Absoluter Drehgeber

Ein Drehgeber ist ein elektromechanisches Gerät, das zur Überwachung rotierender Objekte wie Wellen und Achsen verwendet wird. Drehgeber können zur Messung der Position, des Abstands und der Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Welle verwendet werden.

Es gibt zwei Arten von Drehgebern: inkrementale Drehgeber und absoluten Drehgebern. In diesem Artikel werden wir uns mit folgenden Themen befassen Absolutwert-Drehgeber, ihr Funktionsprinzip und ihre Anwendungen.

Was ist ein absoluter Drehgeber?

Absolute Drehgeber gehören zur Familie der Drehgeber. Sie werden verwendet, um folgende Parameter von rotierenden Objekten wie Wellen oder Achsen zu messen:

• Winkelgeschwindigkeit
• Informationen zur Position
• Entfernung

Absolute Drehgeber werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Messung von Position und Winkelverschiebung erforderlich ist. Diese Sensoren kommen auch in Systemen zum Einsatz, in denen die Drehgeschwindigkeit gemessen werden soll.

Diese Sensoren geben ein eindeutiges Wort aus (ein Wort ist eine Bitmenge) gemäß der aktuelle Position des Sensors.

Dies unterscheidet sich von inkrementalen Drehgebern, da inkrementale Drehgeber so konzipiert sind, dass sie einen kontinuierlicher Strom allgegenwärtiger Impulse während die Absolutwertgeber einen eindeutiger Satz von Bits für jede Position des Sensors.

Dies ermöglicht uns die Messung der exakte (absolute) Position der Welle, anstatt die Berechnung der Positionswechsel.

Schauen wir uns die Funktionsweise von absoluten Drehgebern einmal genauer an.

Absoluter Drehgeber Arbeitsprinzip

Absolute Drehgeber sind im Vergleich zu inkrementalen Drehgebern etwas komplexer im Betrieb, aber einfach in der Anwendung. 

Ähnlich wie bei den inkrementalen Drehgebern ist auch bei den absoluten Drehgebern eine rotierende Welle am Sensor befestigt. Die Welle ist mit einer Scheibe verbunden, die mit einer Reihe von Schlitzen versehen ist. Diese Scheibe wird auch als "Codewheel" bezeichnet.

Das Codewheel hat ein einzigartiges Bitmuster. Im Gegensatz zu inkrementalen Encodern, bei denen alle Schlitze in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sind, unterscheiden sich die Schlitze des absoluten Encoder-Codewheels voneinander.

Wenn sich die Welle dreht, dreht sich auch das Codierrad mit. Es gibt eine Reihe von LEDs, die Lichtstrahlen auf das Codewheel aussenden. Wenn die Lichtstrahlen auf die Schlitze ausgerichtet sind, passieren sie das Codewheel, den festen Spalt und beleuchten die Fototransistoren.

Es gibt magnetische Absolutwertgeber, die die LED-Anordnung durch eine magnetische Sensoranordnung und eine Reihe von Magnetpolen ersetzen, die die optischen Marker ersetzen.

Jeder Fototransistor arbeitet unabhängig und gibt bei Beleuchtung ein logisches HIGH-Signal aus. Wenn kein Lichtstrahl auf einen bestimmten Fototransistor trifft, gibt er ein logisches LOW-Signal aus.

Die Anzahl der Fototransistoren und die Anzahl der in das Codewheel eingravierten Schlitze bestimmen die Genauigkeit und Auflösung des absoluten Drehgebers.

Dies wird in der Regel angegeben in Bits. Ein Absolutwertgeber mit einer Auflösung von 8 Bit kann zum Beispiel 256 Positionsinformationen liefern und Winkelverschiebungen in Schritten von 1,41 Grad messen.

Je nach Art des Absolutwertgebers und seiner Konstruktion sind verschiedene Ausgangskonfigurationen möglich:

• Paralleler Ausgang
  • Dieser Sensortyp hat mehrere Ausgangsleitungen, die die Positionsinformationen liefern. Ein 8-Bit-Sensor mit parallelem Ausgang hat zum Beispiel 8 Signalleitungen und zwei Stromversorgungsleitungen. Der Ausgang kann kodiert werden in binär oder Gray-Code Format.
  • Sensoren mit parallelem Ausgang haben einen sehr geringen Anteil an eingebauten Schaltkreisen, da sie nicht viel Verarbeitung erfordern.

• Serieller Ausgang
  • Absolutdrehgeber mit seriellem Ausgang geben die Positions- und Geschwindigkeitsinformationen über ein synchrones Datenübertragungsprotokoll aus.

• Sensoren mit seriellem Ausgang verfügen über Daten- und Taktleitungen und geben pro Takt ein Bit aus. Diese Sensoren sind auch in binären oder grau kodierten Ausgabeformaten erhältlich.
• Für zusätzliche Störfestigkeit verwenden die Sensoren mit seriellem Ausgang eine Differenzialpaar-Kommunikation gemäß RS-422-Norm. Ein Paar pro Takt und ein weiteres für die Datenleitungen.
• Die gängigsten synchronen Kommunikationsmethoden für absolute Drehgeber sind SSI: Synchrone Serielle Schnittstelle, BiSS: Bidirektionale Synchrone Serielle Schnittstelle und Hiperface DSL. Es gibt auch proprietäre Schnittstellen wie EnDat2.2.

• Analoger Ausgang
  • Sensoren mit Analogausgang geben je nach Position des Sensors eine Spannung oder einen Stromwert aus.

Vorteile von absoluten Drehgebern

Absolute Drehgeber sind zwar etwas teurer, bieten aber zahlreiche Vorteile bei der Positionserfassung:

• Gibt die absolute Position der Welle aus
  • Wenn sie abgefragt werden, geben Absolutwertgeber eine eindeutige Positionsinformation in Bezug auf ihre aktuelle Position aus. Dies bedeutet, dass keine zwei Positionen der Welle bei einer 360-Grad-Drehung identisch sind.
• Mehrere Ausgabeoptionen
  • Absolute Drehgeber haben mehrere Ausgangstypen: parallel, seriell (Standard- und proprietäre Protokolle)
• Unempfindlich gegen Stromausfälle
  • Absolute Drehgeber leiden nicht unter Stromausfällen. Sie sind immer bereit, direkt nach einem Stromausfall Positionsdaten zu liefern.
• Hohe Auflösung
  • Durch einfaches Erhöhen der Anzahl der Geberspuren und der Abtasteinheiten können absolute Drehgeber eine viel höhere Auflösung als inkrementale Drehgeber haben.

Inkrementale gegenüber absoluten Drehgebern

Der Hauptunterschied zwischen absoluten und inkrementalen Drehgebern ist ihre Funktionsweise. Absolute Drehgeber können Positionsinformationen liefern, auch wenn sich die Welle nicht dreht.

Inkrementalgeber können nur dann Impulse liefern, wenn sich die Welle dreht. Zur Bestimmung der relativen Position und des Abstands sollte eine separate Impulszählung durchgeführt werden. 

Inkrementale Drehgeber müssen einen separaten "Referenzpunkt" haben, um die Ausgangs-/Referenzposition der Welle zu bestimmen. Absolute Drehgeber hingegen benötigen keinen solchen Zusatz und können eine unmittelbare Position zur Referenzierung der Welle liefern.

Dies kann bei Anwendungen sehr nützlich sein, bei denen ein Drehen der Welle zum Erreichen der Ausgangsposition unerwünscht ist.

Inkrementalgeber erfordern spezielle Hochgeschwindigkeitsdecodermodule, um die Informationen über Geschwindigkeit, Position und Abstand zu erhalten. Dies schränkt die Integration mit anderen elektronischen Geräten als SPS und Mikrocontrollern ein. Manchmal kann sich der Verarbeitungsaufwand auch negativ auf die Leistung des Systems auswirken. 

Absolute Geber haben eine höhere Gesamtauflösung als inkrementale Gegenstücke. Die Auflösung von inkrementalen Drehgebern ist durch die physikalische Größe der Scheibe und den Frequenzgang des Systems begrenzt.

Absolute Drehgeber sind immer bereit, bei Bedarf Positionsinformationen zu liefern, während inkrementale Drehgeber ständig überwacht werden müssen, um die Impulsfolge zu erhalten und die aktuelle Geschwindigkeit, Richtung und Entfernung zu berechnen. Aus diesem Grund können sich absolute Drehgeber leicht von Stromausfällen erholen.

Absolute Encoder Anwendungen

Absolute Drehgeber werden hauptsächlich in hochpräzisen Positionierungsanwendungen eingesetzt, wie z. B.,

• Mehrachsige CNC-Maschinen (Montage und Fertigung)
• Roboterarme (Operationsroboter, diagnostische Bildgebung)
• Positionierungssystem für Aufzüge
• Druckanwendungen
• Motorsportindustrie (Steer-by-Wire-Systeme) und viele mehr.

Absoluter Encoder-Ausgang

Absolute Drehgeber geben für jede Position der Welle eine Reihe von Bits aus, die als "Wort" bezeichnet werden. Es gibt drei Arten von Ausgängen für absolute Drehgeber: parallel, seriell und analog.

Encoder mit parallelem Ausgang haben eine Anzahl von n Drähten (n=Anzahl der Bits (Auflösung)), die die entsprechenden Bits des Wortes ausgeben. Die nachstehende Abbildung zeigt den Ausgang eines Absolutwertgebers mit einem 6-Bit-Wort. Das Ausgangswort kann sein Gray-Code oder binär Format.

Encoder mit seriellem Ausgang geben einen Datenstrom aus, wenn sie "abgefragt" werden. Der Sensor verfügt über einen integrierten Mikrocontroller-basierten Signalverarbeitungsschaltkreis. Es gibt serielle Bussysteme wie SSI, BiSS, EnDat, Modbus und Profibus, die es einem unterstützten Gerät ermöglichen, mit dem Sensor zu kommunizieren.

Sensoren mit Analogausgang geben je nach Position des Sensors ein Spannungs- oder ein Stromsignal aus.

Arten von absoluten Drehgebern

Absolute Drehgeber können auf der Grundlage der Sensortechnologie in folgende Kategorien eingeteilt werden optisch und magnetisch. Optische Drehgeber verwenden sichtbares Licht (LEDs) und ein geschlitztes Codewheel.

Magnetische Drehgeber verwenden Magnetpole und eine magnetische Abtastanordnung um die aktuelle Position des Codewheels zu ermitteln.

Die andere Klassifizierung basiert auf dem Ausgangstyp. Es gibt Single-Turn- und Multi-Turn-Absolutwertgeber. Single-Turn-Absolutwertgeber können nur Positionsinformationen in einer einzigen Umdrehung von 260 Grad liefern.

Multiturn-Drehgeber liefern zusätzliche Daten, die die Anzahl der 360-Grad-Umdrehungen der Welle angeben. Dies hilft, die Anzahl der Umdrehungen zu bestimmen, ohne von Anfang an zählen zu müssen.

Single-turn vs. Multi-turn Absolutwertgeber

Je nach Verfügbarkeit einer speziellen Funktion zur Zählung der Umdrehungen gibt es zwei Arten von Absolutwertgebern: Single-Turn- und Multi-Turn-Absolutwertgeber.

Single-Turn-Absolutwertgeber können die Position innerhalb einer Umdrehung messen.

Wenn sich beispielsweise ein Single-Turn-Absolutwertgeber von seiner Ausgangsposition aus um 360 Grad dreht und den 361sten Umdrehungsgrad erreicht, beginnt der Sensor die Ausgabe am Anfang. Er zeigt die Position als 1 Grad an. 

Diese Sensoren können nicht zählen oder ein spezielles Signal liefern, wenn die Drehung eine volle Umdrehung überschreitet. Zum Beispiel kann der Sensoren der Serie 845G von Allen Bradley haben einen 12-Bit-Ausgang, wobei 0 das Minimum und 4095 das Maximum ist. Sobald 4096 erreicht ist, erreicht der Ausgang 0.

Single-Turn-Absolutwertgeber finden sich in Anwendungen wie:

• Fernrohre
• Rotierende Antennen
• Windturbinen-Generatoren
• Tore/Türen

Bei Single-Turn-Drehgebern fehlt nur die Funktion der Umdrehungszählung, sie können für Geschwindigkeits- und Positionsmessungen verwendet werden. Bei Bedarf kann die Ausgangsposition als Referenz verwendet werden, und die Software-Methode kann zum Zählen der ungefähren Anzahl von Umdrehungen verwendet werden.

Multiturn-Absolutwertgeber hingegen können auch die Umdrehungen zählen. Ein 12-Bit-Multiturn-Absolutwertgeber hat zum Beispiel 4096 Schritte pro Umdrehung und kann auch 4096 Umdrehungen zählen. Multiturn-Drehgeber verwenden eine der folgenden Technologien, um die Umdrehungszahl beizubehalten:

• Getriebetyp
  • Drehgeber mit Getriebe verwenden eine Reihe von Planetenrädern, um die Anzahl der Umdrehungen zu erfassen. Diese Typen haben den Nachteil, dass sie mit der Zeit mechanisch verschleißen.
• Batterie-Backup-Typ
  • Dieser Typ verwendet einen elektronischen Zähler und einen Speicher zum Speichern der Zählerinformationen. Sie können die Umdrehungen auch im ausgeschalteten Zustand zählen. In den meisten Fällen ist die Batterie jedoch in den Sensor eingebaut. Je nach Nutzungshäufigkeit muss sie möglicherweise von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden.
• Wiegand-Sensortyp
  • Wiegand-Draht-Sensoren verwenden einen speziellen Draht, der in der Nähe der Welle gewickelt ist, und nutzen einen magnetischen Impuls, um eine Änderung der Polarität auszulösen. Dieser Wechsel erfolgt nach jeder abgeschlossenen Umdrehung. Dieser Wechsel wird zur Zählung der Umdrehungen verwendet.

Multiturn-Drehgeber finden sich in Anwendungen wie z. B.,

• Robotische Gelenke
• Kräne
• Servomotoren (360 Servos)
• Steuerungssysteme für Satellitenschüsseln und viele andere, bei denen ein Drehpunkt nicht zugänglich/verfügbar ist.

Was ist ein magnetischer Absolutwertgeber?

Magnetische Absolutwertgeber verwenden Magnetpole und Magnetsensoren anstelle von LEDs und Fotodioden, wie sie in optischen Gebern verwendet werden. Die Abbildung unten zeigt ein Beispiel für ein absolut kodiertes magnetisches Drehgeberrad.

Die äußere Polanordnung hat einen Magnetpol mehr als die innere Anordnung. Dies bewirkt, dass die inneren und äußeren Polpaare eindeutig versetzt sind.

Die Sensoren nehmen die Signale von jeweils einem Pol pro Rad auf und berechnen deren Phasenunterschied (Phasenverschiebung). Diese analoge Phasendifferenz wird dann in einen digitalen Wert umgewandelt, der ausgegeben wird.

Magnetische Drehgeber sind sehr robust und widerstandsfähig gegen Stöße und Vibrationen.

Sie finden ihren Einsatz in Umgebungen, in denen sich partikelförmige Verunreinigungen wie Staub, Feuchtigkeit und andere Materialpartikel ansammeln können. Aufgrund ihres Funktionsprinzips sind magnetische Drehgeber jedoch anfällig für Störungen, die durch starke Magnetfelder verursacht werden.

Anschließen eines Absolutwertgebers an den Raspberry Pi

Während der Anschluss eines Absolutwertgebers an einen Raspberry Pi einfach sein kann, kann das Programm zum korrekten Lesen der Eingänge je nach Sensortyp etwas kompliziert werden. Schauen wir uns an, wie man einen Absolutwertgeber mit seriellem Ausgang anschließt (EMS22A) mit einem Raspberry Pi.

Verdrahtung des Sensors

Der Sensor hat das folgende Verdrahtungsformat:

Verbinden Sie die Kabel des Sensors wie folgt mit dem Raspberry Pi:

• Pin 2 (CLK) -> RPi Pin 2
• Pin 4 (DO) -> RPi Pin 3 (wenn Sie mehr als einen Sensor verwenden, verbinden Sie den Datenpin des zweiten Sensors mit Pin 14)
• Pin 6 (CS) -> RPi Pin 4
• VCC -> RPi +5V Anschluss
• GND -> RPi GND-Pin

Beispiel Code

Um die Informationen vom Sensor abzufragen, wird der folgende Beispielcode, der von HareshKarnan kann verwendet werden. Bei der Ausführung werden die Messwerte des angeschlossenen Sensors gedruckt.

importieren Zeit
importieren RPi.GPIO als GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

PIN_CLK = 2
PIN_DAT = [3,14]
PIN_CS = 4
Verzögerung = 0.0000005
ns = 2 # Anzahl der angeschlossenen Sensoren
# insgesamt 10 Bits, die aus dem SSI-Signal extrahiert werden
bitcount = 16

#-Pin-Setup hier erledigt
Versuchen Sie:
GPIO.setup(PIN_CLK,GPIO.OUT)
GPIO.setup(PIN_DAT[:],GPIO.IN)
GPIO.setup(PIN_CS,GPIO.OUT)                                                                                              
GPIO.output(PIN_CS,1)
GPIO.output(PIN_CLK,1)
außer:
drucken "ERROR. Die angeforderte Konfiguration konnte nicht eingerichtet werden"                               

1TP5Warten Sie einige Zeit bis zum Start
time.sleep(0.5)

drucken "GPIO-Konfiguration aktiviert"

def Taktgeber():
GPIO.output(PIN_CLK,1)
def Uhrzeiten():
GPIO.output(PIN_CLK,0)
def MSB():
# Höchstwertiges Bit
clockdown()

def readpos():
GPIO.output(PIN_CS,0)
time.sleep(delay*2)
MSB()
Daten = [0]*ns
   
für i in Bereich(0,bitcount):
    wenn i<10:
        #print i
        clockup()
        für j in Bereich(0,ns):
            data[j]<<=1 
            data[j]|=GPIO.input(PIN_DAT[j])
        clockdown()
    sonst:
        für k in Bereich(0,6):
            clockup()
            clockdown()
GPIO.output(PIN_CS,1)
return Daten

Versuchen Sie:
während(1):
    drucken readpos()
    time.sleep(0.001)
    #break
 
schließlich:
drucken "GPIO aufräumen"
GPIO.cleanup()

Absoluter Drehgeber Preis

Die Preise für absolute Drehgeber variieren von $10-15 bis über $1000. Dies ist hauptsächlich auf die verfügbaren Funktionen, die Auflösung, den Ausgangstyp und das verwendete Protokoll zurückzuführen. Proprietäre Sensoren mit hoher Auflösung sind in der Regel teurer als einfache Sensoren mit parallelem Ausgang, die zu einem niedrigeren Preis erworben werden können.

Schlussfolgerung

Drehgeber werden verwendet, um rotierende mechanische Komponenten wie Wellen und Stangen zu überwachen. Absolute Drehgeber und inkrementale Drehgeber sind die beiden Arten von Drehgebern.

Es gibt spezielle Encoder-Interface-Geräte, die den Roheingang eines Drehgebers lesen und die Geschwindigkeits-, Positions- und Abstandsinformationen an einen Computer ausgeben können.

Unterstützte Drehgeber können auch direkt an SPS und andere Computer angeschlossen werden, um die Rohwerte zu erhalten und Berechnungen innerhalb der Software durchzuführen.