Ein Inkrementalgeber ist ein Sensor, der in der industriellen Automatisierung, Bewegungssteuerung, Robotik und anderen Präzisionsgeräten weit verbreitet ist. Er wird hauptsächlich verwendet, um Drehwinkel, Geschwindigkeit und Richtung zu messen. Der Inkrementalgeber erzeugt eine Reihe elektrischer Impulse, die Informationen über die Bewegung einer rotierenden Achse liefern. Diese Impulse werden dann vom Steuerungssystem verwendet, um Positionsänderungen, Geschwindigkeit und andere Parameter zu berechnen. Einige Systeme bezeichnen dies aufgrund seiner inkrementellen Natur auch als Inkrementalgeber-Sensor. Darüber hinaus können ähnliche Prinzipien in einem inkrementellen Linearencoder (für lineare Verschiebung) oder einem inkrementellen Drehgeber (für Drehverschiebung) angewendet werden.
1. Grundlegendes Funktionsprinzip eines Inkrementalgebers
Das grundlegende Funktionsprinzip eines Inkrementalgebers basiert auf optischer oder magnetischer Technologie. Die Schlüsselkomponente ist eine rotierende Scheibe (auch "Kodierscheibe" oder "Skalenscheibe" genannt) mit regelmäßig angeordneten kodierten Mustern (wie Streifen oder Löchern). Während sich die Scheibe dreht, interagiert sie mit einem stationären Sensor (z. B. einem optischen Sensor) und erzeugt entsprechende Impulssignale.
Während sich die Encoderscheibe dreht, stellen die von ihr erzeugten Impulssignale schrittweise Änderungen des Drehwinkels dar. Für jede feste Drehung wird ein Satz von Impulssignalen erzeugt. Diese Signale sind typischerweise konsistent und periodisch. Das Funktionsprinzip eines Inkrementalgebersbeinhaltet zwei primäre Ausgangssignale (A und B) und kann auch ein Referenzsignal (Z) enthalten. Diese Signale helfen dabei, Richtung, Positionsänderung und Geschwindigkeit der Rotation zu bestimmen.
2. Typen von Inkrementalgebern
Inkrementalgeber können basierend auf der Ausgabesignalmethode in verschiedene Typen eingeteilt werden:
Optischer Inkrementalgeber:
Optische Inkrementalgeber verwenden eine Lichtquelle und einen Fotodetektor, um Muster (Streifen oder Löcher) auf der Kodierscheibe zu erkennen. Wenn Licht durch diese Muster fällt, erzeugt der Detektor elektrische Signale.
Vorteile: Hohe Auflösung, geeignet für präzise Messungen und kann feine Winkeländerungen ermöglichen.
Nachteile: Empfindlich gegenüber Staub, Schmutz und anderen Umweltfaktoren, die Leistung.
Magnetischer Inkrementalgeber:
Magnetische Encoder verwenden Magnetfelder zur Erkennung. Die Encoderscheibe hat Magnete oder Magnetpole, und der Sensor erkennt die Änderungen der Magnetfelder während der Drehung der Scheibe und wandelt diese in elektrische Impulssignale um.
Vorteile: Langlebig und gut geeignet für raue Umgebungen (z. B. hohe Temperaturen, Feuchtigkeit, Staub).
Nachteile: Typisch hat eine geringere Auflösung im Vergleich zu optischen Encodern, ist aber für viele Anwendungen ausreichend.
Mechanischer Inkrementalgeber:
Mechanische Encoder verwenden mechanischen Kontakt und Gangwechsel, um Impulse zu erzeugen. Diese werden typischerweise in kostengünstigen Anwendungen eingesetzt, bei denen keine hohe Präzision erforderlich ist.
Nachteile: Geringere Auflösung und Verschleiß durch mechanische Komponenten.
3. Wichtige Parameter von Inkrementalgebern
Auflösung: Die Auflösung bezieht sich auf die Anzahl der Impulse, die der Encoder bei jeder vollen Umdrehung der Encoderscheibe erzeugt. Dies wird auch als Inkrementalgeberauflösung bezeichnet und gibt die Präzision des Gebers pro Umdrehung an. Eine höhere Auflösung bedeutet eine höhere Messpräzision pro Umdrehung. Beispielsweise erzeugt ein Geber mit 1000 Impulsen pro Umdrehung (PPR) 1000 Impulse pro Umdrehung der Scheibe.
Impulsfrequenz: Dies ist die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Impulse, üblicherweise gemessen in Hertz (Hz). Die Impulsfrequenz bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit des Gebers. Höhere Impulsfrequenzen ermöglichen dem Encoder die Messung höherer Geschwindigkeiten.
Phasenverschiebung: Inkrementelle Encoder haben normalerweise zwei Ausgangssignale, A und B. Die Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen hilft bei der Bestimmung der Drehrichtung. Wenn zwischen den Signalen A und B eine Phasenverschiebung von 90 Grad besteht, kann die Drehrichtung identifiziert werden. Wenn das A-Signal dem B-Signal vorauseilt, zeigt dies eine Drehung im Uhrzeigersinn an; wenn B vor A liegt, zeigt dies eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn an.
Ausgabetyp: Inkrementelle Encoder geben typischerweise Rechteckwellensignale aus, die Open-Collector-, Push-Pull- oder Differenzialausgänge sein können. Verschiedene Ausgabetypen sind mit verschiedenen Steuerungssystemen und elektrischen Schnittstellen kompatibel.
Referenzsignal: Einige Inkrementalgeber liefern auch einen „Null“- oder „Referenz“-Impuls (oft als Z-Signal bezeichnet), der einmal pro Umdrehung auftritt. Dieses Signal wird zur Synchronisierung und zum Zurücksetzen der Position des Encoders verwendet.
4. Vorteile und Nachteile von Inkrementalgebern
Vorteile:
Geringe Kosten: Inkremental Encoder sind relativ einfach im Aufbau und daher kostengünstig.
Hohe Auflösung: Sie ermöglichen hochpräzise Winkel- und Geschwindigkeitsmessungen und eignen sich daher für viele Anwendungen, bei denen Genauigkeit erforderlich ist.
Schnelle Reaktion: Inkrementelle Encoder können schnell auf Änderungen der Drehzahl reagieren und sind daher ideal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen Anwendungen.
Einfache Installation: Sie sind einfach zu installieren und eignen sich daher für die Integration in verschiedene Geräte.
Richtungserkennung: Die Phasenverschiebung zwischen A- und B-Signalen ermöglicht eine genaue Erkennung der Drehrichtung.
Nachteile:
Kein Positionsspeicher: Inkrementelle Encoder liefern nur relative Positionsinformationen, d. h. sie können sich ihre Position nach dem Ausschalten der Stromversorgung nicht merken. Bei einem Stromausfall oder einem Neustart des Systems muss die Position zurückgesetzt werden.
Empfindlichkeit gegenüber Umweltfaktoren: Optische Encoder reagieren empfindlich auf Verunreinigungen wie Staub und Fett, während magnetische Encoder weniger anfällig für Umweltbedingungen sind.
Notwendigkeit eines externen Nullsignals: Da Inkrementalgeber die relative Position messen, benötigen sie typischerweise ein externes Referenzsignal, um die Position zu initialisieren oder zurückzusetzen.
5. Anwendungen von Inkrementalgebern
Inkrementalgeber werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, insbesondere in Anwendungen, die eine präzise Positionsmessung, Bewegungssteuerung und Rückmeldung erfordern. Gängige Anwendungen sind:
Motorsteuerung: Inkrementalgeber liefern Geschwindigkeits- und Winkelfeedback in Echtzeit und sind daher unverzichtbar für die Steuerung von Servomotoren, Schrittmotoren und anderen Motortypen.
Robotik: Sie werden zur präzisen Positionierung und Bewegungssteuerung in Roboterarmen, mobilen Plattformen und automatisierten Systemen verwendet.
CNC-Maschinen: In CNC-Maschinen (Computerized Numerical Control, computergestützte numerische Steuerung) werden Inkrementalgeber zur Steuerung der präzisen Bewegung von Werkzeugen und Maschinen verwendet.
Automatisierte Produktionslinien: Sie helfen bei der Überwachung der Bewegung verschiedener Geräte in Produktionslinien und gewährleisten so Präzision und Effizienz in Herstellungsprozessen.
Mess- und Steuerungssysteme: Inkrementalgeber werden in verschiedenen Präzisionsmesssystemen und Steuerungsanwendungen verwendet.
Automobilsysteme: In Elektrofahrzeugen, Robotern und autonomen Fahrzeugen werden sie verwendet, um die Drehung von Rädern, Motoren und anderen beweglichen Teilen zu überwachen und zu steuern.
6. Vergleich: Inkrementalgeber vs. Absolutgeber
Sowohl Inkremental- als auch Absolutgeber werden zur Positionsmessung verwendet, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihrer Funktionsweise und der Art der Rückmeldung, die sie liefern.
Inkrementalgeber: Bietet nur relative Positionsinformationen und benötigt externe Referenzsignale zur Initialisierung oder zum Zurücksetzen der Position. Nach einem Stromausfall oder Neustart muss es neu initialisiert werden.
Absolut-Encoder: Bietet einen eindeutigen Positionswert für jeden Punkt seiner Rotation. Auch nach einem Stromausfall kann ein Absolutwertgeber seine Position beibehalten und einen genauen Messwert liefern.
Inkrementalgebern fehlt zwar die Fähigkeit, absolute Positionen zu speichern, sie bieten jedoch Vorteile wie geringere Kosten und schnellere Reaktion, sodass sie für viele Anwendungen geeignet sind. Absolute Encoder hingegen eignen sich besser für Anwendungen, bei denen die absolute Positionsverfolgung entscheidend ist.
7. Fazit
Wie funktionieren Inkrementalgeber? Inkrementalgeber sind aufgrund ihrer geringen Kosten, Einfachheit, hohen Präzision und schnellen Reaktionszeiten ein häufig verwendeter Typ von Drehpositionssensoren. Obwohl sie keinen Positionsspeicher besitzen und auf die relative Positionierung beschränkt sind, sind Inkrementalgeber aufgrund ihrer Funktionsweise für Anwendungen wertvoll, die eine schnelle und präzise Steuerung erfordern. Daher werden sie häufig in Bewegungssteuerungssystemen, Robotern, CNC-Maschinen und anderen Automatisierungsprozessen eingesetzt und liefern wertvolles Feedback für eine breite Palette von Präzisionsgeräten.