Schnelle Konvertierung von mechanischen Drehungen in digitale Signale mit Drehgebern

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Im digitalen Zeitalter muss die Messung der Drehung einer mechanischen Motorwelle oder des Drehknopfs eines rotierenden Instruments schnell und effizient geschehen. Analoge Methoden wie Potentiometer und Drehschalter werden durch Drehgeber ersetzt, die die Drehbewegung direkt digitalisieren, aber die Entwickler müssen die Unterschiede zwischen den verschiedenen Typen von Drehgebern kennen und deren digitale Ausgabe exakt interpretieren können.

Im vorliegenden Artikel werden die Rolle von Drehgebern und ihre Funktionsweise beschrieben. Dann wird gezeigt, wie die Signale von Drehgebern interpretiert werden, bevor Lösungen und praktische Anwendungen von Drehgebern vorgestellt werden.

Die Rolle von Drehgebern

Drehgeber stellen einen Typ von Sensor dar, der die Drehung einer mechanischen Welle misst. Es könnte sich um die Welle eines Motors handeln, dessen Winkelposition und Rotationsgeschwindigkeit gemessen wird. Es könnte auch die Winkelposition einer Scheibe, eines Knopfs oder eines anderen elektronischen Elements auf der Frontblende eines Messinstruments oder eines Geräts ausgelesen werden und damit ein Potentiometer oder Drehschalter ersetzt werden.

Denken Sie an die Zeitsteuerung eines Haushaltsgeräts. In den alten analogen Tagen musste die Position der Steuerung mithilfe eines variablen Widerstands (Potentiometer) übertragen werden. Mit den heutigen Mikroprozessoren sind von einem Drehgeber erzeugte digitale Eingaben effizienter.

Drehgeber können auch in Steuerungssystemen als Rückmeldung dafür verwendet werden, dass sich ein mechanisches Teil als Reaktion auf einen Steuerbefehl korrekt bewegt. Ob das Steuerungssystem ein Auto oder ein Roboter ist, Drehgeber liefern dem steuernden Mikroprozessor die erforderlichen Messwerte. Ältere Lösungen wie Potentiometer mit einer einzigen Umdrehung können nur weniger als eine Umdrehung der Welle messen, aber Drehgeber können eine Gesamtdrehung ohne anzuhalten erfassen.

Drehgeber formen mechanische Verrückungen in elektrische Signale um, die zur Interpretation an einen Prozessor gesendet werden können. Aus der elektrischen Ausgabe des Drehgebers können die Drehrichtung, die Winkelposition und die Drehgeschwindigkeit abgeleitet werden. Aufgrund der digitalen Ausgabe des Drehgebers ist dies viel einfacher als bei einem Potentiometer.

Die Funktionsweise eines Drehgebers

Es gibt zwei Arten von Drehgebern: inkrementelle und absolute. Ein inkrementeller Drehgeber misst Änderungen des Winkelversatzes, während ein absoluter Drehgeber den absoluten Drehwinkel der Welle misst. Dies wird mithilfe von drei verbreiteten Technologien implementiert: optisch, mechanisch oder magnetisch.

Optische Drehgeber bestehen aus einer Scheibe aus durchsichtigen und undurchsichtigen Segmenten, die so angeordnet sind, dass das Licht durch bestimmte Bereiche gelassen wird. Auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe sind eine LED und Photodioden angebracht (Abbildung 1). Die Photodioden erkennen das durch die Scheibe dringende Licht und geben Pulswellen aus, die dem Muster der Scheibe aus durchsichtigen und undurchsichtigen Segmenten entsprechen.

Bild: Inkrementelle und absolute optische Scheiben

Abbildung 1: Beispiele für inkrementelle und absolute optische Scheiben. Die inkrementelle Scheibe generiert zwei mit einer Phasendifferenz von 90˚ gegeneinander versetzte Rechteckwellen. Die absolute Scheibe gibt binär codierte Daten aus. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die absolute Scheibe in Abbildung 1 hat vier Ausgänge, die für jedes Segment der Scheibe einen eindeutigen Binärcode liefern, in diesem Fall sechzehn (Tabelle 1). Eine Alternative zum Binärcode ist der Grey-Code, ein Binärcode, bei dem benachbarte Binärworte um nur ein einziges Bit voneinander abweichen.

Segmentnummer Sektorbereich (Grad) Binärcode
0 360/0 - 22,5 0000
1 22,5 - 45 0001
2 45 - 67,5 0010
3 67,5 - 90 0011
4 90 - 112,5 0100
5 112,5 - 135 0101
6 135 - 157,5 0110
7 157,5 - 180 0111
8 180 - 202,5 1000
9 202,5 - 225 1001
10 225 - 247,5 1010
11 247,5 - 270 1011
12 270 - 292,5 1100
13 292,5 - 315 1101
14 315 - 337,5 1110
15 337,5 - 360/0 1111

Tabelle 1: Die sechzehn Binärzustände eines absoluten Drehgebers mit vier Bit. (Quelle der Tabelle: Digi-Key Electronics)

Das von einer inkrementellen Scheibe generierte Muster besteht aus zwei Rechteckwellen, die um eine Phasendifferenz von 90˚ gegeneinander verschoben sind. Dies wird als Quadraturausgabe bezeichnet. Dies kann auch durch ein Muster in einer einzigen Reihe und zwei um die Phasenverschiebung von 90° gegeneinander versetzte photoelektrische Sensoren erreicht werden.

Die Ausgänge von zwei inkrementellen Quadratur-Drehgebern werden im Allgemeinen als „A“ und „B“ bezeichnet. Der Drehgeber kann auch einmal pro Umdrehung einen dritten Impuls, einen sogenannten Indeximpuls, generieren, um eine bekannte physikalische Referenz bereitzustellen. Durch Kombination des Indeximpulses mit den Quadraturausgängen kann die absolute Orientierung der Welle berechnet werden.

Aufgrund der beiden um 90° phasenverschobenen Ausgaben ist es möglich, nicht nur den Winkelversatz, sondern auch die Richtung der Drehung zu messen (Abbildung 2).

Bild: Die Quadratursignale bestimmen die Drehrichtung der Codierscheibe

Abbildung 2: Die Phasenbeziehung zwischen den Quadratursignalen bestimmt die Drehrichtung der Codierscheibe. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Wenn sich die Welle des Drehgebers im Uhrzeigersinn dreht, führt die Welle A die Welle B. Bei einer Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn führt das Signal B das Signal A.

Mit den zwei Quadratursignalen ist es möglich, vier Zustände pro Zyklus aufzulösen. Die Zustände innerhalb eines einzelnen Zyklus sind A = 1 und B = 0, A = 1 und B = 1, A = 0 und B = 1 und schließlich A = 0 und B = 0. Dies bedeutet, dass die Winkelauflösung eines Quadraturausgangs das Vierfache der Impulse pro Umdrehung (Pulse per Revolution, PPR) beträgt.

Die Betrachtung und Messung der Quadraturausgaben eines optischen Drehgebers auf einem Oszilloskop zeigt die Phasenbeziehung zwischen den Ausgaben (Abbildung 3). Das Signal A liegt im oberen und das Signal B im unteren Streifen. Der Phasenparameter des Oszilloskops ist so eingestellt, dass er die Phasendifferenz zwischen den Signalen A und B misst. Die mittlere Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen beträgt 90,4˚.

Bild: Quadraturausgabe mit 512 Impulsen pro Umdrehung

Abbildung 3: Die Quadraturausgabe eines optischen Drehgebers mit 512 Impulsen pro Umdrehung zeigt die Phasenbeziehung zwischen den Signalausgängen A und B (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

In diesem Beispiel wurde nur A als einziger Ausgang verwendet, da der Drehgeber als Tachometer verwendet wurde und die Rotationsgeschwindigkeit eines Motors gemessen wurde. Als Frequenz des Signals A wird mit dem Parameter P2 des Oszilloskops 28,87 kHz gemessen. Dies wird in die Rotationsgeschwindigkeit der Welle durch Division durch die 512 Impulse pro Umdrehung (PPR) und Multiplikation mit 60 ungerechnet, um die Winkelgeschwindigkeit der Welle in Umdrehungen pro Minute zu erhalten, die in Parameter P3 als 3383 RPM ausgelesen wird.

Auf der Grundlage dieser Werte liefern die 512 PPR dieses Drehgebers eine Auflösung von 0,7 Grad. Nach Interpretation der Zustände A/B beträgt die Auflösung 0,175˚.

Optische Drehgeber haben den Vorteil, dass sie die höchste Auflösung aller Arten von Drehgebern haben. Aufgrund Ihres Preises eignen sie sich für kostengünstige Low-End-Anwendungen. Die negative Seite ist, dass sie oft sperrig sind.

Bei mechanischen Drehgebern wird eine rotierende Scheibe mit konzentrischen Ringen mit den gleichen Mustern wie bei optischen Drehgebern verwendet. Auf den Ringen befinden sich Muster aus leitenden und nicht leitenden Bereichen. Fest angebrachte Federkontakte gleiten über die rotierende Scheibe und haben Kontakt mit jedem der Ringe und wirken so als Schalter. Wenn der Kontakt über einen leitenden Bereich gleitet, wird ein Kontakt hergestellt bzw. unterbrochen, wenn er über einen nicht leitenden Bereich gleitet. So entsteht für jeden Ring ein digitales Muster.

Ein Problem, das bei mechanischen Drehgebern auftreten kann, ist ein Rauschen durch das Anstoßen der Kontakte. Das Rauschen kann durch Tiefpassfilter oder durch Software, die nach einem Anstoßen den Zustand des Ausgangs ermittelt, eliminiert werden.

Mechanische Drehgeber sind im Allgemeinen die preisgünstigsten Modelle. Sie werden als Bedienelemente auf Frontplatten von elektronischen Geräten eingesetzt und ersetzen dort Potentiometer.

Bei Drehgebern auf Magnetbasis wird ein kreisförmiger Magnet mit mehreren Polen verwendet. Die sich abwechselnden magnetischen Nord- und Südpole werden von Hall-Sensoren oder magnetoresistiven Sensoren erfasst und generieren elektrische Quadraturausgaben, wenn sich der Magnet dreht. Magnetische Drehgeber sind wie optische Drehgeber kontaktlos und können bei höheren Geschwindigkeiten und über längere Zeit als Drehgeber mit mechanischen Kontakten eingesetzt werden.

Verwendung von Drehgebern

Aufgrund der elektromechanischen Natur des Drehgebers ist es erforderlich, dass er mit mechanischen Vorrichtungen oder dem Benutzer interagiert. Wenn Drehgeber als Steuerelemente in elektronischen Geräten eingesetzt werden, haben sie eine solide Welle und sind normalerweise auf einer Steuertafel mit einer entsprechenden Buchse und dazugehörigem Material angebracht.

Es sind Modelle mit Rasten verfügbar, die beim Drehen des Drehgebers ein mechanisches Klicken erzeugen, sodass der Benutzer ein haptisches Feedback erhält, wenn sich die Welle bewegt. Es sind auch Modelle mit Schalter erhältlich, bei denen durch Drücken auf die Welle ein temporärer Kontakt erzeugt wird.

Drehgeber, die an rotierenden Maschinen, z. B. an Motoren oder Antrieben angebracht werden, haben Hohlwellen oder Sacklochwellen (Abbildung 4).

Diagramm: Drehgeber mit Hohl- und Sacklochwelle

Abbildung 4: Drehgeber mit Hohl- oder Sacklochwelle werden an Motoren oder anderen elektromechanischen Maschinen angebracht. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Ein Drehgeber mit Hohlwelle wird auf eine Motorwelle oder auf eine ähnliche mechanische Vorrichtung aufgesteckt. Dadurch ist gewährleistet, dass er konzentrisch auf der überwachten Vorrichtung angebracht ist und keine Asymmetrie und keine Winkelverschiebung auftreten kann. Sacklochwellen sind kurze Hohlwellen, mit denen der Drehgeber am Ende einer Motorwelle befestigt wird.

Wahl und Anwendung eines Drehgebers

Die Wahl einer Drehgebers hängt von den Anforderungen der Anwendung und der Umgebung sowie von Budgetbeschränkungen ab.

Der 291V1022F832AB von CTS Electronic Components ist ein optischer inkrementeller Drehgeber mit einer Winkelauflösung von 8 PPR mit einer Versorgungsspannung von 5 V (Abbildung 5). Die Serie 291 unterstützt Auflösungen von 4 bis 64 PPR und ist mit verschiedenen Arten von Wellen verschiedener Länge, mit Rasten und eingebautem Schalter erhältlich. Als Lebensdauer werden bis zu 3 Millionen Zyklen angegeben.

Bild: 291V1022F832AB von CTS mit typischer Gewindebuchse, Sicherungsscheibe und Sicherungsmutter

Abbildung 5: Der 291V1022F832AB von CTS mit typischer Gewindebuchse, Sicherungsscheibe und Sicherungsmutter zum Einbau als Bedienelement auf einer Schalttafel. (Bildquelle: CTS)

Die Serie CTS 291 von optischen Drehgebern ist ideal für die Steuerung von Instrumenten, z. B. für medizinische oder Laborgeräte, Kommunikation, Industrie, Heizung und Klimatechnik, Transportwesen, Sicherheit, Audio und Heimelektronik.

Der EMS22Q51-D28-LT4 von Bourns Inc. ist ein inkrementeller magnetischer Drehgeber mit einer Auflösung von 32 PPR bis zu 256 PPR, der mit einer Versorgungsspannung von 5 oder 3,3 V betrieben werden kann. Das Bauelement gehört zur Serie EMS22Q von kontaktlosen Drehgebern mit einer Winkelauflösung von 32 bis 256 PPR. Wie die oben genannten Drehgeber ist er in vielen verschiedenen Ausführungen mit Wellen und Buchsen lieferbar. Er ist für eine Lebensdauer von 50 Millionen Zyklen ausgelegt. Diese Drehgeber eignen sich für den Einsatz in rauen industriellen Umgebungen bei extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und Kontamination durch Partikel.

Wie bei vielen Drehgebern sind auch hier Anschluss und Anwendung problemlos (Abbildung 6).

Diagramm: Pins des EMS22Q51-D28-LT4 von Bourns im Detail

Abbildung 6: Die Pins des EMS22Q51-D28-LT4 von Bourns im Detail (links eingefügt) und das Blockdiagram zeigen, wie einfach ein kontaktloser inkrementeller magnetischer Drehgeber mit einer Auflösung von 256 PPR an einen Mikrocontroller angeschlossen werden kann. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die Serie EMS22Q hat sechs Pins. Je einen für die Stromversorgung und Masse, einen active-low Chip-Select-Pin zum Mikrocontroller oder Mikroprozessor und zwei Daten-Pins (A und B). Abbildung 7 zeigt die gelieferte Quadratur-Ausgabe.

Bild: EMS22Q mit Quadratur-Ausgabe

Abbildung 7: Der EMS22Q erzeugt eine Quadratur-Ausgabe mit einer Auflösung von 32 bis 256 PPR. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Ein mechanischer Drehgeber mit einer Auflösung von 20 PPR wie der EN11-HSM1AF15 von TT Electronics eignet sich hervorragend für kostengünstige Geräte und für Bastler. Dieser Drehgeber gehört zur Serie EN11 mit einer Winkelauflösung von 15 oder 20 PPR mit Achsen und Buchsen in vielen Längen, verschiedenen optionalen Schaltern und Ausführungen mit Rasten. Dieser Drehgeber wird mit 5 V betrieben, sein Preis liegt bei etwa einem Zehntel des Preises eines optischen Drehgebers und als Lebensdauer werden 30.000 Zyklen angegeben.

Fazit

Drehgeber decken den Bedarf an Bauelementen für eine schnelle und effiziente Messung und Digitalisierung von Drehungen von Steuerelementen auf Frontplatten, Roboterarmen oder rotierenden Motorwellen. Inkrementelle bzw. absolute Drehgeber verfügen über geeignete Anschlüsse für Mikroprozessoren oder Mikrocontroller und erlauben so die Messung und Steuerung von Komponenten in elektromechanischen Systemen.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key