Drehgeber und Motion Controller – Einer für Alle(s)

Gastbeitrag

Frei konfigurierbarer Inkrementalgeber, Zähler und Drehzahlüberwachung in einem Gerät

Drehgeber sind seit Jahren fester Bestandteil der Positionserfassung und Wegnachbildung in der Automatisierungstechnik. In der Praxis wird dabei die Rotation oder Drehbewegung durch geeignete Maßnahmen in eine translatorische d.h. in eine Längst Bewegung umgewandelt. Beispielhaft sei hier die Drehgeber-Spindel-Anordnung genannt, bei der durch die Spindelsteigung jede Drehung einen Vorschub darstellt. Ähnlich verhält es sich bei einer Drehgeber- Messrad–Anordnung, wo der Abrollumfang des Messrades die Längsbewegung abbildet.

Unterschieden werden heute im wesentlichen zwei Systeme. Inkrementale Drehgeber erzeugen je nach Auflösung eine definierte Anzahl von Impulsen pro Umdrehung, wobei der absolute Bezug lediglich über einen Index oder Referenzmarke dargestellt wird. Dieser erzeugt einen Impuls pro Umdrehung.

Code-Drehgeber oder absolute Drehgeber geben zu jeder Winkelstellung der Welle einen definierten Code über eine Schnittstelle aus. Eine Referenzfahrt ist damit nicht notwendig. In der Praxis werden diese Systeme Singleturn-Drehgeber genannt. Absolute Multiturn-Drehgeber hingegen erfassen zudem auch noch die Anzahl der Umdrehungen und geben diese zusätzlich zu der Wellenposition aus.

Traditionell arbeitet die Vielzahl der heute in der Industrie verwendeten Drehgeber mit einem optischen Wirkprinzip. Das Verfahren erlaubt eine hohe Auflösung der Messwerte und auch hohe absolute Genauigkeiten, birgt aber systembedingt auch Schwächen. Allein das Vorhandensein einer Glasscheibe als Maßverkörperung ist vielen Anwendern nicht robust genug, insbesondere wenn die Applikation hoher Schock und Vibrationsbelastung ausgesetzt ist. Auch ist der optische Drehgeber wiederum systembedingt aufwändig im mechanischen Aufbau, da eine Vielzahl von Komponenten montiert und justiert werden müssen. Das führt zu Recht zu der Annahme, dass diese Drehgeber eher im oberen Preissegment angesiedelt sind. Als Alternative kamen in den letzten Jahren auch vermehrt magnetische Prinzipen zum Einsatz. Durch den vergleichsweise einfachen Aufbau kommen diese Systeme immer mehr zum Einsatz, in denen Robustheit Voraussetzung ist. Ein gutes Beispiel hier ist Positionserfassung in mobilen Arbeitsmaschinen. Jedoch kamen bis heute magnetische Drehgeber nicht an die Performance optischer Systeme hinsichtlich der Genauigkeit und Dynamik heran, daher waren Kompromisse unumgänglich.
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Die neuen Drehgeber von ifm Foto: ifm
Die neuen Drehgeber von ifm
Foto: ifm

Mit dem hier vorgestellten magnetisch basierten Drehgebern gehören diese Kompromisse der Vergangenheit an. Dazu wurde die Signalverarbeitung vom Sensor auf einen Mikroprozessor verlagert: Bei den neuen magnetischen Drehgebern werden heute Hall-Sensoren ohne eigene digitale Signalverarbeitung genutzt, die lediglich analoge Ausgangssignale erzeugen. Ein solcher Hall-Sensor besteht aus vier Hall- Elementen, die jeweils vierfach abgetastet werden. Somit entstehen 16 Rohsignale für einen Positionswert die von einem leistungsstarken 32-Bit-Mikrocontroller verarbeitet werden, der auch Möglichkeiten für die Echtzeit-Datenauswertung bietet. So können physikalische Fehler, die im direkten Zusammenhang mit dem Hall-Signal stehen, herausgerechnet werden.

Mit der Entwicklung einer geeigneten Signalverarbeitungssoftware wurde ein Genauigkeits- und Dynamikbereich erschlossen, der auf dem Niveau optischer Drehgeber liegt und heute eine Genauigkeit von 12 Bit (<0,1°) bei einer Auflösung bis 16 Bit und Latenzzeiten von wenigen Mikrosekunden erreicht. Mit der neuen Drehgebergeneration ist es also technologisch gelungen, die Vorteile der magnetischen und der optischen Technologie zu vereinigen.

Ist schon einmal ein leistungsstarker Mikrokontroller vorhanden, so ist es naheliegend, auch eine Geräteserie anzubieten, die die erzeugten Signale bereits auswerten kann. Der Anwender braucht nunmehr keine weitere Elektronik oder SPS, um die inkrementalen Impulsfolgen zu einer Funktion zu wandeln:

  • So sind sie als Inkrementalgeber einsetzbar. Sämtliche Parameter kann der Anwender dabei frei einstellen, zum Beispiel die Auflösung zwischen 2 und 10.000 Impulsen / Umdrehung.
  • Auch als Zähler lassen sich die Geräte einsetzen. Hierbei sind unter anderem Zählrichtung (vorwärts / rückwärts) und Schaltpunkte frei wählbar.
  • Die dritte Betriebsart dient der Drehzahlüberwachung. Der Anwender stellt einen Drehzahlbereich ein, bei dessen Über- oder Unterschreitung die Ausgänge schalten. Somit arbeiten die Geber selbständig als Drehzahl- oder Stillstandüberwachungssysteme.

Je nach eingestellter Anwendung ändert sich auch die Signalausgabe am Drehgeber: während im „Encoder“ Modus die Impulsfolgen ausgegeben, so werden z.B. in der Betriebsart „Vorwahlzähler“ digitale Ausgänge bei Erreichen der Sollvorgabe geschaltet. Selbstverständlich ist die Schaltungslogik entweder am Gerät oder über IO-Link frei konfigurierbar.

Sämtliche Funktionen und Parameter sind mittels Tasten und LED-Display am Gerät einstellbar. Im Betrieb zeigt das Display je nach eingestelltem Modus die aktuellen Impuls-, Zähl- oder Drehzahlwerte an. Das Besondere: Durch die Zweifarbigkeit (Rot / Grün) erkennt der Anwender sofort, ob sich die Maschine im Gut-Bereich befindet oder ob Grenzwerte überschritten sind. Zudem lässt sich das Display elektronisch um 180 Grad drehen. Das erlaubt flexible Einbaulagen. Ein weiteres Novum: Neben der Einstellung direkt am Gerät sind die neuen Drehgeber auch komplett und komfortabel per IO-Link parametrierbar. Durch diese Möglichkeit der Kommunikation sind die Geräte bestens für Industrie 4.0 gerüstet.

Die hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit ermöglicht den Einsatz in rauen Applikationen. Ein praktisches Detail: Der Kabelabgang bzw. der drehbare M12-Anschluss bei den Stecker-Geräten ist sowohl radial als auch axial nutzbar. Letztendlich reduziert sich also die Auswahl des passenden Drehgebers auf den passenden Flansch und die Welle – alles andere kann der Benutzer frei konfigurieren. Für Anwender, die das Gerät als Drehgeber nutzen und auf Tasten und Display verzichten wollen, bietet ifm eine Basic-Variante an. Diese ist ebenfalls komplett per IO-Link einstellbar.

Resümierend kann festgehalten werden, dass magnetische Drehgeber heute mit der Performance der optischen Systeme schritthalten und in puncto Umweltbedingungen sogar überlegen sind. Daraus leiten sich erweiterte Funktionen ab, wie beispielsweise die direkte Signalverarbeitung, eine volle IO-Link-Unterstützung, unterschiedliche Diagnosemöglichkeiten und eine durch freie Konfigurierbarkeit reduzierte Variantenvielfalt. Mit den neuen Drehgebern setzt ifm electronic erneut Maßstäbe und rüstet die Anwender für Industrie 4.0.

Michael Paintner ifm-Unternehmensgruppe

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