Ringgeber – Leitfaden für CAD-Designer

Wie funktioniert ein Ringgeber?

Ringgeber können in 2 Haupttypen unterteilt werden – Absolutwert- und Inkrementalgeber. Inkrementalgeber messen die Änderung der Winkelposition. Sie erzeugen bei Winkeländerungen eine Reihe von Impulsen – manchmal mit einem Referenzimpuls, der einmal pro Umdrehung erzeugt wird. Inkrementalgeber werden häufig zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eingesetzt.

Absolutwertgeber melden den Winkel direkt nach dem Einschalten ohne jegliche Bewegung. Sie erzeugen entweder ein analoges Signal oder einen digitalen Datenstrom, der über den Messbereich einzigartig ist. Absolutwertgeber werden am häufigsten gewählt, wenn ein Kalibrierschritt nach dem Einschalten vermieden werden muss.

Beide Typen können nach der von ihnen verwendeten Grundphysik weiter unterschieden warden:

Potentiometer

Obwohl ein deutlicher Trend zu berührungslosen Winkelmessgeräten zu beobachten ist, sind Potentiometer („Potis“) nach wie vor üblich. Sie messen einen Spannungsabfall, wenn ein oder mehrere Kontakte entlang einer Widerstandsbahn gleiten. Genauigkeiten von <0,01% sind durch Laserbehandlung der Widerstandsbahnen möglich, aber üblich sind <0,5%. Potentiometer funktionieren gut in Anwendungen mit einfachen Arbeitszyklen, bei günstigen Umgebungsbedingungen und moderater Leistung. Leider sind sie anfällig für Verschleiß und Fremdkörper wie Staub oder Sand, die als eine Art Schleifpaste wirken. Hochwertige Geräte bieten eine lange Lebensdauer in Bezug auf die Anzahl der Zyklen, wobei die Auswirkungen von Vibrationen hierbei oft nicht in Betracht gezogen werden.

Vorteile: Geringe Kosten; einfach; kompakt; leicht. können genau eingestellt werden.
Nachteile: Verschleiß; Vibration; Fremdkörper; extreme Temperaturen.

Optische Ringgeber

Optische Encoder sind das, woran die meisten Menschen denken, wenn sie an einen Ringgeber denken. Sie reichen von einfachen Geräten, die bis zu 100 Euro kosten, bis hin zu Präzisionsgeräten im Bereich von über 10,000 Euro. Die grundlegenden Funktionsprinzipien sind im Wesentlichen die gleichen: ein stationärer Lesekopf leuchtet durch oder auf ein Gitter auf dem rotierenden Ring. Der Lesekopf erkennt das resultierende optische Signal und erzeugt ein Positionssignal. Wenn die Linse des Lesekopfes oder das Gitter durch Schmutz, Späne oder Wasser verdeckt wird, führt dies zu einer Fehlmessung. Kondensation ist ein ernstzunehmendes Problem bei Geräten im Außenbereich. Bei optischen Gebern ist zu beachten, dass, wenn der Geber mit 1.000 Zählwerten pro Umdrehung angegeben wird, dies nicht bedeutet, dass er auf 1/1.000stel einer Umdrehung genau ist. Datenblätter müssen sorgfältig gelesen werden, da im Kleingedruckten sehr enge Installationstoleranzen gefordert werden können. Es kann auch erforderlich sein, bei Montage, Installation und Betrieb Verunreinigungen vollständig auszuschließen.

Vorteile: Hohe Auflösung; gute Genauigkeit bei präziser Montage; hohe Verfügbarkeit.
Nachteile: Fremdkörper; Fatale Ausfälle mit Folgen; Erschütterung; extreme Temperaturen.

Magnetische Ringgeber

Magnetische Ringgeber verfügen über einen Lesekopf, der das Feld misst, das durch ein Magnetmuster auf einer rotierenden Scheibe erzeugt wird. Wenn sich Magnet oder Magnetmuster gegenüber dem Lesekopf verschieben, ändert sich das Magnetfeld proportional zu der relativen Verschiebung und es wird ein Ausgangssignal erzeugt. Magnetgeber überwinden viele der mit optischen Geräten verbundenen Nachteile, da sie toleranter gegenüber Fremdstoffen sind. Dennoch werden diese Geber aufgrund der magnetischen Hysterese und der großen thermischen Verschiebung selten für Anwendungen mit hoher Genauigkeit eingesetzt. Auch spielt die Nähe zu magnetischen Materialien oder elektrischen Kabeln eine Rolle, da hierbei das Magnetfeld gestört werden kann. Magnete können Fremdpartikel anziehen, auch das Auftreten von Spänen oder Partikeln im Laufe der Zeit ist eine Fehlerquelle.

Vorteile: Ziemlich robust; beständig gegen die meisten Flüssigkeiten.
Nachteile: Temperatur; Hysterese; Präzisionstechnik; Nähe zu Stahl/DC-Quellen und schlechte Stoß- und Schlagfestigkeit.

Herkömmliche induktive Resolver

Ringgeber, die herkömmliche induktive (oder Transformator-)Verfahren verwenden, werden eher als Scheibenresolver oder Plattenresolver bezeichnet. Resolver verwenden drei Drahtwicklungen: eine Primärwicklung, die mit einem Wechselstromsignal bestromt wird, und zwei um einen Stator herum angeordnete Sekundärwicklungen. Während sich ein magnetisch leitender Rotor dreht, variiert die elektromagnetische Kopplung zwischen der Primärspule und den Sekundärspulen. Das Verhältnis der induzierten Signale gibt die Position des Rotors in Bezug auf die Spulen an. Dieses radiometrische Verfahren ist entscheident für die hohe Stabilität und Messgenauigkeit von Resolvern. Scheiben- oder Plattenresolver haben einen guten Ruf für ihre Zuverlässigkeit und werden oft für sicherheitsrelevante Anwendungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Militär, Nuklear und Industrie eingesetzt. Während sich für optische und magnetische Geber die Elektronik in der Nähe des Messpunktes befinden muss, kann Sie für Resolver vom Messbereich entfernt positioniert werden, wodurch der Geber in rauen Umgebungen betrieben werden kann, während die Elektronik an einem geschützten Ort ist.

Vorteile: Hohe Genauigkeit; zuverlässig; robust; extreme Umgebungen; überall erhältlich.
Nachteile: Teuer; sperrig; schwer.

Induktivgeber oder Incoder

Induktivgeber – oft auch als Incoder bezeichnet – nutzen die gleichen Grundprinzipien wie herkömmliche Induktivgeber, und bieten damit eine gute, berührungslose Messleistung in rauer Umgebung. Statt Transformatorenkonstruktionen oder sperrigen Drahtwicklungen verwenden Incoder gedruckte Schaltungen. Das bedeutet Reduzierung von Kosten, Größe und Gewicht, aber auch erhöhte Genauigkeit und Messleistung unter rauen Bedingungen. Sie sind eine relativ neue Form von Ringgebern, haben aber einen guten Ruf und werden in vielen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin, dem Militär und der Schwerindustrie eingesetzt. Incoder sind mit inkrementellen, absoluten und analogen Spannungsausgängen erhältlich.

Vorteile: Hohe Genauigkeit; zuverlässig; robust; Mehrere Geometrien; kompakt; leicht.
Nachteile: Teurer als Potentiometer.

Wie kann ich einen Ringgeber spezifizieren?

Wir sprechen im Grunde genommen von einem Messgerät und deshalb ist der Hauptaspekt der Spezifikation die Messleistung. Sie müssen sich im Klaren sein, was benötigt wird, denn hier gibt es große Unterschiede in Bezug auf Kosten, Größe und Gewicht. Die wichtigsten Parameter sind:

• Auflösung – die kleinste Schrittweite (Erhöhung oder Verringerung) des Winkels, die der Geber messen und zuverlässig melden kann
• Wiederholbarkeit – die Winkeländerung, die der Geber für die gleiche Position über mehrere Zyklen melden würde. Das ist gleichbedeutend mit Präzision – oder dem Grad der Reproduzierbarkeit des Gebers.
• Linearität – oder wissenschaftlich gesehen Nichtlinearität – ist der Unterschied zwischen der Ausgabe des Gebers und dem tatsächlichen Winkel. Wenn wir hierbei den Versatz ignorieren, ist das gleichbedeutend mit Genauigkeit. Ein perfekt linearer Winkelgeber ist also perfekt genau.

Dabei lässt sich der Unterschied zwischen Exaktheit und Präzision mithilfe der Analogie eines auf eine Zielscheibe abgeschossenen Pfeils erklären. Genauigkeit beschreibt, wie genau ein Pfeil in den inneren Ring trifft. Beim Abschießen mehrerer Pfeile ist die Präzision gleich der Größe der Pfeilgruppe. Sind alle Pfeile nahe beieinander, so gilt die Gruppe als präzise.

Denken Sie sorgfältig darüber nach, was für Ihr Projekt erforderlich ist. Sie werden überrascht sein, dass Genauigkeit für Ihr Projekt vielleicht nicht so wichtig ist, dafür aber Wiederholbarkeit. Wenn Sie einen Begriff wie „ziemlich genau“ verwenden, dann haben Sie nicht genau genug nachgedacht. Beachten Sie auch, dass die meisten Winkelgeber mit Zählwerten pro Umdrehung (cpr) oder Auflösung (normalerweise in Bits angegeben, z.B. 10bits = 1024 Counts) vermarktet und beworben werden. Hierbei handelt es sich aber um die Auflösung, nicht die Linearität oder Genauigkeit.