Know-how von Digi-Key Drehgeber-Technologien verständlich erklärt

Bild 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.
Beispiele für inkrementelle und absolute optische Scheiben.

Was ist eigentlich ein Drehgeber? Wie funktioniert er und für welche Applikationen bietet er sich an? Und wie interpretiert man die von ihm generierten Signale? Ein Exkurs in Theorie und Praxis.

Von Rich Miron, Applications Engineer, Digi-Key Electronics

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

Die Rolle des Drehgebers

Drehgeber sind Sensoren, die die Drehung einer mechanischen Welle messen. 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 Gerätes ausgelesen werden und damit ein Potenziometer 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 (Potenziometer) 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 Potenziometer mit einer einzigen Umdrehung können nur weniger als eine Umdrehung der Welle messen, Drehgeber hingegen 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 lassen sich die Drehrichtung, die Winkelposition und die Drehgeschwindigkeit ableiten. Aufgrund der digitalen Ausgabe des Drehgebers ist dies viel einfacher als bei einem Potenziometer.

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 (Bild 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.

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

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 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 (Bild 2). 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 (Bild 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°.

In diesem Beispiel wurde 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 umgerechnet, 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°.