So funktionieren Drehgeber

Was sind Drehgeber?

Drehgeber sind Sensoren, die mechanische Drehbewegungen in analoge oder digitale elektrische Ausgangssignale umwandeln. Weil diese durch ein Auswertegerät entschlüsselt werden müssen, spricht man auch von Rotary Encodern oder einfach nur Encodern. Weitere Bezeichnungen sind Winkelmesser, Winkelgeber, Winkelcodierer, Drehencoder, Drehimpulsgeber und Quadraturencoder.

Sie erfassen dynamisch Winkeländerungen bei Achsen bzw. Wellen und kommen auch überall dort zum Einsatz, wo Längen, Positionen, Drehzahlen und Beschleunigung zu bestimmen sind. Sie sind wichtiger Bestandteil in Steuerungs- und Rückkopplungsschleifen und finden in vielen industriellen Anwendungen wie der Robotik, der Luft- und Raumfahrttechnik, Elektronik und Automatisierungstechnik Einsatz.

Die Basis-Funktion von Rotary Encodern

Drehgeber gibt es in verschiedenen Ausführungen, die sehr individuellen Anwendungen gerecht werden müssen. Sie funktionieren alle auf Basis einer mechanischen Drehbewegung. Ein auf der Welle angebrachtes Meßrad oder eine Meßscheibe wandelt das mechanische Signal in elektrische Impulse um. Je nachdem welches physikalische Grundprinzip bei der Umwandlung zum Tragen kommt, finden sich am Signalausgang optische, magnetische, induktive, kapazitive, resistive oder potentiometrische Sensoren.

Inkrementale und absolute Drehgeber – das ist der Unterschied

Inkremental-Drehgeber erzeugen eine genau definierte Anzahl periodischer Impulse während einer Umdrehung des Messrads und bilden darüber hinaus relative Winkelveränderungen und Abstände in der Vorwärts- als auch Rückwärtsbewegung ab. Signalfrequenz und Umfang des Messrades bestimmen dabei die Winkelauflösung bzw. die Genauigkeit der Messabstände. Um einen Winkel zu messen, benötigen Inkremental-Drehgeber einen Referenzpunkt, von dem aus sie die Messung vornehmen können. Da Positionsdaten bei Unterbrechung der Stromzufuhr verloren gehen, kalibriert sich das Bauteil beim Einschalten stets neu. Inkremental-Drehgeber sind besonders gut geeignet, zurückgelegte Winkel oder Wegstrecken zwischen zwei festgelegten Punkten zu bestimmen. Man setzt sie oft als Drehzahlmesser ein. Auch in Anwendungen, die eine präzise und unbegrenzte Rotation einer Welle erfordern, finden sie Verwendung.

Im Gegensatz dazu erzeugen Absolut-Drehgeber einen einzigartigen digitalen Code, der jeder Winkelposition einen eindeutigen Wert zuordnet. Dadurch ist eine absolute Positionsbestimmung ohne vorheriges Kalibrieren zu jedem Zeitpunkt möglich – auch nach einem Spannungsausfall oder im ausgeschalteten Zustand. Erfolgt die Messung über mehrere Umdrehungen hinweg, spricht man von Multiturn-Drehgebern. Im Gegensatz zu Singleturn-Drehgebern messen diese nicht nur die absolute Winkelposition, sondern zählen auch die Umdrehungen.

Die richtige Codierung – Signalauswertung von Drehgebern

Rotary Encoder erzeugen bei der Drehung Signalsequenzen in Form von analogen Rechteck- oder Sinus-Cosinus-Signalen, die von Sensoren ausgelesen und in digitale Signale umgewandelt werden. Je nachdem, wie viele davon ausgegeben werden, unterscheidet man zwischen einkanaligen oder mehrkanaligen Drehgeber.

Einkanalige Drehgeber produzieren nur eine einzige Signalsequenz, mit der beispielsweise Position und Rotationsgeschwindigkeit eines Schrittmotors mit hoher Genauigkeit ausgemessen werden können. Hauptsächlich verwendet man diese Encoder-Form bei der Längen- und Drehzahlmessung in Tachometern. Nachteil: Eine Richtungserkennung ist mit diesen Encodern nicht möglich.

Zweikanalige Drehgeber (z. B. Quadraturencoder): Bei diesen lässt sich durch ein zweites, phasenverschobenes Signal, die Drehrichtung einer Antriebswelle auswerten. Das ist zum Beispiel für die präzise Wegemessung wichtig, oder wenn Maschinen Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen ausführen sollen.

Dreikanalige Drehgeber bewirken darüber hinaus noch einen Nullimpuls, der immer nach einer vollständigen Wellenumdrehung ausgegeben wird. Er dient als Referenz zu einer festgelegten mechanischen Position, die für die Kalibrierung des Encoders und das Wiederanlaufen der Maschine benötigt wird. Etwa für eine Referenzfahrt nach einem Spannungsabfall. Hier bieten Drehencoder mit Taster ein automatisches Nullsetzen, sodass der Null-Impuls nicht umständlich von Hand seiner mechanischen Position zugeordnet werden muss.

Drehgeber mit zwei oder mehr Kanälen erzeugen am Ausgang häufig ein sogenanntes Gray-Signal. Dabei handelt es sich um einen stetigen, in der Regel binären Code, bei dem sich aufeinanderfolgende Signale nur in einer einzigen Stelle (Bit) unterscheiden. Mit dieser speziellen Codierungsform lassen sich Übertragungsfehler schnell identifizieren und eine verlässlichere Signalübertragung sichern.

Signalverstärkung bei Hochleitungs-Encodern

Encoder, die besonders resistent gegen Störungen sein müssen oder eine lange Zuleitung besitzen, nutzen zusätzlich eine symmetrische Signalübertragung. Dabei wird eine invertierte Kopie der Signale angelegt (Komplementäre Signale). Ein Receiver misst die Potenzialdifferenz zwischen dem Original und seiner Kopie und gleicht beide zu einer Gesamtamplitude aus.

Für eine höhere Auflösung kann durch eine sogenannte Flankenauswertung in der Folgeelektronik die Signalfrequenz inkrementaler Drehgeber vervielfacht werden. Beispielsweise erzeugt eine Vervierfachung der Ausgangssignale bei einem Drehgeber mit 2500 physikalischen Impulsen pro Umdrehung eine feingliedrigere Signalfrequenz von 10.000 Impulsen pro Umdrehung.

Immer passgenau: Montageoptionen von Drehgebern

Drehgeber mit Eigenlagerung haben eine einseitig offene oder durchgehende Hohlwelle mit angebauter Statorkupplung. Diese verbindet sich schnell und mühelos über Flansch, Nuten oder Bohrungen mit der zu messenden Welle. Die Statorkupplung gleicht Axialbewegungen der Antriebswelle aus. Die Abtasteinrichtung muss nur das Drehmoment aufnehmen, was den Montageaufwand für ein präzises Messergebnis reduziert.

Es sind auch Rotary Encoder mit Eigenlagerung auf einer kurzen Vorwelle mit Synchron- oder Klemmflansch erhältlich, die mit einer separaten Wellenkuppelung angeschlossen werden. Sie sind für höhere Drehzahlen vorgesehen.

Drehgeber ohne Eigenlagerung sind besonders für platzsensible Einbauten geeignet oder Anwendungen, bei denen keine Reibung entstehen darf. Sie bestehen aus einem Teilkreis mit Nabe und einer Abtasteinheit. Der Rotor wird direkt auf die zu messende Welle montiert, der Stator muss dabei an der Maschine ausgerichtet werden. Die damit verbundene Montage des Drehencoders kann auf diese Weise genauer erfolgen, birgt jedoch Risiken hinsichtlich der zu erzielenden Messgenauigkeit.

Glossar

• Rotary Encoder: englische Bezeichnung für Drehgeber.
• Sensoren: Messfühler, die physikalische oder chemische Zustände erfassen.
• Hall Sensoren: messen Magnetfelder über den „Hall-Effekt“.
• Achse: Bauteil, das umlaufende oder schwingende Bauteile trägt, aber kein Drehmoment überträgt.
• Welle: Maschinenelement, das Drehbewegungen überträgt.
• Hohlwelle: Bauvariante der Welle, deren Inneres ausgehöhlt ist; reduziertes Gewicht aber höhere Eigenfrequenz.
• Inkrementell /inkremental: schrittweise Erhöhung (Inkremental Drehgeber messen schrittweise zwischen Start- und Endpunkt).
• Quadraturencoder: Drehgeber mit zwei Ausgangskanälen.
• Serielle Datenübertragung: Möglichkeit, digitale Daten autonom jeweils auf einer Leitung zu übermitteln.