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Drehgeber

Der Switch von Optik zu Magnetik

| Autor/ Redakteur: Jörg Paulus* / Karin Pfeiffer

Klein, leicht und mit Multiturn-Fähigkeit – ganz ohne Getriebe und Batterien: Die absoluten Drehgeber haben im Laufe der Zeit gezeigt, wie entwicklungsfähig sie sind. Mit ihrem Fortschritt eng verknüpft hat sich auch die Geschichte von Fraba-Posital.

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Evolution der Drehgeber: 1973 führte Fraba seinen ersten optischen Absolutgeber (li.) ein, heute ist es ein kompaktes Elektronikpaket der aktuellen magnetischen IXARC-Serie.
Evolution der Drehgeber: 1973 führte Fraba seinen ersten optischen Absolutgeber (li.) ein, heute ist es ein kompaktes Elektronikpaket der aktuellen magnetischen IXARC-Serie.
(Bild: Fraba)

Seit den 1960ern sind Drehgeber eine wichtige Komponente an der Schnittstelle zwischen Mechanik und Steuerung. Sie wandeln Drehbewegungen in Signale um und sind eine feste Größe im Maschinen- und Anlagenbau. Sie ordnen einer Weg- und Winkelposition jederzeit einen exakten und eindeutigen Positionswert zu. Und das macht sie zu einer Kernkomponente in Sachen Motion Control. Beim absoluten Messverfahren steht der Positionswert unmittelbar zur Verfügung und kann jederzeit von der Folgeelektronik abgerufen werden.

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Optik-Varianten: Lange im Markt dominierend

Absolutgeber gibt es in zwei Ausführungen: Als Singleturn ermitteln sie die präzise Winkelposition innerhalb einer einzigen Umdrehung, während Multiturn-Geber auch mehrere Umdrehungen der Welle genau verfolgen und in einem Zählwerk exakt erfassen. Über gut vier Jahrzehnte hinweg galt die optische Messtechnik als der Maßstab für Auflösung und Genauigkeit. Hier erfolgt die Winkelmessung innerhalb einer Umdrehung mittels Codescheibe und eines Chips zur Bewegungserkennung (Opto-ASIC), während die Anzahl von Umdrehungen (Multiturn) hingegen durch ein Getriebe, vereinzelt aber auch durch Batterie-gepufferte Systeme, erfasst wird.

Mit einer Auflösung und Genauigkeit von 16 Bit (0,0055°) und mehr waren optische Drehgeber bis vor wenigen Jahren marktbeherrschend und gesetzt für nahezu alle Präzi­sionseinsätze.

Während ihrer langen Vorherrschaft durchliefen optische Absolutgeber immer wieder Modifikationen. Für Innovationen – und kompaktere Gehäusemaße – sorgten vor allem Verbesserungen der Opto-Sensorik. Mussten Systeme zur optischen Bewegungserkennung und Signalverarbeitung bis in die 1990er Jahre aufwendig aus einzelnen Bauteilen montiert werden, entfiel dies durch das Aufkommen von integrierten Opto-ASICs. Seit 2009 gibt es vollständig integrierte PCB-Lösungen, bei der das gesamte System – inklusive Interface-Anbindung – auf einer einzigen Platine untergebracht ist.

Wie enorm platzsparend diese Maßnahmen waren, zeigt ein Blick auf die Gehäusegrößen. Lag der Durchmesser eines optischen Gebers Anfang der 1980er Jahre noch bei über 100 mm, schrumpfte er nun um fast die Hälfte.

Interfaces modernisieren das Drehgeber-Konzept

Ein Evolutions-Schub für die Drehgeberwelt ging auch von den unterschiedlichen Interfaces aus. Mitte der 1990er Jahre startete die Ära der Feldbusse. Während einzelne Systeme wie etwa der 1995 gestartete Profibus oder das bei mobilen Maschinen populäre CANopen-Protokoll sich langfristig etablierten, erwiesen sich Interfaces wie Suconet oder Interbus als kurzlebig. Bereits 2002 klopfte mit Ethernet TCP/IP das erste Ethernet-Protokoll an, mit dem die Weichenstellung in Richtung echtzeitfähiges Industrial Internet erfolgte. Ein Trend, der – ausgedrückt in echter Marktnachfrage – erst in den vergangenen Jahren voll zum Tragen kommt.

Erstmalig kratzten magnetische Absolutgeber 2005 an der Dominanz der Optik – vor allem bei Multiturn-Einsätzen. Als Taktgeber bei dem sich schrittweise vollziehenden Systemwechsel gilt der zur Fraba-Gruppe gehörende Sensortechnik-Spezialist Posital.

Das 1918 in Köln gegründete Unternehmen, lange einer der etablierten Hersteller von leistungsstarken optischen Gebern, hatte sich Ende der 1990er Jahre bewusst für eine Neuausrichtung entschieden. Dabei lautete die klare Aufgabe, nach Alternativen für die absolute Positionserfassung zu suchen.

Energieautark: Multiturn ohne Batterien

Kostengünstige magnetische Singleturn-Drehgeber, bei denen Hall-Sensor und Permanentmagnet die Winkelposition der Welle messen, waren bereits aus der Automobiltechnik bekannt. Allerdings fehlte diesen Gebern noch die Fähigkeit, mehrere Umdrehungen auch bei Unterbrechung der externen Spannungsversorgung zu erfassen. Gelöst wurde das Problem mithilfe einer Wiegand-Sensorik, die als Energy-Harvesting-System konzipiert ist und erstmalig bei der 2005 von Posital gestarteten MCD-Serie (Magnetocode-Drehgeber) zum Einsatz kam.

Herzstück des winzigen Wiegand-Sensors ist ein magnetischer Draht aus einem veredelten Vicalloy mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Der nur 15 mm lange Wiegand-Draht, der sich entlang einer Richtung magnetisiert, ist in eine Kupferspule eingebettet und reagiert auf das Magnetfeld des rotierenden Permanentmagnets. Kommt es hier zu Positions- beziehungsweise Richtungswechseln, erzeugt der Wiegand-Sensor energiereiche Spannungsimpulse – und zwar unabhängig von der Geschwindigkeit einer Drehbewegung. Die so gewonnenen 7 V beziehungsweise 190 nJ genügen, um den Rotationszähler und die dazu gehörige Elektronik ständig zu aktivieren. Das clevere Prinzip garantiert absolute Multiturn-Messungen – ganz ohne aufwendige Getriebe oder wartungsintensive Batterien.

Auch wenn die patentierten MCD-Geräte mit einer Auflösung von 14 Bit und einer Genauigkeit von 0,35° noch nicht das Performance-Level der Opto-Sensorik erreichten, zeigten sie eindrucksvoll, wie sich Multiturn-Funktionalität auf engstem Raum realisieren ließ – über die Kombination von Wiegand- und Hall-Sensorik mit einem einzelnen Dauermagnet. Mit dem MCD schrumpfte der Durchmesser eines Absolutgebers nun erstmalig auf 36 mm.

Performance: Magnetik rückt auf Augenhöhe

Erst die Weiterentwicklung der magnetischen Sensorzellen und noch leistungsfähigere Mikrocontroller, gepaart mit intelligenter Signalverarbeitung, ebneten den Weg zu hochpräzisen magnetischen Absolutgebern. 2013 war es so weit: Posital gab den Startschuss für die leistungsstarke magnetische IXARC-Serie.

Mit einer Auflösung von 16 Bit und einer Genauigkeit von 0,09° konnten sie die Performance-Lücke zu den Opto-Sensoren schließen – und sich so für Präzisionseinsätze qualifizieren. Den Schlüssel zum Erfolg bildeten Quantensprünge sowohl bei der Hard- als auch bei der Software.

Die neuen magnetischen Drehgeber basieren auf Hall-Sensoren, deren analoge Ausgangssignale von einem separaten, leistungsstarken 32-Bit-Mikrocontroller verarbeitet und digital weitergegeben werden. Aufwendige Algorithmen, die das firmeneigene F&E-Zentrum gezielt für die neuen Hightech-Chips entwickelte, sorgten für den Durchbruch. In Echtzeit filtern sie die wichtigen Daten aus dem Messsignal – und garantieren so die Kalibrierung und hohe Genauigkeit der magnetischen 16-Bit-Encoder-Serie.

16-Bit-Encoder leisten exakte Positionierarbeit

Mit einer Update-Rate der Position von weniger als 50 µs Zykluszeit arbeiten IXARC-Geber in Echtzeit – und sind auf diese Weise für zeitkritische Anwendungen wie beispielsweise hochdynamische Positionieraufgaben oder Motorfeedback prädestiniert.

Dank ihrer Unempfindlichkeit gegen Nässe, Schmutz und Vibrationen, aber auch aufgrund der deutlich kompakteren Bauweise bieten sich die magnetischen Geber der IXARC-Serie in immer mehr Anwendungen als kostengünstige Alternative zu optischen Gebern an. Inzwischen deckt sie alle etablierten Schnittstellen ab und umfasst mehr als 500.000 Varianten.

Das Einsatzspektrum der IXARC-Serie reicht von Fabrikautomation und Robotik über mobile Maschinen und erneuerbare Energien bis hin zum weiten Anwendungsfeld in der Medizintechnik. „Tatsächlich sehen wir optische Systeme nur noch als Nischenprodukt für Extremeinsätze – etwa bei CNC-Maschinen, die Auflösungen von 22 Bit und mehr benötigen“, erklärt Posital-Fraba-Inhaber Christian Leeser mit Blick auf die technologische Herkunft des Unternehmens. Und Leeser macht eine klare Ansage für die Zukunft: „Mit noch mehr Rechenpower lässt sich auch diese Marke knacken.“

* *Jörg Paulus, General Manager, Sales Europe, Posital-Fraba in Köln

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