Drehgeber
Drehgeber sind Sensoren, die mechanische Drehbewegungen in digitale oder analoge Signale umwandeln und in der industriellen Automatisierung, Robotik, CNC-Maschinen, Medizintechnik und Transportsystemen weit verbreitet sind. Durch die Erkennung von Winkelverschiebung, Geschwindigkeit und Richtung liefern sie präzises Feedback an Steuerungssysteme. Dieser Artikel erklärt ausführlich die Definition, Funktionsprinzipien, Klassifikationen, technische Parameter, vergleichende Analyse, Anwendungsszenarien, Standardvorschriften und Auswahlhinweise für Drehgeber.
Was ist ein Drehgeber
Ein Drehgeber ist ein Motor-Feedback-Gerät oder Positionssensor, der verwendet wird, um die Winkelverschiebung, Geschwindigkeit und Drehrichtung einer Welle zu messen. Seine Hauptfunktion besteht darin, Drehbewegungen in elektrische Signale umzuwandeln, die von einem Steuergerät decodiert werden, um die aktuelle Position und den Bewegungsstatus des Geräts zu bestimmen. Drehgeber werden hauptsächlich in inkrementelle Encoder, die Pulssignale ausgeben, und absolute Encoder, die einzigartige Positionsinformationen bereitstellen, unterteilt.
Funktionsprinzipien
Optische Erkennung
- Verwendet eine Lichtquelle, um eine Rasterscheibe mit transparenten und undurchsichtigen Abschnitten zu beleuchten.
- Wenn sich die Scheibe dreht, erzeugt ein Fotodetektor Pulssignale.
Magnetische Erkennung
- Verwendet magnetoresistive, Hall-Effekt- oder Giant Magnetoresistance (GMR)-Sensoren zur Erkennung von Magnetpoländerungen.
Induktive/Kapazitive Erkennung
- Änderungen in Induktivität oder Kapazität werden zur Erkennung der Winkelverschiebung verwendet und sind für raue Umgebungen (hohe Verunreinigungen, Vibration) geeignet.
Ausgangssignal-Logik
- Inkrementelle Encoder geben A- und B-Phasen (Quadratur) und eine Z-Phase (Nullreferenzimpuls) aus.
- Absolute Encoder liefern eindeutige mehrbitige Binär- oder Gray-Code-Signale.
Typen
✓ Nach Ausgangssignal
- Inkrementell: Gibt Pulssignale aus, geeignet für Geschwindigkeits- und Richtungsdetektion.
- Absolut: Gibt einzigartige Positionsinformationen aus, einturn oder multitur.
✓ Nach mechanischer Struktur
- Fester Wellenstumpf
- Hohler Wellenstumpf
- Blinder Hohlwellenstumpf
✓ Nach Erkennungstechnologie
- Optische Encoder
- Magnetische Encoder
- Induktive Encoder
- Kapazitive Encoder
✓ Nach Industriellem Protokoll & Ausgang
- TTL/HTL/RS422
- Sin/Cos
- SSI, BiSS-C, EnDat
- Profibus, Profinet, EtherCAT, CANopen
Technische Spezifikationen
| Parameter | Bereich/Details |
|---|---|
| Auflösung | 1 bis 4.194.304 PPR oder 8 bis 24 Bits |
| Maximale Geschwindigkeit | 3000 bis 12.000 U/min, Sondermodelle bis 20.000 U/min |
| Schutzklasse | IP50 bis IP68 |
| Betriebstemperatur | -40°C bis +105°C |
| Elektrische Parameter | 5V, 10-30V, Ausgangsstrom typischerweise < 100mA |
| Vibration/Stoßfestigkeit | IEC 60068-2: 10-20g (Vibration), 50-200g (Stoß) |
| Ausgangssignaltypen | TTL, HTL, RS422, SSI, BiSS-C, Profinet, EtherCAT |
Vorteile und Einschränkungen
Vorteile:
- Hohe Auflösung und Wiederholgenauigkeit.
- Schnelle Reaktion, geeignet für dynamische Steuerung.
- Verschiedene Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle.
- Hervorragende elektromagnetische Störfestigkeit für komplexe industrielle Umgebungen.
Einschränkungen:
- Optische Typen sind empfindlich gegenüber Verunreinigungen.
- Hochauflösende Modelle können kostspielig sein.
- Bestimmte Technologien können unter extremen Temperaturen/Vibrationen nachlassen.
Vergleich mit anderen Winkel-Sensoren
| Typ | Genauigkeit | Kosten | Widerstand gegen Störungen | Anwendungsflexibilität |
|---|---|---|---|---|
| Potentiometer | Gering | Niedrig | Schlecht | Einfache Systeme |
| Resolver | Mittel | Mittel | Hoch | Hohe Vibration, hohe Temperaturumgebungen |
| Drehgeber | Hoch (bis zu 24 Bit) | Mittel/Hoch | Hoch | Verschiedene industrielle Systeme |
Anwendungsbereiche
- Industrielle Automatisierung: Motorfeedback, Roboterarme.
- CNC-Maschinen: Spindel- und Vorschubachsen-Positionsfeedback.
- Robotik: Gelenksteuerung und Pfadfeedback.
- Medizintechnik: MRI, CT-Scanner-Drehungserkennung.
- Aufzüge und Transport: Kabinenpositionierung und Türsteuerungsfeedback.
- Wind- und Solarenergie: Blattwinkel und Solar-Tracking-Systeme.
Industriestandards
- IEC 61800-5-2:2016: Funktionale Sicherheit von Antriebssystemen.
- ISO 13849-1:2015: Sicherheit von Maschinensteuerungssystemen.
- IEC 60529:2020: Schutzart (IP-Code).
- IEC 60068-2: Umwelttests für Vibration und Stoß.
- ISO 9001:2015: Qualitätsmanagementsysteme für die Fertigung.
Häufige Probleme und Fehlerbehebung
| Problem | Mögliche Ursache | Lösung |
|---|---|---|
| Kein Ausgangssignal | Stromversorgung getrennt, Verdrahtungsfehler, Sensorschaden | Überprüfen Sie Stromversorgung, Verdrahtung, ersetzen Sie beschädigte Komponenten |
| Signal Schwankungen oder Verlust | Störungen, Kabelalterung, mechanische Lockerung | Überprüfen Sie die Erdung, ersetzen Sie Kabel, ziehen Sie Befestigungen an |
| Ausgangsfehler oder Schwankungen | Optische Verunreinigungen, magnetische Störungen, elektronische Alterung | Reinigen Sie optische Komponenten, beseitigen Sie Störquellen, ersetzen Sie Komponenten |
| Ausgangsverzögerung oder Schrittverlust | Fehlkonfiguration des Protokolls oder Inkompatibilität | Überprüfen Sie das Protokoll, inspizieren Sie die Verkabelung, aktualisieren Sie die Einstellungen des Controllers |
Auswahlleitfaden
- Anforderungsanalyse: Bestimmen Sie Messparameter (Position, Geschwindigkeit, Richtung).
- Encoder-Typ: Wählen Sie inkrementell oder absolut (Einzelumdrehung/multiturn).
- Erkennungstechnologie: Optisch, magnetisch, induktiv oder kapazitiv.
- Auflösung & Signal: Passen Sie die Systemgenauigkeit und Schnittstellenanforderungen an.
- Umweltgeeignetheit: Bestätigen Sie IP-Bewertung und Vibration/Stoßfestigkeit.
- Mechanische Schnittstelle: Wellen-Durchmesser, Befestigungsmethode und Lastanforderungen.
- Kommunikationskompatibilität: Stellen Sie sicher, dass sie mit SPS oder Bewegungssteuerungen kompatibel sind.
- Konformitätsstandards: Bevorzugen Sie Produkte, die IEC, ISO, UL und andere internationale Standards erfüllen.
Quellen
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 60529:2020
- IEC 60068-2 Serie
- ISO 9001:2015
Durch das umfassende Verständnis der Struktur, Funktionsprinzipien, Leistungsparameter und Anwendungen von Drehgebern können Ingenieure und Systemintegratoren eine präzise Auswahl und Systemintegration erreichen und die Steuerungsleistung sowie die Systemzuverlässigkeit optimieren.