 45°.

Multiturn-Drehgeber
Multiturn-Drehgeber sind im Vergleich zu Singleturn-Drehgebern in der Lage, Winkel über 360° hinauszumessen. Das Messsystem ist fähig, die Anzahl der Umdrehungen mitzuzählen und es ist meist so programmiert, dass das Signal über den maximalen elektrisch wirksamen Winkelbereich kontinuierlich steigt. Beispielsweise sind bestimmte Multiturn-Absolutwertgeber von MEGATRON in der Lage, Winkel bis maximal 72000° (bis zu 200 Wellenumdrehungen) zu messen. Ohne besondere Vorkehrungen verlieren solche Drehgeber ihre Information über die Position, wenn die Versorgungsspannung unterbrochen wird. Eine Klasse von Multiturn-Drehgebern sind True-Power-On Drehgeber. Solch ein Drehgeber liefert auch dann ein korrektes Ausgangssignal, wenn sich während einer zeitweiligen Spannungsfreiheit der Drehwinkel beliebig ändert.

Istwert- und Sollwertgeber
Die beiden Begriffe Istwertgeber und Sollwertgeber werden über den Einsatzzweck in der Applikation definiert. Einige Drehgeber-Modelle können für beide Zwecke eingesetzt werden. Bei einem Sollwertgeber wird per Handeingabe ein Wert eingestellt. Es wird über eine manuelle Drehung der Drehgeberwelle (meist über einen auf der Welle montierten Einstellknopf) ein Sollwert vorgegeben. Verwendung finden diese Einsteller / Handeinsteller in Bedienpanels, um beispielsweise durch Menüs zu navigieren oder bei Messgeräten die Vorgabe diverse Parameter vorzugeben. Der Istwertgeber wird als ein Synonym für einen Winkelsensor oder Drehgeber verwendet, wenn ein Winkel einfach gemessen wird und nicht manuell per Hand vorgegeben wird. Da dieser nicht notwendigerweise dem Sollwert in einer Anwendung entspricht, werden die beiden Begrifflichkeiten zur Unterscheidung verwendet. Sollwert- und Istwertgeber können Teile von Regelkreisen sein; diese Anwendung gibt den beiden Begriffen erst einen Sinn.

Mechanischer Drehwinkel
Der mechanische Drehwinkel ist der gesamte Winkel, in welchem der Drehgeber mechanisch betätigt werden kann. Der mechanische Drehwinkel ist bei den meisten kontaktlosen Drehgebern nicht mechanisch begrenzt. D. h., die Welle des Drehgebers kann im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn kontinuierlich betätigt werden, ohne dass diese in der Drehbewegung gestoppt wird. In wenigen Ausnahmen besteht die Option auf mechanische Endanschläge (Endstopps). Diese sind vor allem bei Sollwertgebern (Handeinsteller) sinnvoll. Ein Beispiel ist die Serie ETAM25, von MEGATRON welcher mechanische Endanschläge besitzt.

Elektrisch wirksamer Drehwinkel
Der elektrisch wirksame Drehwinkel ist jener Winkelbereich, in dem das Ausgangssignal eine Änderung erfährt. Die folgenden Darstellungen zeigen beispielhafte Signalausgangsfunktionen von Singleturn-Absolutwertgebern. In beiden Fällen ist der mechanische Drehwinkel 360°.

Drehsinn
Wichtig bei der Programmierung der Ausgangssignalkurve ist es, den Drehsinn der gewünschten Ausgangssignalkurve anzugeben. Der Drehsinn muss bei der Beschreibung der gewünschten Ausgangssignalkurve angegeben werden, damit ein unmissverständlicher Bezug zwischen Signal und Drehrichtung der Welle hergestellt wird. Die Angabe der Drehrichtung der Welle erfolgt bei Betrachtung des Drehgebers von vorne. Das heißt, wenn der Betrachter auf das Wellenlager und das Wellenende sieht. Bei einem Kit-Encoder (ohne eigene Welle) erfolgt die Betrachtung auf die dem Magneten zugewandte Gehäuseseite. Beim Drehsinn wird zwischen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn unterschieden. Zur Beschreibung hat sich die englische Abkürzung CW für Clockwise (im Uhrzeigersinn) und CCW für Counterclockwise (im Gegenuhrzeigersinn) etabliert. Die nebenstehenden Grafiken verdeutlichen den Unterschied des Signalverlaufs am Beispiel eines Singleturn-Absolutwertgebers. Der Drehsinn CW oder CCW kann für fast alle Absolutwertgeber durch den Kunden bei der Konfiguration des Drehgebers gewählt werden.

Versorgungsspannung
Alle kontaktlosen Winkelencoder benötigen zum Betrieb eine Gleichspannung (DC) als Versorgungsspannung (VSUP). Unterschieden wird zwischen Drehgebern, die eine Versorgungsspannungsänderung in einem definierten Bereich aufweisen, wenn eine ratiometrische Beziehung zum Ausgangssignal besteht oder keine ratiometrische Beziehung besteht, d.h. keinen Einfluss auf das Ausgangssignal hat Bei einer ratiometrischen Beziehung zwischen Versorgungsspannung und Ausgangssignal ändert sich das Ausgangssignal im selben multiplikativen Verhältnis wie die Versorgungsspannung. Diese Option ist ausschließlich für Absolutwertgeber mit analogem Signalausgang verfügbar.  Darüber hinaus sind nicht alle verfügbaren Versorgungsspannungsbereiche mit jeder Ausgangselektronik kombinierbar. Bei der Auswahl der Versorgungsspannung sollte daher geprüft werden, ob die gewünschte Ausgangsbeschaltung für die gewünschte Versorgungsspannung verfügbar ist. Das Datenblatt des Drehgebers gibt über die möglichen Kombinationen Auskunft.

Redundanz
Manche Anwendungen verlangen nach einer Redundanz des Sensorsignals. Die folgenden Ziele sind häufig der Beweggrund für den Einsatz redundanter Drehgeber:

Erhöhung der Verfügbarkeit von Anlagen
Durch die doppelte Ausführung des Sensors wird die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage reduziert. Bei Ausfall einer der beiden Leitungen wird ein Fehler protokolliert. Die Maschine bzw. Anlage kann aber weiter laufen bis zum nächsten Wartungsintervall, wo der Sensor ohne Verlust von Maschinenzeit getauscht wird.

Erhöhung der Betriebssicherheit
Beim Betrieb von sicherheitskritischen Maschinen (z.B. Fahrzeuge, Luftfahrt u.v.m.) kann ein Ausfall fatal sein. Die Redundanz ermöglicht ein sicheres, kontrolliertes Stilllegen dieser Maschinen bzw. Anlagen bis zum Tausch des Sensors. Redundanz wird für viele Anwendungen dieses Typs verbindlich vorgeschrieben.

Wenn nicht grundsätzlich zwei Encoder verbaut werden können, besteht die Möglichkeit, Drehgeber mit zwei getrennten Versorgungsspannungen und getrennte Massen (GND) für den Betrieb des Encoders zu realisieren, was eine galvanisch getrennte, zusätzliche Elektronik zur Verfügung stellt.
Bei magnetischen Winkelencodern wird der Magnet immer am Wellenende verbaut. Daher ist es hier nicht möglich, die Welle durch das Gehäuse zu einem weiteren Sensor zu führen. Das magnetische Sensorelement selbst ist dafür doppelt/redundant und bei manchen Modellen als Option galvanisch getrennt ausgeführt. Bei optischen Winkelencodern besteht die Möglichkeit, Tandemausführungen zu realisieren, die mechanisch nur die Welle gemein haben, aber ansonsten komplett doppelt ausgeführt sind.

Signalausgänge
Bei kontaktlosen Absolutwertgebern stehen folgende Signalausgänge zur Wahl.

Analog:
Spannungsausgang (verschiedene Bereiche, ratiometrisch/nicht ratiometrisch)
Strom (0…20 mA, 4…20mA)
Pulsweitenmodulation (PWM)

Digital:
SPI: Serial Peripheral Interface
SER: Sonderform des SPI Formats
SSI: Synchronous Serial Interface

Bei kontaktlosen Inkrementalgebern stehen folgende Ausgangsschaltungen zur Auswahl:
OC (Open Collector, Pull Up Widerstand im Drehgeber nicht integriert)
Voltage Output (=Open Collector Schaltung inkl. im Drehgebergehäuse integrierten Pull-Up-Widerstände)
TTL (Transistor Transistor Logik)
PP (Push Pull)
Linedriver

Verkabelung
Für elektrische Anschlusskabel (Leitungstoleranzen) von Winkelencodern gelten andere Richtlinien als für Gehäuse und Wellen von Drehgebern. Hinweis: Falls die Leitungstoleranzen im Datenblatt nicht explizit erwähnt werden, sind sie auf die IPC/WHMA-A-620 rückführbar. Bei MEGATRON-Winkelencodern mit Metallgehäuse ist das Anschlusskabel geschirmt durch einen außenliegenden Kabelschirm. Bei allen Winkelencodern im Kunststoffgehäuse ist das Anschlusskabel nicht geschirmt.

Bauformen
Drehgeber werden in den vielen Bauformen angeboten. Einteilen lassen sie sich in Kit Encoder (ohne Wellenlager), und Encodern mit Wellenlager. Bei Letzteren werden Varianten mit Gleitlager oder Kugellager, sowie Voll- oder Hohlwelle unterschieden.

Einbau und Befestigung
Die Möglichkeiten der mechanischen Befestigung des Drehgebers in der Applikation sind abhängig von der Konstruktion des Drehgebergehäuses. MEGATRON bietet für seine kontaktlosen Drehgeber-Familien insgesamt fünf verschiedene Montagemöglichkeiten an. Die Befestigung kann erfolgen mittels Zentralgewinde (Bushing), Flansch, Gewindebohrungen, Servoflasch (mit Synchroklemmen), Montagering oder Federblech.

Produktanpassungen
Seit über 60 Jahren steht MEGATRON als zuverlässiger Partner für Ihr Design-in zur Verfügung. Zusätzlich zu den vielfältigen Optionen unserer Sensoren bieten wir darüber hinaus bereits ab geringer Stückzahl spezifische Ausführungen an, die genau auf Ihren Applikationsanforderungen zugeschnitten sind. Ob es sich nun um ein Projekt in der Frühphase oder um eine Serienfertigung handelt – wir begleiten und unterstützen Sie gerne.