Präzise Messung: Inkrementalgeber

Inkrementalgeber von FAULHABER messen die Wellendrehung und ermöglichen sowohl die präzise Drehzahlmessung als auch die hochgenaue Positionierung des Antriebs. Bei den meisten bürstenlosen DC-Motoren von FAULHABER werden vollständig integrierte analoge Hall-Sensoren angeboten, die die Funktion eines Inkrementalencoders ersetzen können. Für die anderen Motoren sowie für Anwendungen, die eine höhere Genauigkeit erfordern, stehen passende Inkremental-Drehgeber zur Verfügung. Sie sind äußerst kompakt aufgebaut und verlängern die jeweilige Antriebslösung nur minimal.

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Drehgeber (engl. Encoder) erfassen die Drehbewegung einer Welle. Dabei unterteilen sie die Umdrehung in mehr oder weniger kleine Impulse, je nach ihrer Auflösung. Ein Inkrementalgeber erkennt nicht die absolute Position einer Motorwelle, sondern erfasst sie nur relativ in Bezug auf eine Referenzposition. Er zählt also mit, wie viele Impulse die jeweils aktuelle Position von der Referenz entfernt ist. Aus diesem Wert lassen sich Positionsdaten ableiten. Bei FAULHABER gibt es Inkremental-Drehgeber mit optischem und magnetischem Messprinzip.

Wie funktioniert ein magnetischer Inkrementalencoder?

Das Gerät erfasst Veränderungen eines magnetischen Felds mittels Sensoren. Ein Gebermagnet auf der Motorwelle liefert das Magnetfeld, das sich mit der Motordrehung bewegt. Die Sensoren sind auf der Platine des Encoders platziert und detektieren diese Drehbewegung.

Neben der Elektronik besteht ein optischer Inkrementalgeber aus drei wesentlichen Komponenten: Lichtquelle, Taktscheibe und Fotodetektor. Der gebündelte Lichtstrahl der Lichtquelle ist auf die Taktscheibe gerichtet, die sich mit der Motorwelle dreht. Die Scheibe ist in Felder mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften unterteilt.

Bei reflektiven Encodern wechseln sich spiegelnde und schwarze Felder ab. Das Licht wird von den spiegelnden Feldern zurückgeworfen, Lichtquelle und Fotodetektor befinden sich auf derselben Seite der Taktscheibe. Lichtquelle, Fotodetektor und die Elektronik können hier auf derselben Platine oder sogar im selben Chip untergebracht werden, was eine besonders kompakte Bauform ermöglicht. Bei transmissiven Inkrementalgebern ist die Scheibe dagegen durch Schlitze unterteilt, durch die der Lichtstrahl hindurchfällt. Leuchte und Detektor sind hier getrennt.

In beiden Fällen erfasst der Fotodetektor die Lichtpulse von der Taktscheibe. Die Auswertung der Pulsabfolge liefert die Information über Drehzahl und relative Position. Optische Encoder zeichnen sich durch eine sehr hohe Positions- und Wiederholgenauigkeit und eine sehr hohe Signalgüte aus. Außerdem sind sie unempfindlich gegenüber magnetischen Störungen.

FAULHABER bietet Inkrementalgeber mit optischem oder magnetischem Messprinzip an. Bei den optischen Geräten wird ein Lichtstrahl von einer Taktscheibe in Pulse unterteilt. Diese werden von einem Fotosensor erfasst und dienen als Grundlage für das Encoder-Signal. Optische Inkrementalgeber von FAULHABER beruhen überwiegend auf dem reflektiven Verfahren, da dieses besonders kompakte Lösungen ermöglicht.

Magnetische Inkrementalgeber erfassen mithilfe von Sensoren die Veränderungen eines magnetischen Feldes infolge der Motordrehung.

Elektronik steigert Auflösung

Spezielle Elektronikbausteine verarbeiten die Impulse der optischen oder magnetischen Sensoren und generieren die standardisierten Ausgangssignale der Encoder. Sie können die Sensorsignale außerdem interpolieren. Dabei werden aus einem physikalisch gemessenen Impuls mehrere Impulse erzeugt. Die physikalische Auflösung des Inkrementalencoders kann damit um ein Vielfaches erhöht werden.

Die Encoder können mit zwei oder drei Kanälen ausgestattet sein. Geräte mit drei Kanälen ermitteln bei jeder Umdrehung einen Index. Bei optischen Gebern stammt er von einem abweichend gestalteten Feld auf der Taktscheibe, bei magnetischen von einem zusätzlichen kleinen Magneten oder einer Veränderung des bestehenden Magneten an einem definierten Punkt. Da ein Inkrementalencoder keine absoluten Positionen erfasst, sondern nur relative, ist zur Positionierung ein externer Sensor zur Referenzierung notwendig. Dabei wird einmalig eine absolute Position (Nullpunkt) durch den externen Sensor erfasst.

Line Driver eliminiert Störung

Die meisten Inkremental-Drehgeber von FAULHABER sind optional mit einem Line Driver ausgestattet, um elektromagnetische Störungen bei der Signalübertragung zu eliminieren. Solche Störungen können vor allem dann auftreten, wenn die Encoder-Signale über Strecken von 0,5 Metern  Länge übertragen werden. Der Line Driver erzeugt für alle Kanäle ein zusätzliches differentielles Signal. Die Signale werden in der Steuerung mit einem Empfängerbaustein wieder zusammengeführt.

Welche Variante die optimale Lösung bietet, hängt von den Einsatzbedingungen und den Anforderungen an die Genauigkeit ab.

Da magnetische Inkrementalgeber keine optischen Signale benötigen, sind sie unempfindlicher gegen Staub. Außerdem sind sie mechanisch einfacher und robuster als optische Encoder. Die meisten magnetischen Inkrementalgeber von FAULHABER sind modular aufgebaut und erlauben eine anwendungsspezifische Anpassung der Auflösung. Genauigkeit und Signalqualität der magnetischen Inkrementalgeber sind für den Großteil der Anwendungen ausreichend.

Optische Inkrementalgeber sind unempfindlich gegenüber magnetischen Interferenzen. Außerdem lässt sich über eine Taktscheibe eine höhere physikalische Auflösung erzielen als über einen Gebermagneten. Das ist die Grundlage für eine sehr hohe Positions- und Wiederholgenauigkeit und eine sehr hohe Signalqualität. So bietet FAULHABER z.B. einen optischen Inkrementalgeber an, dessen Taktscheibe eine Umdrehung in 625 Signalperioden unterteilt. Durch Interpolation kann daraus eine Impulszahl von 10.000 mit 40.000 einzelnen Flanken erzielt werden, was einer Winkelauflösung von 0,009 Grad entspricht.

Inkremental-Drehgeber sind immer Teil einer Antriebslösung und müssen zum Motor passen. Grundsätzlich wurden die Inkrementalgeber von FAULHABER für die Kombination mit ausgewählten Motorfamilien entwickelt. Für fast jeden Motor aus dem FAULHABER Portfolio steht so mindestens ein passender Inkrementalgeber zur Verfügung.

Mit unserem Drive Calculator finden Sie schnell die auf Ihre Anforderungen zugeschnittene Antriebslösung. Dort können Sie auch einen Encoder hinzufügen. Worauf es bei der Auswahl des Encoders im Einzelnen ankommt, erfahren Sie in unserem Webinar „Encoder Selection – Der richtige Encoder für Ihr Antriebssystem“.

Für eine individuelle Beratung steht unser Vertriebsteam sehr gern zur Verfügung.