Ein Drehgeber wandelt den Winkel einer rotierenden Welle in ein elektrisches Signal um. Im Inneren sitzen eine Scheibe mit einem hell-dunklen Muster und ein Sensor, der dieses Muster von einer festen Position aus abliest. Ändert man die Art, wie das Muster aufgebracht ist, ändert sich beides: was der Drehgeber überhaupt melden kann und wie er sich verhält, wenn eine Messung danebengeht.
Diese Reihe geht die Muster Bauart für Bauart durch, mit Diagrammen, die Sie selbst drehen können. Diese Seite behandelt die mehrspurigen Absolutscheiben, bei denen jede Spur genau ein Bit trägt, sowohl in Binär- als auch in Gray-Codierung, dazu die klassische Inkrementalscheibe, die überhaupt keine absolute Adresse trägt.
Bauarten, die die Position auf eine einzige Spur zusammendrängen, etwa die PRBS-Scheibe, und solche, die einen groben Code mit einem feinen Zyklus verbinden, etwa Hybrid- und Nonius-Scheiben, behandelt (2) Einspurig und hybrid.
| Frage | Abbildung mit der Antwort |
|---|---|
| Warum stimmt der Winkel schon in dem Moment, in dem die Spannung anliegt? | Absolutdrehgeber mit Binärcode (Abbildung 1) |
| Warum hat sich der Gray-Code bei Industriescheiben durchgesetzt? | Absolutdrehgeber mit Gray-Code (Abbildung 2) |
| Woher weiß eine Scheibe ohne absolute Adresse, in welche Richtung sie dreht? | Inkrementaldrehgeber mit den Kanälen A und B (Abbildung 3) |
Alle Scheiben unten lassen sich mit der Maus ziehen. Eine davon vor dem Lesen langsam über eine Sektorgrenze zu schieben, macht den restlichen Text deutlich leichter nachvollziehbar.
Eines vorweg: Jede Abbildung ist eine vereinfachte Zeichnung, die einen Mechanismus erklären soll, und keine Nachbildung des Produkts eines bestimmten Herstellers. Wo die Zeichnung von realer Hardware abweicht, sagt es der Abschnitt “In der Abbildung auf dieser Seite”.
Absolutdrehgeber mit Binärcode (Abbildung 1)
Wie die Codierung funktioniert
Die Scheibe ist radial in konzentrische Spuren unterteilt, und jede Spur trägt ein Bit. Bei einem beliebigen Winkel ist die Kombination aus Hell und Dunkel über diese Spuren hinweg die absolute Adresse dieser Position. In natürlichem Binärcode ergeben vier Spuren sechzehn adressierbare Sektoren, acht Spuren 256.
Der Reiz dieser Anordnung liegt darin, dass die Position feststeht, sobald Spannung anliegt. Vorher muss sich nichts bewegen. Die Kombination, die die Sensoren gerade lesen, ist bereits der Winkel, eine Referenzfahrt beim Start entfällt also.
Die Schwäche entspringt genau demselben Mechanismus. An der Grenze zwischen zwei Adressen können mehrere Bits im selben Augenblick umschalten. Der Übergang von 0111 auf 1000 etwa ändert alle vier Bits auf einmal. Sind die Sensoren auch nur minimal versetzt montiert, überquert jedes Bit seine Kante zu einem leicht anderen Zeitpunkt, und für einen Moment lautet die Ablesung weder 0111 noch 1000. Und der Fehler ist nicht klein: Eine kurzzeitige Fehlablesung kann eine halbe Umdrehung von der tatsächlichen Position entfernt liegen.
In der Abbildung auf dieser Seite
Die Zeichnung folgt der Anschauung eines Absolutdrehgebers in Durchlichtbauweise, deshalb gilt: Weiß ist 1 (Licht geht durch), Schwarz ist 0 (Licht wird blockiert). Die Spuren liegen mit dem LSB außen und dem MSB innen. Eine feste Sensorreihe am oberen Rand der Scheibe liest jede Spur, und die Lämpchen darunter entsprechen ihnen: das linke ist das MSB der innersten Spur, das rechte das LSB der äußersten.
Der Schieberegler ändert die Bitzahl und damit die Anzahl der Spuren und Sektoren. Die Scheibe ist so eingestellt, dass die Sektornummer im Uhrzeigersinn zunimmt. Fahren Sie langsam über eine Grenze und achten Sie auf den Moment, in dem mehr als ein Lämpchen gleichzeitig wechselt.
Mehr Bits bedeuten zwar feinere Auflösung, aber auch mehr Bits, die an den ungünstigsten Grenzen gemeinsam wechseln. Die Sektorzahl bei natürlichem Binärcode zu erhöhen, lässt die gelegentliche Fehlablesung weiter springen, nicht weniger weit.
Absolutdrehgeber mit Gray-Code (Abbildung 2)
Wie die Codierung funktioniert
Physisch ändert sich nichts: eine Spur pro Bit, genau wie zuvor. Was sich ändert, ist der Code auf diesen Spuren. Die Sektoren werden so geordnet, dass sich zwei benachbarte Winkel in genau einem Bit unterscheiden. Diese Ordnung ist der Gray-Code.
Weil an einer Grenze immer nur ein Bit in der Umschaltung sein kann, kann eine schlecht getroffene Ablesung nur den Sektor liefern, den man verlässt, oder den, den man gerade erreicht. Fehler bleiben in der Nachbarschaft, statt quer über die Scheibe zu springen, und allein diese Eigenschaft hat den Gray-Code zum Standard mehrspuriger Industriedrehgeber gemacht.
Der Preis dafür: Ein Gray-Wert ist keine Zahl, mit der sich unmittelbar rechnen lässt. Die Steuerung oder SPS muss ihn erst in natürlichen Binärcode umsetzen. Diesen Umsetzungsschritt behandelt man am besten als Teil des Entwurfs und nicht als Nachgedanken.
In der Abbildung auf dieser Seite
Der physische Aufbau entspricht exakt dem aus Abbildung 1 — LSB außen, MSB innen, Weiß für 1, Schwarz für 0 — nur trägt jeder Sektor nun sein Gray-Muster. Dreht man die Scheibe im Uhrzeigersinn, steigt die Sektornummer weiterhin um jeweils eins.
Der angezeigte Gray-Wert verhält sich anders. Liest man das Bitmuster der Scheibe direkt als Dezimalzahl, ergibt sich 0, 1, 3, 2, 6 und so fort: Es springt, statt zu steigen. Das natürliche Binäräquivalent steht daneben, sodass Sektornummer und umgesetzter Wert im Gleichschritt vorrücken, während der rohe Gray-Wert hüpft.
Achten Sie auch auf die Lämpchen. Beim Wechsel in einen Nachbarsektor schaltet in der Regel genau eines um. Gegenüber der Binärscheibe aus Abbildung 1, wo mehrere gleichzeitig wechselten, fällt der Unterschied sofort ins Auge.
Eine Ablesung, die 0, 1, 3, 2 zeigt, deutet nicht auf eine defekte Scheibe hin. Bei einem Gray-Drehgeber ist genau das zu erwarten. Die Werte, die um jeweils eins steigen, sind die umgesetzten.
Inkrementaldrehgeber mit den Kanälen A und B (Abbildung 3)
Wie die Codierung funktioniert
Eine Inkrementalscheibe trägt nichts als gleichmäßig über den Umfang verteilte Schlitze und keine absolute Adresse. Gelesen wird sie mit zwei Sensoren, die etwa 90 elektrische Grad zueinander versetzt stehen, in Quadratur. Herkömmlich heißen diese beiden Kanal A und Kanal B.
Gemeinsam durchlaufen sie vier Zustände, üblicherweise 00 → 10 → 11 → 01, oder dieselbe Folge rückwärts, wenn sich die Welle andersherum dreht. Leicht übersehen wird dabei: Es gibt Abschnitte, in denen A und B beide high sind, und Abschnitte, in denen beide low sind. Die zwei Kanäle sind nicht einfach invertierte Kopien, die sich abwechseln.
Welcher Kanal vorauseilt, verrät die Bewegungsrichtung, und das Zählen der Flanken verrät, wie weit sich die Welle bewegt hat. Damit endet das Wissen eines Inkrementaldrehgebers: Er meldet nur die Änderung. Fällt die Spannung aus oder geht durch Störungen ein Zählschritt verloren, bleibt die absolute Position unbekannt, bis eine Referenzmarke wie der Z-Kanal erneut vorbeikommt.
In der Abbildung auf dieser Seite
Es gibt eine einzige Codespur mit gleichmäßig verteilten Schlitzen. Kanal A sitzt oben an der Scheibe, Kanal B ist um den Gegenwert von 90 elektrischen Grad versetzt.
Sie werden Momente sehen, in denen beide Lämpchen leuchten, und Momente, in denen beide dunkel sind. Das sind die für Quadratur typischen Überlappungspunkte, und sie sind korrekt. Der Auflösungsregler wirkt als Teilungszahl und entspricht den Impulsen pro Umdrehung (PPR). Es gibt nur zwei Lämpchen, A und B, ohne MSB- oder LSB-Reihe.
Dass A und B gleichzeitig leuchten, wird erstaunlich oft als Verdrahtungsfehler diagnostiziert. In Quadratur haben zwei der vier Zustände beide Kanäle auf demselben Pegel, das ist also normal. Bedenklich ist das Gegenteil: ein Signal, in dem 00 oder 11 nie vorkommt.
Wo die drei Bauarten tatsächlich vorkommen
Die genannten Unterschiede decken sich recht gut damit, wo die jeweilige Bauart eingesetzt wird. Das Folgende beschreibt allgemeine Tendenzen; welche Bauart in einem konkreten Modell steckt, ist unterschiedlich, prüfen Sie also das Datenblatt, wenn Sie reale Hardware auslegen.
Absolutdrehgeber mit Binärcode
In natürlichem Binärcode aufgebrachte Scheiben sind in der praktischen Drehwinkelerfassung selten. Der Mangel, dass an einer Grenze mehrere Bits gemeinsam wechseln, schlägt zu leicht in eine Fehlfunktion weiter hinten in der Kette um. Muss eine mehrspurige Scheibe die absolute Position tragen, ist sie fast immer durch die unten beschriebene Gray-Variante ersetzt worden.
Damit verschwindet der Binärcode nicht. Der von einer Gray-Scheibe gelesene Wert wird in der Steuerung vor jeder Positionsrechnung in natürlichen Binärcode umgesetzt. Als Art, die Scheibe zu beschriften, hat sich Binär zurückgezogen, als Rechengrundlage ist es geblieben.
Absolutdrehgeber mit Gray-Code
Das ist die Standardwahl für mehrspurige Industriescheiben. Ihre Stärke ist, wie gesehen, dass der Winkel feststeht, sobald Spannung anliegt. Das zählt vor allem dort, wo es nicht hinnehmbar ist, die Maschine bei jedem Start für eine Referenzfahrt zu bewegen.
Typische Anwendungen sind Teilachsen an Werkzeugmaschinen, Gelenkwinkel von Robotern, Stellung von Ventilen und Klappen, Position von Hebezeugen und Kranen sowie die Ausrichtung von Antennen und Beobachtungsinstrumenten. In all diesen Fällen wäre es entweder gefährlich, die Position nach einem Stromausfall nicht zu kennen, oder eine Referenzfahrt ist ohnehin mechanisch unbequem.
Sobald diese Abtastungen die Gelenkwinkel eines Roboters liefern, folgen die Fragen, wo das Werkzeug jetzt steht und wie weit jede Achse drehen muss, um dorthin zu kommen. Diese Rechnung steht in Vorwärts- und inverse Kinematik erklärt mit interaktiven Diagrammen (1), an einem ebenen Arm mit zwei Gliedern, den Sie bewegen können.
Inkrementaldrehgeber (A/B)
Das ist der einfachste Aufbau der drei und kommt mit einer einzigen Codespur aus. Der Verzicht auf die absolute Position erkauft eine günstige Möglichkeit, die Drehung fein mitzuverfolgen.
Hier zu Hause sind Drehzahl- und Richtungsrückmeldung von Motoren, der Bandvorschub von Förderanlagen, der Papiervorschub in Druckern und Scannern, Einstellräder an Bedienpulten und das Mausrad. Ihnen allen gemeinsam ist entweder die Freiheit, beim Start eine Referenz neu zu setzen, oder dass sie absolute Position schlicht nicht brauchen.
Statt nach dem Namen der Bauart zu wählen, klären Sie zuerst eine Frage: Muss die Maschine in dem Moment, in dem sie wieder eingeschaltet wird, wissen, wo sie steht? Wenn ja, brauchen Sie einen Absolutdrehgeber. Wenn nein, genügt ein Inkrementaldrehgeber.
Worauf die drei Bauarten jeweils Wert legen
Alle drei lesen ein Muster von einer Scheibe, sie gehen aber darin auseinander, was sie für am wichtigsten halten.
| Bauart | Absolute Position | Fehlablesungen an einer Grenze | Benötigte Codespuren |
|---|---|---|---|
| Binär | Bekannt, sobald Spannung anliegt | Kann sehr weit danebenliegen | Eine je Bit |
| Gray | Bekannt, sobald Spannung anliegt | Nie schlimmer als der Nachbarsektor | Eine je Bit |
| Inkremental | Unbekannt bis zur Referenzfahrt | Entfällt (nur relativ) | Eine |
Kurz gefasst: Absolute Position verlangt eine mehrspurige Absolutscheibe, und wer innerhalb dieser Familie die Grenzfehler klein halten will, verlangt Gray-Code. Der Inkrementalgeber kommt mit einer einzigen Spur und einer viel einfacheren Scheibe aus, dann muss die absolute Position aber von woanders kommen.
Das führt zur naheliegenden Frage: Kann eine Scheibe die absolute Position tragen, ohne Spuren hinzuzufügen? Dieser Gedanke führt zur einspurigen PRBS-Scheibe, die eine pseudozufällige Folge auf einen Ring schreibt, und zu den Hybridscheiben, die einen groben Code mit einem feinen Zyklus verbinden. Darum geht es in (2) Einspurig und hybrid.
Häufige Fragen
F1. Soll ich einen absoluten oder einen inkrementalen Drehgeber wählen?
A. Die erste Weiche ist, ob Sie nach jedem Einschalten eine Referenzfahrt hinnehmen können. Wenn ja, genügt inkremental; wenn nein, brauchen Sie absolut. Die tatsächliche Entscheidung hängt auch von den Sicherheitsanforderungen der Maschine und den Fähigkeiten der Steuerung ab, deshalb bleibt dieser Artikel beim Unterschied zwischen den Bauarten stehen.
F2. Meine Gray-Ablesung zeigt 0, 1, 3, 2. Ist die Scheibe defekt?
A. Nein. Der Gray-Code ist so angeordnet, dass sich benachbarte Winkel in genau einem Bit unterscheiden, weshalb das direkte Lesen des Bitmusters als Dezimalzahl eine springende Reihenfolge ergibt. Solange die in natürlichen Binärcode umgesetzten Werte 0, 1, 2, 3 lauten, arbeitet alles korrekt.
F3. Ist es unnormal, dass die Kanäle A und B gleichzeitig high sind?
A. Das ist normal. Lesen in Quadratur bedeutet, 00, 10, 11 und 01 zu durchlaufen, es gibt also stets einen Abschnitt mit beiden Kanälen high und einen mit beiden low. Zwei dauerhaft entgegengesetzte Kanäle entsprächen 180 Grad Phasenverschiebung, und mit dieser Anordnung lässt sich die Drehrichtung nicht bestimmen.
F4. Verbessern mehr Bits die Genauigkeit im gleichen Verhältnis?
A. Sie erhöhen die Teilungszahl, aber jedes zusätzliche Bit bringt eine weitere Spur und verfeinert das Muster nahe dem Rand. Schieben Sie den Bit-Regler in den Abbildungen hoch, und Sie sehen, wie schnell die äußerste Spur eng wird. Bei realer Hardware stößt diese Feinheit an die Grenzen von Fertigungstoleranz und Sensorauflösung.
F5. Entsprechen diese Abbildungen einem realen Produkt?
A. Nein. Es sind vereinfachte Zeichnungen, die einen Mechanismus zeigen sollen. Spurreihenfolge, Zuordnung von Hell und Dunkel sowie Sensorplatzierung wurden der Verständlichkeit halber gewählt, und reale Hardware kann eine Synchronspur oder mehrere Leseköpfe ergänzen. Der Abschnitt “In der Abbildung auf dieser Seite” nennt jeweils, was der Zeichnung eigen ist.
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