Definition Was ist ein Drehgeber?

Drehgeber arbeiten auf Basis einer mechanischen Bewegung, die in digitale Ausgangssignale gewandelt und dann zur Auswertung decodiert werden.Wie funktionieren Drehgeber, welche Bauarten gibt es und wo werden sie eingesetzt?

Neben Encoder werden Drehgeber auch als Drehimpulsgeber, Drehwinkelgeber oder Winkelmesser bezeichnet. So verschieden die Bezeichnungen, so vielfältig sind die potenziellen Einsatzbereiche, denn Drehgeber können Drehzahl, Drehwinkel, Drehrichtung, Länge, Weg oder Geschwindigkeit erfassen. Sie lösen somit verschiedensten Aufgaben in vielen unterschiedlichen Industriebereichen und werden daher in Werkzeugmaschinen, CNC-Maschinen, Anlagen der Holzindustrie, der Lagertechnik, der Fördertechnik, Biegemaschinen, Bandanlagen, Mess- und Prüfeinrichtungen und verschiedensten Motoren eingesetzt, um nur wenige Beispiele zu nennen.

In welche Kategorien werden Drehgeber unterteilt?

Drehgeber lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptkategorien einteilen:

• Inkrementalgeber – bei Inkrementalgebern erfolgt die Auswertung anhand der Erfassung einer bestimmten Anzahl an Impulsen (zwischen 1 und 65536 Impulsen) pro Umdrehung inklusive eines Nullimpulses, der sich als Referenz pro Umdrehung wiederholt. Inkrementalgeber verfügen daher über eine sich wiederholende periodische Einteilung und müssen nach dem Einschalten referenziert werden, weil sie keine eindeutige Lageinformation bzw. keinen eindeutigen Messwert zur Positionsbestimmung liefern.

• Absolutwertgeber – haben stattdessen eine eineindeutige Einteilung und benötigen nach dem Einschalten keine anfängliche Referenzierung. Sie liefern somit stets einen absoluten Messwert, wobei die Position bzw. Lageinformation in Form eines digitalen Zahlenwertes ausgegeben wird, der über den gesamten Auflösungsbereich des Gebers eindeutig ist.

Übersicht

Was ist ein industrieller Steckverbinder?

Im Zusammenhang mit Absolutwertgebern und einer eineindeutigen Einteilung ist oftmals vom sogenannten Gray-Code die Rede. Hierbei handelt es sich um einen stetigen Binär-Code, bei dem sich die benachbarten Codes in einer einzigen Ziffer unterscheiden. Der Gray-Code dient als Verfahren zur zuverlässigen Übertragung digitaler Größen über analoge Signalwege. Die Abfolge eines Standard-Gray-Codes lässt sich hierbei anhand einer einfachen Regel erzeugen: Beginnend mit 0 sind alle Bits zunächst 0. Daraufhin wird jeweils das niedrigwertigste Bit geändert, das sich ändern lässt (von 0 auf 1 oder von 1 auf 0), ohne eine Abfolge zu erzeugen, die bereits existiert.

Hier ein Beispiel zu einem 4-Bit-Gray-Code, mit dem jeweils veränderten Bit als fett hervorgehobene Ziffer:

0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
1000

Nach welchen Messprinzipien arbeiten Absolut- und Inkrementalgeber?

Absolut- und Inkrementalwertgeber können außerdem nach ihrem Messprinzip klassifiziert werden, wobei unterschieden wird zwischen:

• optischen Drehgebern

• magnetischen Drehgebern

Optische Drehgeber: Sie verwenden für die Erfassung von Umdrehungen und Drehwinkeln eine sogenannte Kodierscheibe oder Codescheibe, auf der sich eine eindeutige (absolute) oder sich wiederholende Strichteilung (inkrementale) befindet. Diese wird von einem optischen System abgetastet und über eine integrierte Elektronik in geberspezifische Ausgangssignale umgesetzt.

Magnetische Drehgeber: Ihre Funktionsweise ist mit optischen Systemen vergleichbar. Anstelle einer Kodier-, Code- oder Impulsscheibe bestehen magnetische Drehgeber aus einer magnetisierten Scheibe (Dauermagnet), auf der sich je nach Geräteausführung eine Einteilung mit sich wiederholenden Nord- und Südpolen mit fester Breite (inkremental) befindet oder die aus einer eineindeutigen Einteilung mit Nord- und Südpol-„Blöcken“ besteht (absolut).
Inkrementale magnetische Drehgeber erfassen bei einer Drehbewegung der Scheibe die Feldstärke und die Feldrichtung, aus der sich wiederum analoge Sinus- bzw. Cosinus-Signale ergeben, die von den Schaltkreisen der Signalaufbereitung in zwei um 90 Grad versetzte Rechtecksignale gewandelt werden.

Weitere Unterschiede zwischen Absolutwert- und Inkrementalgebern

– Absolutwertgeber
Absolutwertgeber liefern vom Moment des Einschaltens eindeutige Positionswerte und kennzeichnen jeden Punkt einer Bewegung durch ein digitales Signal. Selbst Bewegungen, die bei einem stromlosen System erfolgen, werden in genaue Positionswerte umgewandelt, sobald ein Absolutwertgeber wieder an Strom angeschlossen ist.
Da Weg- und Winkelpositionen solcher Lösungen sich somit jederzeit einem exakten Positionswert zuordnen lassen, haben sich Absolutwertgeber vielfach zu einem wichtigen Bindeglied zwischen Mechanik und Steuerung etabliert. Absolutwertgeber werden daher in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf die absolute Position ankommt, z. B. in CNC-Steuerungen, in Robotersteuerungen oder in der Automatisierung.

– Inkrementalgeber
Inkrementalgeber liefern eine bestimmte Anzahl an Impulsen pro Umdrehung. Bei herkömmlichen Inkrementalgebern muss die Impulszahl pro Umdrehung ab Werk festgelegt werden und ist somit unveränderbar.

Inkrementalgeber sind als ein-, zwei- und dreikanalige Lösungen erhältlich:

• Einkanalige Drehgeber arbeiten mit einem einzigen Ausgangssignal „A“. Sie werden in der Regel für Längen- und Drehzahlmessungen eingesetzt, also in Anwendungen, in denen keine Erfassung der Drehrichtung erforderlich ist.

• Zweikanalige Drehgeber liefern zwei um 90° zueinander versetzte „A“- und „B“-Signale, deren Phasenbeziehung über eine Elektronik ausgewertet wird. Auf diese Weise lässt sich die Drehrichtung, etwa zur Überwachung von Motoren, anhand einer steigenden oder fallenden Flanke bestimmen.

• Dreikanalige Drehgeber liefern zusätzlich zum „A“- und „B“-Signal einen sogenannten Nullimpuls („Z“- Signal). Dieses Signal besteht aus einem einzigen, ab Werk vorgegebenen Impuls, der bei jeder Drehung eines Inkrementalgebers auf exakt der gleichen Position der Impulsscheibe ausgegeben wird. Der Nullimpuls ist daher eine Art fester Bezugspunkt, der u.a. für eine Referenzfahrt erforderlich sein kann, um z. B. die Ausgangsposition einer Antriebswelle zu erhalten.

Erklärung

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Wie funktionieren Singleturn- und Multiturn-Drehgeber?

Im Zusammenhang mit Drehgebern bzw. Winkelmessern tauchen immer auch die Begriffe Singleturn und Multiturn als drehgeberspezifische Signale auf.

Singleturn-Messsysteme wiederholen die Ausgangssignale mit jeder Umdrehung der Drehgeberwelle.

Bei absoluten Multiturn-Messsystemen (Multiturn-Absolutwertgeber) ist das Ausgangssignal für jede Wellenposition bei jeder Umdrehung bis zu einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen einzigartig ist.

Dieser Unterschied lässt sich anhand einer Uhr veranschaulichen: Ein Singleturn-Drehgeber besitzt nur einen Minutenzeiger, ein Multiturn-Drehgeber hingegen einen Stunden- und Minutenzeiger. Beide Drehgeber haben somit 60 Positionen innerhalb einer Umdrehung. Der Multiturn-Geber kann jedoch zusätzlich bis zu 12 Umdrehungen zählen.⁽¹⁾

Eine zusätzliche Funktion einiger Multiturn-Drehgeber besteht darin, die Anzahl vollständiger Umdrehungen selbst bei ausgeschaltetem Geber erfassen zu können, wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit Absolutwertgebern erläutert. Hierzu muss ein Multiturn-Drehgeber jedoch über eine entsprechende Hardware verfügen:

• So kann z. B. mit einer Batterie die Anzahl der Umdrehungen bei ein- und ausgeschalteter Stromversorgung gespeichert werden.

• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Anzahl an Umdrehungen mechanisch mit einem Untersetzungsgetriebe zu speichern.

• Die dritte Option kann schließlich in einer eigenen Stromquelle bestehen, wobei die Drehgeber aus der Wellenbewegung Energie zurückgewinnen. Dieses Prinzip nutzt den sogenannten Wiegand-Sensor, um ausreichend Energie für die Stromversorgung des Drehgebers zu erzeugen und die Anzahl an Umdrehungen im Speicher zu hinterlegen.⁽²⁾

Vor- und Nachteile von Absolutwert- und Inkrementalgebern

• Absolutwertgeber sind präziser als Inkrementalgeber und können die Position mit sehr hoher Auflösung bestimmen.

• Absolutwertgeber sind weniger anfällig gegenüber äußeren Umwelteinflüssen.

• Absolutwertgeberliefern direkt nach dem Einschalten eine exakte Position, während Inkrementalgeber zunächst eine Referenzposition bestimmen müssen.

• Absolutwertgeber sind in der Regel teurer in der Anschaffung als Inkrementalgeber.

• Darüber hinaus sind Absolutwertgeber zur Verarbeitung der Ausgangssignal komplexer aufgebaut.

Definition

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Anbieter von Drehgebern

• Agendis
  Alders
  Althen
  Automation24
  Bachmann
  Balluff
  Baumer Group
  Celera Motion
  Faulhaber
  Gefeg-Neckar Antriebssysteme
  GESgroup W+S Messsysteme
  Heidenhain
  Hengstler
  Ifm Electronic
  Ipf Electronic
  Kobold Messring
  Kübler
  Maxon Motor
  Novotechnik Messwertaufnehmer
  Posital
  PWB Encoders
  Reichelt Elektronik
  RLS
  Siko
  TR-Electronic
  Trinamic Motion Control
  Turck
  Wachendorff Automation
  Waycon

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: Wikipedia, Alders, Waycon, Hengstler, RLS^{(1, 2)}, Posital, IPF Electronic, Celera Motion

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