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Absolutwertgeber
Magnetische Drehgeber für die absolute Winkelmessung
Ratgeber Absolutwertgeber
Inhalt
Was ist ein Absolutwertgeber?
Absolutwertgeber sind Drehgeber, die Winkel messen, diese Information in elektrische Signale umwandeln und als Absolutwert ausgeben. Die Verwendung einer Elektronik zur Messwertverarbeitung unterscheidet sie von Potentiometern, die ebenfalls Absolutwerte liefern, aber passive Bauelemente ohne integrierte Elektronik sind. Absolutwertgeber haben einen festen Nullpunkt als Bezugspunkt für die Winkelmessung, auf den sich der Ausgangswert immer bezieht. Das Prinzip eines Absolutwertgebers unterscheidet sich grundlegend von z. B. einem Inkrementalgeber, bei dem nur Winkeländerungen (Relativwerte) vom Drehgeber übertragen werden.
Absolute Drehgeber werden nach dem zu erfassenden Winkelbereich in zwei Kategorien eingeteilt. Absolute Drehgeber, die Winkel über mehrere Umdrehungen erfassen, werden als Multiturn-Drehgeber und absolute Drehgeber, die Winkel bis 360° erfassen, als Singleturn-Drehgeber bezeichnet.
Signalprogrammierung von Absolutwertgebern
Absolute Drehgeber bieten vielfältige Möglichkeiten, die gemessenen Winkelwerte als elektrische Signalfunktion am Ausgang darzustellen. Die Elektronik vieler Drehgeber ist programmierbar, so dass die Ausgangskurven kundenspezifisch gestaltet werden können. Das folgende Beispiel zeigt die werkseitige Standardprogrammierung eines analogen Absolutwertgebers:
Der Drehgeber ist im Drehsinn CW mit einem Ausgangssignal von 0...10 V programmiert (bei Drehung der Welle im Uhrzeigersinn) und erfasst einen Winkel von 0...360°.
Bei 0° gibt er 0 V aus. Wird die Welle um 90° im Uhrzeigersinn gedreht, gibt er einen Wert von 90°/360° * 10 V = 2,5 V aus. Solange die Welle des Gebers nicht bewegt wird, bleibt dieser Wert konstant. Die Abbildung in Beispiel 1 zeigt den Signalverlauf eines solchen Absolutwertgebers.
| Gemessener Winkel [° Grad] | Ausgangsspannung [Volt] |
| 0° = 0 V | 0 V |
| 360° = 10 V | 10 V |
| 45° = 1,25 V | 1,25 V |
| 90° = 2,5 V | 2,5 V |
| 180° = 5,0 V | 5 V |
Um sich auf den gesamten Signalausgangsbereich zu beziehen, wird häufig der Begriff „full scale“ mit der Abkürzung „F.S.“ verwendet. Im obigen Beispiel ist F.S. = 10 V. Ohne die maximale Spannung zu kennen, kann die Programmierung auch mit Prozentwerten erfolgen. Zum Beispiel entspricht 0° 0% F.S. (0% des Maximalwertes, d.h. 0 V) und 360° 100% F.S. (100% des Maximalwertes, d.h. 10 V). Auf diese Weise kann eine Signalausgangsfunktion ohne grafische Darstellung genau beschrieben werden:
0° = 0% F.S.
90° = 100% F.S.
180° = 100% F.S.
270° = 0% F.S.
360° = 0% F.S.
Beispiel 1
Beispiel 2
Die Abbildung zeigt den Signalverlauf für diese Anforderungen in Beispiel 2. Bei Absolutwertgebern können die Ausgangssignale auch über andere Schnittstellen ausgegeben werden, z. B. als Ausgangsstrom oder über Pulsweitenmodulation (PWM).
Halleffekt-Drehgeber
Der Halleffekt ist ein Phänomen, bei dem in einem stromdurchflossenen Leiter (Hallelement) eine elektrische Spannung erzeugt wird, wenn er sich in einem äußeren Magnetfeld befindet.
Der Effekt ist in der nebenstehenden Abbildung dargestellt und kann wie folgt erklärt werden: Fließt durch einen elektrischen Leiter Strom, so bewegen sich Ladungsträger durch den Leiter. Wirkt nun ein zusätzliches Magnetfeld, das z.B. durch einen äußeren Magneten an den Leiter angelegt wird, so werden die Ladungsträger senkrecht zur Stromrichtung abgelenkt. Der Grund dafür ist die Lorentzkraft: Sie lenkt Ladungsträger ab, wenn sie sich bewegen und ein äußeres Magnetfeld wirkt. Die Elektronen sammeln sich jetzt an den Rändern des Leiters. Durch die Ladungstrennung entsteht eine zusätzliche Spannung senkrecht zur Stromrichtung, die sogenannte Hallspannung.
Ein Magnetfeld erzeugt in einem stromdurchflossenen Leiter eine Hall-Spannung
Ändert sich nun das äußere Magnetfeld durch Bewegung des Magneten, so ändert sich auch die Hallspannung - damit lassen sich relativ einfach Sensoren realisieren. Bringt man beispielsweise einen kreisförmigen, diametral (Nord-/Südpol) magnetisierten Permanentmagneten über einem Hall-Element an und versetzt diesen Magneten in eine Drehbewegung, so kann man einen sinusförmigen Verlauf der Ausgangsspannung messen. Ändert sich die Position des Magneten nicht, so bleibt auch der Messwert konstant. Allerdings kann ein Hallsensor nur funktionieren, wenn auch ein Strom fließt, da sonst die Lorentzkraft nicht wirkt. Deshalb benötigen Hallsensoren während des Betriebs Strom, auch wenn sich die Messposition nicht ändert.
Gradientenbasierte Hall-Sensoren
Äußere Magnetfelder können die Hall-Technologie prinzipiell stören, wenn keine Vorkehrungen dagegen getroffen werden. Heute werden sogenannte Gradienten-Hall-Sensoren eingesetzt, die weitgehend unempfindlich gegen diese Störungen sind.
Das Prinzip dieser speziellen Variante besteht darin, zwei oder mehrere Hallsensoren in unmittelbarer Nähe zueinander anzuordnen. Der Messmagnet, der sich sehr nahe an diesen beiden Sensoren befindet, erzeugt durch die relativ starke Krümmung des Feldes einen Unterschied im Signal der beiden Sensoren. Ein äußeres Störfeld, das in der Regel eine geringe Krümmung aufweist, wird jedoch von beiden Sensoren gleichermaßen „gesehen“. Wird nun nur die Differenz der beiden Sensoren (der Gradient) ausgewertet, so wird praktisch nur der Messmagnet wahrgenommen und das Messsystem ist damit sehr robust gegenüber äußeren Störfeldern.
Auflösung
Die meisten Hall-Encoder sind digital arbeitende Drehgeber, die Messsignale mit einer bestimmten Auflösung verarbeiten. Die Informationen werden mit einer Genauigkeit verarbeitet, die der Anzahl der Bits entspricht. Je höher diese Zahl ist, desto feiner können die Signale verarbeitet werden. Die analogen Ausgangskennlinien digitaler Geräte weisen daher immer eine feine Abstufung auf, deren Höhe durch die Auflösung bestimmt wird. Typische Auflösungen sind je nach Gebertyp 10 Bit, 12 Bit oder 14 Bit. Beispielsweise beträgt die Winkelauflösung bei 12 Bit 0,088° und bei 14 Bit 0,022°. Um diese Werte zu ermitteln, kann die folgende einfache Überlegung hilfreich sein:
- Die Auflösung bestimmt die Anzahl der darstellbaren Zustandsänderungen: 1 Bit entspricht 2 Zustandsänderungen (da 21 = 2), 12 Bit entsprechen 4096 Zustandsänderungen (da 212 = 4096)
- Die Anzahl der Zustandsänderungen verteilt sich über den gesamten elektrischen Drehwinkelbereich
Zur Berechnung der Winkelauflösung ist der elektrisch wirksame Drehwinkel durch die Anzahl der möglichen Zustände zu dividieren:
\(\text {Winkelauflösung in Grad} =\frac {360°} {2^\text {Anzahl der Bits}}\)
Updaterate
Da viele Hallgeber mit digitalen integrierten Schaltungen (ICs) ausgestattet sind, die ihre Signale immer mit einer gewissen Verzögerung ausgeben, muss in der Anwendung die Updaterate in Millisekunden berücksichtigt werden. Die Updaterate ist die Zeitspanne zwischen der Messwerterfassung und der Signalausgabe im Winkelcodierer. Sie liegt bei magnetischen Winkelcodierern mit digitaler Signalverarbeitung in der Regel zwischen 96 µs und 600 µs, kann aber bei einigen Multiturn-Drehgebern bis zu 3 ms betragen.
Wird die Updaterate erhöht, erhöht sich im Gegenzug die Stromaufnahme des Winkelcodierers. Einige Winkelcodierer können auch mit einer reduzierten Updaterate bestellt werden, z. B. 600 µs statt 200 µs, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Diese Winkelcodierer eignen sich dann besonders für den Einsatz in batteriebetriebenen Anwendungen mit geringem Stromverbrauch.
Wird eine geänderte Updaterate des Winkelcodierers gewünscht, so muss diese ab Werk bestellt werden. Eine nachträgliche Änderung dieser Eigenschaft ist nicht möglich. Die Updaterate ist nicht mit der Abtastrate zu verwechseln.
Winkelabweichungen - Absolute Linearität
Die Berechnung des möglichen Winkelfehlers eines Drehgebers ist komplex und hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. Umwelteinflüssen (Temperatur), mechanischen Faktoren (Lagerspiel), Bauteiltoleranzen der Elektronik und vielem mehr. Um dennoch den Winkelfehler eines Absolutwertgebers zuverlässig und schnell bestimmen zu können, hat sich eine Berechnung auf Basis der absoluten Linearität als praktikabel erwiesen. Die absolute Linearität beschreibt die größtmögliche prozentuale Abweichung der Signalausgangsfunktion (des Messergebnisses) von einer idealen Geraden.
Diese Angaben gelten für folgende Bedingungen
- Betrieb der Welle in eine Drehrichtung
- Betrieb bei Raumtemperatur
- Bezug auf einen im Datenblatt angegebenen elektrisch wirksamen Drehwinkel
- Die absolute Linearität ist eine „worst case“ Betrachtung
- In der Praxis wird der tatsächliche Winkelfehler kleiner sein
Die absolute Linearität beschreibt die Abweichung des Signals (rot) von einer idealen Geraden (grün) durch den Nullpunkt.
Bei berührungslosen Absolutwertgebern ist der Winkelfehler für jeden einzelnen Geber reproduzierbar. Das bedeutet, dass der Fehler bei einem bestimmten Drehwinkel immer annähernd gleich ist. Die hohe Wiederholgenauigkeit eines berührungslosen Absolutwertgebers erlaubt es daher, die Signalausgangsfunktion mit einer in der Auswerteeinheit hinterlegten Kalibrierfunktion zu verrechnen, um den Winkelfehler des Drehgebers zu reduzieren. Die Angabe der absoluten Linearität ist eine feste Größe im Datenblatt von Absolutwertgebern.
Die Information der absoluten Geraden im Datenblatt eines Kit-Encoders (ohne Welle) erfolgt unter der Vorgabe, dass die Mittelpunktachse des Magneten zur Mittelpunktachse des Drehgebers fluchtet. In einigen Datenblättern von magnetischen Kit-Encodern wird zusätzlich angegeben, wie sich der Wert der absoluten Linearität ändert, wenn der Magnet exzentrisch zur Mittelachse positioniert wird.
Singleturn- und Multiturn-Absolutwertgeber
Singleturn Absolutwertgeber
Singleturn-Drehgeber sind Absolutwertgeber, die nur für die Messung von Winkeln ≦ 360° geeignet sind, da ihr Ausgangssignal nach einer vollen Umdrehung wieder den gleichen Wert wie bei 0° aufweist. Die meisten berührungslosen Singleturn-Absolutwertgeber messen daher einen Winkelbereich von 0° bis maximal 360°. Modelle mit einem eingeschränkten Winkelbereich, z. B. ±45°, gehören ebenfalls zu dieser Kategorie.
Multiturn Absolutwertgeber
Multiturn-Drehgeber sind in der Lage, Winkel über den Nullpunkt hinaus, also über 360°, zu messen. Dies ist möglich, weil das Messsystem in der Lage ist, die Anzahl der Umdrehungen zu zählen. Häufig steigt das Signal über den gesamten spezifizierten Winkelbereich kontinuierlich an. Beispielsweise kann der Multiturn-Absolutwertgeber ETA25PM von MEGATRON Winkelbereiche bis maximal 72000° (bis zu 200 Wellenumdrehungen) messen, wobei dieser Bereich durch Programmierung eingeschränkt werden kann. Werkseitig sind 3600° (10 Umdrehungen) programmiert. Für die Messung von Winkeln >360° darf der Sensor im stromlosen Zustand jedoch maximal ±179° verdreht werden, da er sonst seinen Messwert verliert.
Um dieses Problem zu umgehen, gibt es True-Power-On-Drehgeber. Diese sind in der Lage, auch im spannungslosen Zustand die Winkelposition in jedem Fall korrekt auszugeben. Eine mögliche Variante ist die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes, so dass sich die Welle mehrfach dreht, der Magnet aber nur maximal 360° innerhalb des Stellbereichs. Nähere Informationen hierzu enthält unser Ratgeber Multiturn-Drehgeber.
Elektrische Signalausgänge
Für die Absolutwertgeber stehen analoge und digitale Signalausgänge zur Verfügung.
Analoge Signalausgänge für Absolutwertgeber:
- Spannung
- Strom
- PWM (Pulsweitenmodulation)
Digitale Signalausgänge für Absolutwertgeber:
- SPI
- SSI
Strom- und Spannungsausgang
Analoge Ausgänge sind auf dem Markt für Drehgeber nach wie vor von großer Bedeutung. Daher werden die meisten Baureihen auch mit diesen Ausgängen angeboten. Absolute Drehgeber von MEGATRON mit analogen Signalausgängen sind grundsätzlich in 3-Leiter-Technik aufgebaut, sofern sie keine Redundanz bieten. Die beiden Anschlüsse für die Versorgungsspannung (VSUP) und das Ausgangssignal (OUT) haben eine gemeinsame Masse. Viele berührungslose Absolutwertgeber mit redundanten Signalausgängen sind galvanisch getrennt und bieten somit für jeden Signalzweig separate Versorgungsspannungen, Masse und Signalausgänge.
Externe Drahtbruch-Detektion
Um eine externe Drahtbrucherkennung über eine Auswerteeinheit zu realisieren, darf das Ausgangssignal des Winkelcodierers im Betrieb unabhängig vom Winkel ungleich Null sein, da 0 Volt Ausgangsspannung bzw. 0 mA Ausgangsstrom einen Drahtbruch anzeigen. Bei allen MEGATRON-Absolutwertgebern mit Stromausgang kann durch werkseitige Programmierung eine externe Drahtbrucherkennung realisiert werden, da der gemessene Winkel immer im Bereich von 4...20 mA ausgegeben wird. Bei einem Spannungsausgang haben wir Serien im Programm, die diese Funktion ab Werk bieten. Dies ist jedoch nicht bei allen Modellen möglich. Bitte fragen Sie im Zweifelsfall bei uns nach.
PWM-Signalausgang
Beim PWM-Ausgang ist der gemessene Winkel nicht proportional zur Signalamplitude, sondern zur Pulsbreite. Der Vorteil gegenüber Strom- oder Spannungsausgängen liegt darin, dass diese Form der Signalausgabe weitgehend unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen ist, da EM-Störungen in der Regel Störungen der Signalamplitude und nicht der Frequenz sind (Beispiel: AM/FM-Rundfunk). Allerdings muss das Signal in einer externen, für PWM ausgelegten Auswerteeinheit erfasst werden.
Die Pulsweite variiert bei MEGATRON-Drehgebern zwischen 10% (0% F.S.) und 90% (100% F.S.). Die Trägerfrequenz beträgt 244 Hz.
Digitale Schnittstellen
Mikrocontroller bieten häufig Eingänge für digitale Signale im SPI- und SSI-Format. Um eine hohe Kompatibilität zu einer Vielzahl am Markt befindlicher µController zu gewährleisten, werden Absolutwertgeber mit diesen digitalen Schnittstellen angeboten. Eine detaillierte Erläuterung der genannten digitalen Schnittstellen mit ihren spezifischen Eigenschaften würde den Rahmen dieses Leitfadens sprengen. Die nachfolgenden Erläuterungen sollen daher nur einen kompakten Überblick geben.
SPI (Serial Peripheral Interface)
Die SPI-Schnittstelle basiert auf einem seriellen Master/Slave-BUS-Protokoll, das von der Firma Motorola entwickelt wurde. Die Kommunikation erfolgt über die Datenleitungen:
- MOSI (Master Out → Slave In)
- MISO (Master In ← Slave Out)
- SCK (Serial Clock) (=Bus Takt/Schiebetakt)
Zusätzlich zu diesen drei Leitungen wird für jeden Slave eine Leitung mit der Bezeichnung „Slave Select (SS)“ oder auch „Chip Select (CS)“ benötigt. Bitte beachten Sie, dass dieses Format nicht für die Feldkommunikation geeignet ist, da die Kabellänge zwischen Master und Slave 0,6 m nicht überschreiten sollte. Für weitere Informationen zu magnetischen Drehgebern von MEGATRON mit SPI-Schnittstelle kontaktieren Sie uns bitte.
SSI (Synchronous Serial Interface)
Die SSI-Schnittstelle ist eine weit verbreitete Schnittstelle zur seriellen Datenübertragung. Sie eignet sich besonders für die digitale Kommunikation von Absolutwertgebern im Feld, wo Messwerte über große Leitungslängen zwischen Geber und Auswerteeinheit übertragen werden müssen. Die Datenübertragung (Takt und Daten) erfolgt über vier Leitungen, die jeweils zwei Signalpaare führen (symmetrische Signalübertragung in Phase und um 180° phasenverschoben). Werden die Signale eines Signalpaares durch eine Störung auf der Übertragungsstrecke zwischen Slave und Master überlagert, so kann diese Störung in der Auswerteeinheit durch Subtraktion der beiden Signalpaare eliminiert werden. Für die sichere Übertragung von Messsignalen über große Entfernungen eignen sich besonders verdrillte Signalkabel mit einzeln geschirmten Adernpaaren. Für weitere Informationen zur SSI-Kommunikation mit MEGATRON-Drehgebern stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung
Konzept der Störungsbeseitigung mittels SSI
Datenübertragung auf den beiden Kanälen Clock und Data
Absolutwertgeber sind Drehgeber, die in einer Anwendung Winkelpositionen messen, diese Winkelinformation in elektrische Signale umwandeln und als Absolutwert ausgeben. Hervorragende Messergebnisse liefern magnetische Sensortechnologien auf Basis des Halleffekts mit den bekannten Vorteilen des berührungslosen Messprinzips und der nahezu unbegrenzten Lebensdauer der Sensorik.
Die große Auswahl an elektrischen Signalausgängen, Anschlüssen und mechanischen Bauformen ermöglicht für nahezu jede Anwendung eine zuverlässige, reproduzierbare und genaue Messwerterfassung. Von zentraler Bedeutung ist der Winkelmessbereich eines Absolutwertgebers. Dabei decken Singleturn-Drehgeber Winkelbereiche bis 360 Grad und Multiturn-Drehgeber Winkelbereiche darüber hinaus ab. Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit einer kundenspezifisch programmierten Ausgangskennlinie der Absolutwerte.
Unter Berücksichtigung aller möglichen Parameter erarbeiten wir im Rahmen unserer Beratung die bestmögliche Produktlösung. Denn anspruchsvolle Anwendungen erfordern in vielen Fällen eine technische Produktanpassung. MEGATRON ist Ihr Spezialist für diese Fälle und unterstützt Sie von der Anfrage über die Realisierung bis zur Serie und darüber hinaus bis zum „End of Life“ Ihrer Applikation mit gesicherten Qualitätsprodukten und hoher Liefertreue als langfristiger, zuverlässiger Partner.