Encoder & Drehgeber - Messprinzip
Encoder, Drehgeber, Winkelmesser oder Winkelgeber arbeiten alle auf Basis einer mechanischen Bewegung (Rotation), die in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird. Durch Befestigungen wie Flansch, Nuten oder Bohrungen kann der Encoder schnell und mühelos mit dem drehenden Element verbunden werden.
Antriebswellen sind wie viele rotierende Bewegungen mit einer linearen Bewegung verknüpft. Dies nutzen Encoder für die Wegmessung. Wichtig ist bei der richtigen Abstandsmessung bzw. Wegmessung, dass ein passender Umrechnungsfaktor gewählt wird. Dieser Umrechnungsfaktor muss den Messaufbau, die Geometrie sowie Unter- oder Übersetzungsverhältnisse berücksichtigen.
Die Lagerungen der Wellen von Drehgebern sind diversen Belastungen ausgesetzt. Diese unterschiedlichen Belastungen können verschiedene Ursachen haben, wie Montagetoleranzen (Winkel- Radialversatz), thermisch verursachte Strukturveränderungen (Verformung) oder klassische Verschleißwirkungen aufgrund von Vibrationen an der Welle. Dies beeinflusst die Signalgüte und die Lebensdauer des Drehgebers. Durch den Verzicht von Kupplungen wird in den meisten Fällen eine zu hohe Lagerlast am Drehgeber verursacht. Dies hat zur Folge, dass sich die Lebenszeit des Encoders erheblich verkürzen kann.
Inkrementale Drehgeber
Den inkrementalen Drehgeber (Encoder) gibt es mit magnetischer und optischer Abtastung.
Bei der optischen Abtastung des inkrementalen Sensors ist eine Codescheibe (Strichcode) drehbar gelagert. Eine LED beleuchtet die Codeschreibe, welche strichförmige Löcher aufweist. Ein dahinter gelagerter Empfänger (optoelektronisches Element) wandelt das empfangene Licht in ein elektrisches Signal um. Es entsteht ein charakteristisches Hell-Dunkel Signal, welches bei Drehung der Scheibe einen annähernd sinusförmigen Verlauf annimmt.
Bei der magnetischen Abtastung ist jede Winkelposition durch einen Feldvektor fest definiert. Der Encoder besitzt einen rotierenden Permanentmagneten, der das benötigte magnetische Feld aufbaut. Die Feldvektoren werden von einem Sensorelement in inkrementale Signale transformiert.
Die elektrischen Signale werden sofort im Drehgeber generiert und entsprechend des Anwendungsfalls durch unterschiedliche Ausgangsschaltungen zur Verfügung gestellt.
Anzahl der Kanäle bei inkrementalen Drehgebern
Einkanalige Drehgeber werden eingesetzt, wenn eine Richtungserkennung nicht notwendig ist. Dies ist z.B. der Fall bei Längen- und Drehzahlmessungen.
Zweikanalige Drehgeber besitzen einen A und B Kanal, die um 90° zueinander versetzt sind. Die Phasenbeziehung wird von der Elektronik ausgewertet und erkennt die Drehrichtung anhand einer steigenden oder fallenden Flanke. Dies wird unter anderem bei der Überwachung der Drehrichtungen von Motoren angewendet.
Dreikanalige Drehgeber besitzen neben dem A und B Kanal noch einen Z Kanal (auch Nullimpuls genannt). Dieser Z Kanal besteht aus einem einzelnen Impuls, der bei einem Rundlauf der Codescheibe ausgegeben wird. Dies findet meist Anwendung, wenn eine Referenzfahrt notwendig ist.
Impulsvervielfachung und invertierte Signale bei Encodern und Drehgebern
Die Auflösung eines zweikanaligen inkrementalen Drehgebers bzw. Encoders kann durch entsprechende Flankenauswertung in der Folgeelektronik verdoppelt oder vervierfacht werden. Die Anzeigen der PAX-Serie von WayCon besitzen eine vierfach-Flankenauswertung und erzeugen somit bei einem Drehgeber mit 2500 physikalisch vorhandenen Impulsen / Umdrehung eine Auswertung von 10.000 Impulsen / Umdrehung.
In Umgebungen, bei denen mit Störungen auf den Signalleitungen zu rechnen ist, oder bei sehr langen Zuleitungen, wird der Einsatz von Drehgebern mit zusätzlich invertierten Signalen (auch Komplementärsignale) empfohlen.
Auflösung und Impulsfrequenz bei inkrementalen Encodern
Die Anzahl der Impulse pro Umdrehung wird durch die benötigte Auflösung bestimmt. Der Encoder nimmt rotatorische Bewegungen auf, daher muss die zu messende lineare Bewegung in eine rotarische umgewandelt werden.
Ein Beispiel zur Verdeutlichung: Ein Encoder wird an ein Messrad angeflanscht. Dieses Messrad besitzt einen Umfang von 100 mm. Es wird somit ein Weg von 100 mm pro Umdrehung zurückgelegt. Die Auflösung bzw. Messgenauigkeit soll 0,2 mm nicht unterschreiten. Es gilt, die Impulszahl pro Umdrehung zu ermitteln, welche der Encoder mindestens zur Verfügung stellen muss.
| gegeben: | gesucht: |
|---|---|
- Umfang des Messrades: U = 100 mm - Genauigkeit des Systems: G = 0,2 mm | - Auflösung des Encoders: A |
Die Auflösung ergibt sich durch: Umfang / Genauigkeit [U/G] = 500 Impulse pro Umdrehung.
Jeder Encoder besitzt eine auftretende Impulsfrequenz, welche durch die maximale Drehzahl determiniert ist. Die Drehzahl muss vorher bekannt sein, da Encoder und Drehgeber aufgrund ihrer mechanischen Elemente nicht beliebige Drehzahlen aufnehmen können. Ein Impuls ist eine Bewegungsgröße oder -menge und daher eine physikalische Größe, die den Bewegungszustand eines Objektes definiert, welches sich als Ganzes in fortschreitender Bewegung befindet.
Die am Encoder auftretende Impulsfrequenz ergibt sich aus der Auflösung pro Umdrehung der maximalen Drehzahl. Ein Beispiel verdeutlicht die Berechnung dieser Frequenz:
| gegeben: | gesucht: |
|---|---|
- Drehzahl n = 3000 min^(-1) - Auflösung des Encoders A = 100 Impulse / Umdrehungen | - Minimale Impulsfrequenz des Drehgebers: f = n x A / 60 |
Die minimale Impulsfrequenz, die der Encoder erreichen muss beträgt 5 kHz.
Digitalausgänge und Gegentaktausgänge
Winkelgeber werden für die Automation aufgrund ihrer hohen Genauigkeit bei schnellen Messzeiten verwendet. Digitale Signale werden meistens für die Ansteuerung von Steuerungssystemen wie z.B. SPS eingesetzt.
Die sinusförmigen Impulse werden nach der Digitalisierung als Rechteckimpulse zur Verfügung gestellt.
• Blick auf die Welle, dreht sich die Welle im Uhrzeigersinn
• Invertierte Signale sind möglich
• Der Z-Impuls ist mit den Kanälen A und B UND verknüpft
Für die Übertragung stehen mehrere Ausgangsarten zur Verfügung wie z.B. RS422 (TTL-kompatibel) oder Gegentakt (Push-Pull, HTL). Bei der Wahl des geeigneten Ausganges sollten einige Punkte berücksichtigt werden:
• Die Randbedingungen, mit welcher der Drehgeber in Verbindung steht
• Die benötigte Versorgungslänge
• Die Absicherung gegen Störeinflüsse
Gegentaktausgänge sind unter anderem für Zählerkarten, elektronische Zähler und SPS-Eingänge geeignet.
