Wann ist ein Absolut-Drehgeber richtig für Ihr Design?

20. März 2018 von Jeff Smoot

Wann ist ein Absolut-Drehgeber richtig für Ihr Design?

Wenn Sie die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung oder die Position einer rotierenden Welle messen müssen, benötigen Sie wahrscheinlich einen Drehgeber. Und wenn die Zeit kommt, einen auszuwählen, kommen zwei Haupttypen in Betracht: der Inkrementaldrehgeber und der Absolut-Drehgeber.

Es ist wichtig, die richtige Wahl zu treffen. Aus diesem Grund haben wir diese Kurzanleitung für Absolut-Drehgeber zusammengestellt, um Ihnen zu verdeutlichen, was sie sind, wie sie sich von Inkrementaldrehgebern unterscheiden und in welchen Situationen Sie sie benötigen.

Was ist ein Absolut-Drehgeber?

Ein Absolut-Drehgeber liefert an jedem Punkt der Drehung einen eindeutigen Positionswert oder ein Datenwort, der bzw. das die „absolute“ Position des Drehgebers darstellt. Ab dem Moment des Einschaltens kann Ihnen ein Absolut-Drehgeber die genaue Position der rotierenden Welle mitteilen, an der er Messungen durchführt. Dazu wird ein optischer, magnetischer oder kapazitiver Sensor verwendet, um einen eindeutigen Code von einer mit der Welle rotierenden Scheibe abzulesen. Entscheidend ist, dass ein Absolut-Drehgeber dies tun kann, ohne die Welle drehen zu müssen, und die Position daher selbst bei zeitweiligem Leistungsverlust verfolgen kann. Je mehr eindeutige Codes auf der Scheibe des Drehgebers vorhanden sind, desto genauer ist die Positionsangabe.

Bild zum Vergleich einer typischen optischen und kapazitiven Drehgeberscheibe
Vergleich einer optischen und kapazitiven Drehgeberscheibe

Auflösungen werden als Bits (Binärziffern) dargestellt, die der Anzahl eindeutiger Datenwörter einer Umdrehung entsprechen. Absolut-Drehgeber gibt es auch in Singleturn- und Multiturn-Varianten. Singleturn-Drehgeber liefern Positionsdaten über eine volle Umdrehung (360°) wobei sich die Ausgabe für jede Umdrehung der Welle wiederholt. Multiturn-Drehgeber liefern auch Positionsdaten über eine einzelne Drehung, haben aber einen zusätzlichen „Drehungs“-Zähler, der die Anzahl der Umdrehungen misst.

Absolut- gegenüber Inkrementaldrehgeber

Auf der anderen Seite arbeitet ein Inkrementaldrehgeber durch Erzeugen von Impulsen, wenn sich die Welle dreht. Ein typischer Inkrementaldrehgeber erzeugt 2 Rechteckwellen, die um 90 Grad phasenverschoben sind. Diese Impulse müssen von einer Elektronik außerhalb des Drehgebers verfolgt oder gezählt werden.

Zeichnung typischer Inkrementaldrehgeber-Wellenformen um 90° phasenverschoben
Typische Inkrementaldrehgeber-Wellenformen um 90° phasenverschoben

Auflösungen werden durch die Anzahl der Impulse pro Umdrehung (Pulses per Revolution, PPR) dargestellt und verkörpern die Anzahl der hohen Impulse, die ein Inkrementaldrehgeber von jedem seiner Rechteckwellen-Ausgangssignale erhält. Weitere Informationen zu den Impulsen pro Umdrehung eines Drehgebers entnehmen Sie bitte unserem Blog-Beitrag zu diesem Thema.

Da die Ausgabe eines Inkrementaldrehgebers immer nur 1 von 4 sich wiederholenden Zuständen ist, muss der Drehgeber auf einen bekannten festen Ort („Home“) bezogen werden, um sinnvolle Positionierungsinformationen zu liefern. Von der Home-Position aus, die oft auf den Indeximpuls des Drehgebers ausgerichtet ist, kann die inkrementale Änderung der Drehung der Welle verfolgt und die absolute Position der Welle bekannt werden. Dies muss jedes Mal geschehen, wenn der Inkrementaldrehgeber eingeschaltet wird oder wenn ein vorübergehender Stromausfall auftritt. Folglich dauert es länger, bis man die Absolut-Positionsmessung erhält, und die Welle muss sich dazu drehen.

Inkrementaldrehgeber sind weniger komplex als Absolut-Modelle und daher in der Regel kostengünstiger (obwohl der Preisunterschied abnimmt). Wenn Sie nur die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung oder die relative Position überwachen, ist ein Inkrementaldrehgeber in der Regel die beste Option. Aber wenn die absolute Position Ihr wichtigstes Anliegen ist, ist ein Absolut-Drehgeber die richtige Wahl.

Warum sollten Sie sich für einen Absolut-Drehgeber und nicht für einen Inkrementaldrehgeber entscheiden?

Zuerst einmal, da ein Absolut-Drehgeber die Position der Welle festhält, ist die Position bekannt, sobald Sie ihn mit Strom versorgen. Sie müssen nicht warten, bis der Drehgeber eine Referenzfahrt oder Kalibrierungssequenz abgeschlossen hat, und können die benötigten Positionsdaten beim Start oder nach einem Stromausfall schneller erhalten, auch wenn die Welle gedreht wurde, während der Drehgeber ausgeschaltet war.

Die genaue Position beim Start zu kennen, kann in vielen Systemen wichtig sein, wenn es bei bestimmten Positionen sicher ist, die Welle in der einen Richtung und nicht in der anderen weiter zu drehen. Je nach Anwendung kann eine falsche Richtung zu Schäden am Gerät, zu Verletzungen oder zu noch Schlimmerem führen. In Situationen wie diesen ist es entscheidend, dass Sie die genaue Position des rotierenden Geräts kennen, bevor sich Teile bewegen.

Genauso wichtig ist, dass ein Absolut-Drehgeber eine echte Position in Echtzeit liefert. Da immer mehr Systeme mit Verbindungen zu einem zentralen Kommunikationsbus digital werden, ist es von großem Vorteil, den Drehgeber mit minimaler Latenzzeit bei Bedarf nach der Echtzeitposition abfragen zu können. Um die Position mit einem Inkrementaldrehgeber auch nach der Referenzfahrt zu verfolgen, müssen Sie alle Impulse mit externen Schaltkreisen verfolgen (typischerweise über Quadratur-Dekodierung). Zusätzlich zu der benötigten externen Schaltung bedeutet dies auch, dass es eine gewisse Latenz bei der Bestimmung der Position gibt.

Diagramm, das die eindeutigen, digitalen „Wörter“ zeigt, die für jede Position in der angegebenen Auflösung eines Absolut-Drehgeber generiert werden
Absolut-Drehgeber generieren ein eindeutiges, digitales „Wort“ für jede Position in der angegebenen Auflösung

Es gibt noch andere Vorteile. Systeme, die Absolut-Drehgeber implementieren, sind im Allgemeinen weniger anfällig für elektrisches Rauschen, da sie die Position erhalten, indem sie einen fehlerüberprüften Code von Binärcodierern oder digital über einen seriellen Bus lesen. Inkrementaldrehgeber müssen dagegen Pulse zählen.

Damit verbunden ist die Tatsache, dass es relativ einfach ist, mehr als einen Absolut-Drehgeber in einem System zu kombinieren, vielleicht für die Fabrikautomation oder in einem Roboterarm mit mehreren Verbindungen. Wenn Sie Inkrementaldrehgeber verwenden, kann die Überwachung der Ausgänge mehrerer Geräte sehr kompliziert werden und erfordert eine erhebliche Rechenleistung. Doch mit Absolut-Drehgebern, insbesondere Drehgebern, die man an einem zentralen Kommunikationsbus anschließen kann, können Sie Daten von den einzelnen Gebern erhalten, was viel weniger Verarbeitungsleistung erfordert, um den Messwert zu interpretieren.

Absolut-Drehgeber-Anwendungen

Wir haben nun die wichtigsten Unterschiede zwischen Absolut- und Inkrementaldrehgebern erläutert. Sehen wir uns jetzt kurz einige spezifische Szenarien an, bei denen Absolut-Drehgeber verwendet werden.

Ein wichtiger Markt ist die Robotik, ein schnell wachsender Bereich, zu dem eine Vielzahl von Sektoren gehört. Bei der Fertigung sind Roboterarme für Montage, Schweißen, Farbspritzen und andere Aufgaben zu finden. Sie sind auch im Gesundheitswesen zu finden. Beispielsweise erfordert die Fernoperation große Mengen außergewöhnlich genauer Positionsinformationen aus Roboterarmen. Pflegeroboter sind ein weiterer aufstrebender Anwendungsfall für Absolut-Drehgeber.

Dies ist jedoch nur ein Bereich. Immer mehr Systeme werden digital, und die Preislücke zwischen Inkremental- und Absolut-Drehgebern schrumpft. Die Vielfalt der Anwendungen für Absolut-Drehgeber wird sowohl im Industrie- als auch im Verbrauchermarkt nahezu endlos. Von automatisierten Toren und Kameraaufhängungen bis hin zur Fabrikautomatisierung bieten Absolut-Drehgeber eine hocheffektive und zunehmend budgetfreundlichere Positionsbestimmung.

Ihre Absolut-Drehgeber-Optionen

Es ist wichtig, dass Sie den richtigen Drehgeber für Ihr Produktdesign auswählen. Deshalb müssen Sie die wichtigsten Unterschiede zwischen Inkremental- und Absolut-Drehgebern verstehen. Da sich die Preislücken schließen und die Technologien ändern, bieten Absolut-Drehgeber viele Vorteile gegenüber ihren inkrementellen Partnern, was sie zu einer faszinierenden Option für Positions-Feedback-Anforderungen macht.

Hilfreiche Ressourcen

Sehen Sie sich unser gesamtes Sortiment der Absolut-Drehgeber-Optionen an
Erfahren Sie mehr über die Grundlagen absoluter Drehgeber in unserem Technologie-Spotlight

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Jeff Smoot

Jeff Smoot

VP of Application Engineering & Motion Control

Seit Jeff Smoot im Jahr 2004 zu CUI stieß, hat er die Qualitäts- und Engineering-Abteilungen der Firma revitalisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung, Unterstützung und Markteinführung von Produkten. Mit dem Fokus auf dem Erfolg des Kunden hat er auch die Einrichtung eines Application-Engineering-Teams vorangetrieben, um den Ingenieuren und Technikern während des Designprozesses online und vor Ort eine bessere Design- und technische Unterstützung zu bieten. Nach der Arbeit genießt Jeff die freie Natur (Skifahren, Rucksackreisen, Camping), verbringt Zeit mit seiner Frau und vier Kindern und ist ein lebenslanger Fan der amerikanischen Football-Mannschaft Denver Broncos.

 
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