Inkremental- oder Absolutdrehgeber: Wesentliche Unterschiede und Auswahlkriterien
Leitfaden für Drehgeber: Funktionsweise von inkrementalen und absoluten Drehgebern, Signaltypen sowie Entscheidungshilfen für deren Auswahl in Anwendungen der Antriebstechnik.
Inkremental- oder Absolut-Drehgeber: Unterschiede und Leitfaden
Ein Inkrementalgeber gibt Impulse relativ zu einem Bezugspunkt aus und verliert seine Position nach dem Ausschalten; ein Absolut-Drehgeber gibt für jeden Wellenwinkel einen eindeutigen Positionscode aus und behält seine Position auch nach dem Ende der Stromversorgung bei. Bei beiden Produkten handelt es sich um Drehgeber, die manchmal auch als Wellendrehgeber, Rotationsdrehgeber oder Winkeldrehgeber bezeichnet werden. Beide gibt es in magnetischer und optischer Ausführung. Die richtige Wahl hängt entscheidend davon ab, was in dem Moment geschehen soll, in dem die jeweilige Maschine wieder eingeschaltet wird.
Wenn eine Anlage nach jedem Neustart einen Referenzfahrzyklus durchläuft oder eine Anlage mit einer absoluten Positionierung ausgestattet ist, die eigentlich nie unbedingt erforderlich ist, weist dies häufig darauf hin, dass diese Entscheidung zu voreilig getroffen wurde. Dies zeigt sich direkt in der Umrüstzeit, der Sicherheitsfreigabe und den Kosten für die Stückliste. Dieser Leitfaden erstreckt sich auf die Messprinzipien beider Drehgeber, die eingesetzte Technologie, ihre jeweilige Integration sowie die Kriterien für die Auswahl des richtigen Drehgebers für vier gängige Anwendungsfelder.
Was ist ein Inkrementaldrehgeber?
Ein Inkrementaldrehgeber misst die Bewegung, nicht die Position. Wenn sich die Welle dreht, erzeugt sie dabei einen Impulsstrom auf zwei Kanälen, die normalerweise mit A und B bezeichnet werden und um 90° zueinander versetzt sind (Quadratur). Ein Steuerungssystem zählt diese Impulse, um auf dieser Basis zu ermitteln, wie weit sich die Welle bereits gedreht hat. Die Phasenbeziehung zwischen A und B gibt die Richtung an. Viele Inkrementalgeber verfügen über einen dritten Kanal, Z, der einmal pro Umdrehung als Index- oder Referenzmarke ausgelöst wird.
Da der Drehgeber nur Veränderungen erkennen kann, kann er die Position der Welle beim Einschalten nicht ermitteln. Der Drehgeber kennt die relative Bewegung der Welle ab einem beliebigen Punkt, an dem die Zählung beginnt. Jedes Mal, wenn die Anlage ausgeschaltet und dann wieder eingeschaltet wird – etwa aufgrund eines Stromausfalls, eines Notstopps oder der regulären Inbetriebnahme am Morgen – muss deshalb ein Referenzfahrzyklus durchgeführt werden. Im Rahmen des Referenzfahrzyklus wird die Achse zu einem physischen Bezugspunkt (Endschalter, mechanischer Anschlag oder Z-Impuls) hin bewegt, um so eine zuverlässige Positionszählung wiederherzustellen.
- Ausgangssignale: Drehgeber, die Inkrementalsignale erzeugen, sind in der Regel HTL (störungsresistenter, häufig in industriellen Umgebungen anzutreffen) oder TTL (werden eingesetzt, wenn das Signal über längere Distanzen hinweg und mit höheren Frequenzen bei geringerem Spannungshub übertragen werden muss).
- Vorteile: Geringe Kosten, einfache Verkabelung, hohe Impulsauflösung verfügbar, gut geeignet für Geschwindigkeits- und Richtungsmessungen.
- Nachteile: Kein absoluter Wert beim Einschalten; erfordert einen Referenzfahrzyklus; ein fehlender Impuls führt am Ende zu einem Fehler bei der Ist-Position.
Was ist ein Absolut-Drehgeber?
Ein Absolutwertdrehgeber ordnet jeder bestimmten Winkelposition der Welle einen eindeutigen digitalen Code zu. Im Gegensatz zum Inkrementalgeber, der Impulse von einem beliebigen Startpunkt aus zählt, liest der Absolut-Drehgeber die Position direkt ab, so wie etwa eine Uhr auf einen Blick die Zeit anzeigt, anstatt dass man zählen müsste, wie weit sich die Zeiger bereits bewegt haben.
Singleturn-Absolutwertdrehgeber kodieren eine bestimmte Winkelposition innerhalb einer einzigen Umdrehung einer Welle von 0 bis 360 Grad. Multiturn-Varianten verfügen derweil über einen zusätzlichen Mechanismus, in der Regel ein Getriebe oder eine magnetische/batteriegestützte Zählstufe. Dieser Mechanismus erfasst auch die Anzahl der vollständig abgeschlossenen Wellenumdrehungen.
- Vorteile: Es ist keine Referenzfahrt erforderlich; beim Einschalten wird sofort eine gültige Position ausgegeben; Positionsfehler aufgrund von fehlenden Impulsen häufen sich nicht an; ideal für sicherheitskritische oder kritische Neustartachsen.
- Nachteile: Höhere Anschaffungskosten für die Einheit, in der Regel ist eine digitale Kommunikationsschnittstelle anstelle einer einfachen Impulsverbindung erforderlich, Multiturn-Varianten sind im Vergleich zu Singleturn-Produkten komplexer.
Die wichtigste Funktion ist der Positionsspeicher. Da der Code in direktem Zusammenhang mit dem Drehwinkel der Welle steht und nicht mit der akkumulierten Position, weiß der Drehgeber beim Wiedereinschalten der Stromversorgung genau, wo er sich gerade befindet. Es ist kein Referenzfahrzyklus erforderlich, um den Bezugspunkt zu ermitteln; es bestehen keine Verzögerungen und keine Risiken, während sich die Achse ohne Rückkopplung bewegt, um ihre Nullposition zu ermitteln.
Art des Drehgebers, Einbaubedingungen und Umgebungsbeschränkungen
Magnetische oder optische Drehgeber: Wahl der richtigen Sensortechnologie
Bei der Entscheidung für einen Inkremental- oder Absolutwert-Drehgeber steht die Frage im Vordergrund, welche Rückmeldung der Drehgeber ausgeben soll. Dies erfolgt über die entsprechende Sensorik. Diese Wahl ist somit unabhängig von der ersten Entscheidung, da sowohl bestimmte Inkremental- als auch Absolut-Drehgeber eine magnetische und optische Sensorik einsetzen.
Magnetische Drehgeber lesen einen magnetisierten Ring statt einer optischen Scheibe aus und erfassen Veränderungen im Magnetfeld anstelle von Unterbrechungen eines Lichtstrahls. Damit gibt es keinen empfindlichen optischen Pfad, der blockiert oder verschmutzt werden könnte. In Umgebungen mit Spritzwasser, Staub oder starken Vibrationen sowie in der lebensmittelverarbeitenden Industrie ist die magnetische Abtasttechnologie somit wesentlich widerstandsfähiger. Diese Technologie setzt auch BEGE in seiner MIG-Drehgeberbaureihe ein – eine patentierte magnetische Konstruktion, die zwischen Motor und Getriebe integriert ist.
Optische Drehgeber messen die Position mithilfe einer Glas- oder Folienscheibe aus, die mit verschiedenen Mustern versehen ist und bei ihrer Drehung einen Lichtstrahl unterbricht. Dadurch entsteht eine extrem feine Auflösung in sauberen und kontrollierten Umgebungen; die Scheibe und der Lichtstrahl selbst können jedoch durch Schmutz, Kondensation, Ölnebel oder Vibrationen beeinträchtigt werden, was zu einer Fehlausrichtung führt.
Praktische Richtlinie: Optische Drehgeber eignen sich am besten, wenn eine hohe Auflösung in einer sauberen Umgebung benötigt wird; magnetische Drehgeber werden hingegen idealerweise eingesetzt, wenn die Umgebung das Problem darstellt.
Werden Magnetgeber durch Motoren in der Nähe beeinträchtigt?
Drehgeber werden in der Regel tief im Inneren einer Maschine in der Nähe des Motors verbaut. Das wirft eine berechtigte Frage auf: Beeinträchtigen starke Magnetfelder des Motors die Messung? Nein, denn moderne magnetische Drehgeber können diesen externen Störungen gut standhalten.
Der Signalaustausch zwischen den beiden Teilen des Drehgebers erfolgt über eine bestimmte Frequenz, wodurch verhindert wird, dass externe Magnetfelder des nahegelegenen Motors mit dem Messsignal verwechselt werden. Genau aus diesem Grund müssen magnetische Drehgeber möglichst dünn und leicht sein, insbesondere für Anwendungen mit hoher Beschleunigung wie in der Robotik, wo jedes zusätzliche Gramm Gewicht bedeutsam sein kann.
Flansch- oder Hohlwellengeber
Drehgeber können auch anhand ihrer Montage am Antriebsstrang unterschieden werden. Ein Flanschdrehgeber wird direkt zwischen Motor und Getriebe eingebaut und an den Wellenflansch gekoppelt, anstatt auf einer separaten Abtriebswelle zu sitzen.
Ein Hohlwellendrehgeber wird direkt über die Abtriebswelle geschoben und von einem Drehmomentarm in Position gehalten. BEGE bietet eine Reihe von MIG-Drehgebern an, die sowohl in inkrementaler als auch in absoluter Ausführung mit Flanschmontage erhältlich sind: Der Antriebsstrang wird dadurch nicht länger, die Abtriebswelle bleibt frei und unbehindert, und der Drehgeber ist zwischen Motor und Getriebe gut geschützt.
Sie möchten in Ihrer Maschine oder Anlage einen Drehgeber einsetzen? Unsere Ingenieure beraten Sie gerne und unterstützen Sie dabei, die optimale Lösung für Ihre Anwendung zu finden.
So wählen Sie den richtigen Drehgeber aus: Ein Leitfaden für die Entscheidungsfindung
Beantworten Sie diese Fragen in der angegebenen Reihenfolge:
| Muss die Maschine ihre genaue Position sofort nach der Wiederherstellung der Stromversorgung kennen? | Ja → Verwenden Sie einen absoluten Drehgeber. Nein → Aus Preisgründen kann der Einsatz eines Inkrementalwertdrehgebers erwogen werden. |
| Ist der Referenzfahrtzyklus nach jedem Neustart gefährlich, langsam oder physikalisch unmöglich? (Roboterarme in unmittelbarer Nähe von Personen, Kräne, Hebebühnen, Achsen, die sich nicht ohne Sichtprüfung bewegen dürfen). | Ja → Absoluter Drehgeber. Nein → Es können beide Drehgeber eingesetzt werden; weiter zu Frage 3. |
| Ist die Anwendung schnell und wirtschaftlich, während ein Referenzfahrtzyklus unproblematisch ist? (Förderbänder, Indexierung, Drehzahlregelung). | Ja → Ein Inkrementaldrehgeber ist in der Regel die beste Lösung. Nein → Wenn das Budget es zulässt und langfristig eine größere Flexibilität wichtig ist, ist ein Absolut-Drehgeber die beste Wahl. |
| Ist die Umgebung staubig, feucht, vibrationsanfällig oder handelt es sich um eine Spritzwasser-/Hygienezone? | Ja → Magnetische Erfassung. Nein → Magnetische Drehgeber funktionieren auch in einer sauberen Umgebung gut; optische Drehgeber kommen jedoch nur dann infrage, wenn die Anwendung eine besonders hohe Auflösung erfordert. |
Wenn Sie diese vier Fragen nacheinander beantworten, finden Sie die richtigen Antworten auf beide Fragen auf einmal: magnetisch oder absolut? Inkremental- oder Absolut-Drehgeber?
Wann sollten Sie sich für einen Inkrementalgeber entscheiden?
Inkrementalgeber sind die richtige Lösung, wenn ein kurzer Referenzfahrtzyklus nach jedem Einschalten hinnehmbar ist und eine möglichst hohe Einfachheit und Wirtschaftlichkeit wichtiger sind als ein absoluter Positionsspeicher.
Dazu gehören die meisten Fälle von Drehzahlregelungen, Förderbändern und allgemeinen Schaltanwendungen: Wenn die Achse über eine sichere, wiederholbare Methode in die Referenzposition zurückkehren kann (Endschalter, mechanische Anschläge, Z-Impuls), und der Positionsverlust bei einem Stromausfall keine Sicherheitsbedenken aufwirft.
Wenn die Steuerung bereits einfache Impulsfolgeeingänge ausliest und keine digitale Busschnittstelle erforderlich ist, gestaltet sich die Integration eines Inkrementaldrehgebers ebenfalls einfacher.
Wann sollten Sie sich für einen Absolut-Drehgeber entscheiden?
Ein Absolutwert-Drehgeber eignet sich für Anwendungen, bei denen sich die Achse sofort nach dem Einschalten in der richtigen Position befinden muss: ohne Referenzfahrzyklen, Referenzsuche oder ein Zeitfenster, in dem sich die Maschine blind bewegt.
Dies ist für Anwendungen entscheidend, bei denen die Achse sicherheitskritisch ist (Roboterarme und alle anderen Geräte, die in unmittelbarer Nähe von Personen arbeiten), sowie für Hebezeuge und Aufzüge, bei denen eine Bewegung ohne Referenzpunkt gefährlich sein könnte, und zudem für alle weiteren Prozesse, bei denen ein Referenzfahrzyklus nach jedem Stopp zusätzliche Stillstandskosten verursacht, die höher sind als der höhere Preis des Drehgebers.
Einen detaillierten Vergleich der Funktionen von MIG Basic, MIG Nova+, AST und MIG INOX finden Sie auf unserer Website zum Vergleich der MIG-Drehgeber.
Anschluss von Drehgebern an SPS und Servo-verstärker
Inkrementaldrehgeber werden in der Regel über HTL- oder TTL-Quadratur-Signale angeschlossen. Sie werden von der Zählerkarte, dem SPS-Hochgeschwindigkeitseingangskanal oder dem Drehgebereingang des Servoantriebs erfasst.
Bei Absolut-Drehgebern wird in der Regel ein digitales Protokoll eingesetzt. Zu den üblicherweise verwendeten Schnittstellen gehören SSI und BiSS. EtherCAT oder PROFINET können für die Vernetzung in einem Feldbussystem eingesetzt werden, um den Drehgeber mit Antrieben und E/A zu verbinden.
Vor der Auswahl eines Absolutwert-Drehgebers sollte sichergestellt werden, dass die Steuerung oder der Antrieb auch die jeweilige Schnittstelle unterstützt, da dies eine häufige Ursache von Integrationsproblemen darstellt.
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