Leitfaden Drehgeber Fachbegriffe und Kenngrößen

Leitfaden Drehgeber Fachbegriffe und Kenngrößen ZVEI Zentralverband Elektrotechnikund Elektronikindustrie e. V. Fachverband Automation Lyoner Straße 9 60528 Frankfurt am Main Fon: 069 630238 Fa: 069 630239 Mail: automation@zvei.org www.zvei.org

Inhaltsangabe Allgemeines 2 Grundbegriffe 2. Maßverkörperung und Meßsystem 2.2 Schnittstellen 2.2. Mechanische Schnittstelle 2.2.2 Elektrische Schnittstellen 2.3 Grundlegende Parameter 3 Produktinformation 4 Zusaenfassung 5 Anhang Anhang A: eispiel für Standardangaben Anhang A2: Normative Verweisungen 3 4 5 6 7 8/9 0 2/3 4/5 Allgemeines Der Technische Ausschuss Drehgeber des Zentralverbandes der Elektrotechnik und Elektronikindustrie e.v. (ZVEI) hat einen Entwurf für eine DrehgeberNorm auf den Weg gebracht, die als Grundlage zu einer unmissverständlichen Kounikation zwischen Anwendern und Herstellern dieses Sensortyps dient. Als Drehgeber werden Sensoren zur Erfassung von rotativen Lageänderungen bezeichnet, die sowohl Wegstrecke als auch richtung erfassen können. Weitere ezeichnungen sind Winkelcodierer oder Drehimpulsgeber. Ziel der Norm ist nicht eine Standardisierung der Drehgeber selbst, sondern vielmehr deren einheitliche Leistungsbeschreibung unter Verwendung der definierten Fachbegriffe und ezeichnungen für die relevanten Kenngrößen. Die Nutzung verschiedener egriffe für ein und dieselben technischen Merkmale und Sachverhalte oder Mehrdeutigkeiten gehören damit der Vergangenheit an. Anwender profitieren von einer leichteren Lesbarkeit der Datenblätter und sind in der Lage auch Angaben verschiedener Hersteller direkt zu vergleichen. Das Fernziel der am Normentwurf beteiligten Firmen ist die Erarbeitung einer weltweit gültigen Norm. Im Folgenden sind wesentliche Inhalte des Normentwurfs dargestellt, um den interessierten Personenkreisen einen Einblick zu geben. Der Entwurf befasst sich mit Drehwinkelmesssystemen mit inkrementaler, codierter und/oder absoluter Erfassung der Messgröße (auch als absolute Winkelcodierer, codierte Drehgeber, absolute Drehgeber, Drehimpulsgeber oder Encoder bekannt). 2 3

2 Mechanische Schnittstelle Grundbegriffe Das Drehwinkelmesssystem besteht aus einer mechanischen Schnittstelle, der Maßverkörperung und Sensorelementen, dem Stator und der elektrischen Schnittstelle. Drehwinkelsystem Stator Maßverkörperung Rotor Sensorelement * Signalverarbeitung und optionale Funktionen SV + opt.f. *) Elektrische Schnittstelle 2. Maßverkörperung und Meßsystem Die Maßverkörperung beinhaltet eine oder mehrere Spuren mit definierten Teilungen. ei inkrementalen Drehwinkelmessystemen wird die Anzahl von Teilungen üblicherweise als Impulszahl angegeben. Ein inkrementales Drehwinkelmessystem wandelt eine konstante Drehung des Rotors in ein periodisches Signal um. Die Periodizität hängt von der Teilung der Maßverkörperung ab. ei inkrementalen Drehwinkelmesssystemen gibt es keine absolute Zuordnung einer Position zum Messsignal. Für die eindeutige Festlegung der Ausgangsposition kann ein zusätzliches Referenzsignal genutzt werden. Ein absolutes Drehwinkelmesssystem wandelt die Stellung des Rotors in ein eindeutig kodiertes Signal um. Daneben gibt es die Möglichkeiten der Kombination solcher Meßsysteme. Diese Kombinationen finden beispielsweise in der Antriebstechnik oder in Pressensteuerungen ihren Einsatz. 4 5

2.2 Schnittstellen 2.2. Mechanische Schnittstelle Die mechanische Schnittstelle weist neben Flansch und Gehäuse üblicherweise eine Achse auf, die die Drehbewegung auf den Rotor überträgt. Es sind verschiedene Ausführungsformen gebräuchlich. Weit verbreitet sind Systeme mit Vollwelle oder Hohlwelle. Das mechanische System wird bestit durch: die maimale etriebsdrehzahl (höchstzulässige Drehzahl mit der das Drehwinkelmesssystem unter den spezifizierten Umgebungsbedingungen betrieben werden darf) 2.2.2 Elektrische Schnittstellen Die elektrische Schnittstelle wird sowohl zur Spannungsversorgung als auch zum Datenaustausch zwischen Drehwinkelmesssystem und eterner Auswerteelektronik genutzt. Die Drehwinkelmesssysteme können noch über optionale Datenausgänge wie zum eispiel Geschwindigkeit, NockenFunktion, Rotorstellungssignal für Positionskontrolle, Motorkoutierung und Diagnose verfügen. Die Sondersignale können einzeln oder komplett in einem Gerät umgesetzt werden und über Hard oder Software an die entsprechende Steuerung angeschlossen sein. A A AC AC das Anlaufdrehmoment (Moment, das erforderlich ist, um die Welle aus der Ruhelage in Drehbewegung zu versetzen) die zulässige Wellenbelastung (größte dauernde oder wechselnde Kraft auf die Welle, bei der die angegebenen Fehlergrenzen nicht überschritten werden bzw. bis zu der die Lebensdauer der Lagerung z.. mittels Kugellagern sichergestellt wird). Dabei werden die angegebenen Fehlergrenzen für das Drehwinkelmesssystem bei Einhaltung der zulässigen ewegung (aial und radial) der Antriebswelle nicht überschritten. A AC Zum bestiungsgemäßen Einsatz der Drehgeber sind noch mechanische Verbindungselemente gebräuchlich insbesondere Stator und Wellenkupplungen. Sie verbinden die Kundenseite der Applikation mit dem Drehgeber. 6 7

8 2.3 Grundlegende Parameter Für den Einsatz eines Drehgebers sind unterschiedliche Parameter entscheidend: Der Messbereich eines inkrementalen Drehwinkelmesssystems ist der Winkelbereich, in dem ein gültiges Ausgangssignal geliefert wird. Der Winkelbereich beträgt 360 oder weniger. eines absoluten Drehwinkelmesssystems ist der Winkelbereich, in dem eine Stellung durch ein eindeutiges Ausgangssignal identifiziert wird. Der Winkelbereich kann kleiner, gleich oder größer als 360 sein (z.. bei Multiturn Drehwinkelmesssystemen). Der Messschritt bei inkrementalen Drehwinkelmesssystemen: Periode des Ausgangssignals. Dabei ist die Anzahl der Perioden gleich der Anzahl von Markierungen oder Linien pro Umdrehung auf der Maßverkörperung oder die Mehrzahl davon. ei absoluten Drehwinkelmesssystem ist der Messschritt die kleinste Winkelbewegung des Rotors, die zu einer Änderung des Ausgangssignals führt. Die Messschrittabweichung ist die maimale Messabweichung zwischen der Winkel/Signal charakteristischen Kurve und dem gemessenen Winkelwert von Messschritt zu Messschritt. Die gesamte Messschrittabweichung ist die maimale Messabweichung zwischen der Winkel/Signal charakteristischen Kurve und dem gemessenen Winkelwert (inklusiv FHerstellungstoleranzen über den gesamten Messbereich). A csc O cot tan cos sin C v ersin D sec e sec E Zusätzlich bei absoluten Drehgebern: Der Ausgabecode ist die eindeutige Verschlüsselung der Messwerte nach einem bestiten Schema am Ausgang (Schnittstelle) des Drehwinkelmesssystems. In der Prais finden verschiedene Codes im Paralleldrehgeber (z.. GrayCode) oder in feldbussystemen Anwendung (hier werden verschiedene ussysteme wie z.. Profibus, CANus genutzt). Die maimale Ausgabefrequenz ist die Frequenz des Drehwinkelmesssystems, bei der noch die richtige Abfolge der Codewerte (bei codierter Erfassung der Messgröße) sichergestellt ist. Der Codeverlauf gibt an, in welcher Drehrichtung der Ausgabecode steigenden Werten entspricht. Umgebungsbedingungen Der Arbeitstemperaturbereich gibt an, zwischen welchen Temperaturgrenzen der Umgebung und der Anbaufläche die angegebenen Fehlergrenzen nicht überschritten werden dürfen. Die spezifizierten Umgebungsbedingungen müssen eingehalten werden. Der Lagerungstemperaturbereich gibt an, zwischen welchen Temperaturgrenzen das Drehwinkelmesssystem ohne Schaden gelagert oder transportiert werden darf. Drehgeber müssen dabei mindestens bei einer Umgebungstemperatur von 0 C bis +60 C betriebsfähig sein. Die relative Luftfeuchte (RH) der Luft darf 50 % bei +70 C nicht übersteigen. Höhere relative Luftfeuchten sind bei niedrigen Temperaturen erlaubt, z.. 90 % bei +20 C. 9

3 Produktinformation 4 Zusaenfassung Um eine leichtere Identifikation für Kunden herzustellen, wurden folgende Angaben bzw. Angaben in Katalogen und edienungsanweisungen definiert: Angaben zur Identifizierung Name des Herstellers oder Ursprungszeichen; Typbezeichnung oder andere ezeichnung, um das Drehwinkelmesssystem zu bestien und um entsprechende Informationen vom Hersteller oder aus dessen Katalog zu erhalten; ezugnahme auf den vorgeschlagenen Drehgebernormentwurf / diesen Leitfaden, wenn der Hersteller die Übereinstiung damit in Anspruch nit. Der Arbeitskreis Drehgeber im ZVEI greift in diesem Normentwurf/ Leitfaden die edürfnisse der Kunden und der Lieferanten auf und stellt durch die Definition der egriffe eine Vereinheitlichung des Wortschatzes zum Thema Drehgeber her. Damit werden Dokumente wie Kataloge und Datenblätter, ob elektronisch oder gedruckt, für die Kunden eindeutiger und leichter zu lesen sein und eine Vergleichbarkeit der Produkte gegeben. Hinweise und kritische Koentare aus der Umsetzungsprais sind sehr nützlich und hilfreich, um den Tet des Normentwurfs/Leitfadens ständig zu verbessern. Grundlegende Parameter des Drehgebers (siehe 2.3) Aufschriften Die Aufschriften müssen generell auf den Produkten angebracht werden, wobei auf Dauerhaftigkeit und Lesbarkeit geachtet werden muss. Kleine Produkte dürfen diese Aufschriften auf der Leitung oder an einem dauerhaft an der Leitung befestigten Anhänger tragen. Anschlüsse im Stecker oder am Kabel müssen klar und dauerhaft während der zu erwartenden Lebensdauer identifizierbar sein. Der Hersteller hat in seinen Unterlagen oder Katalogen die edingungen für den Einbau, den etrieb sowie die Wartung des Drehwinkelmesssystems anzugeben. Einbaumaße und bedingungen sind in der Herstellerdokumentation anzugeben. Die oben erwähnten Unterlagen haben Aussagen über Häufigkeit und Umfang der Wartung zu enthalten, sofern notwendig. 0

F cot A 5 Anhang csc sin Nr. Anhang A: eispiel für Standardangaben Technische Daten und Kenngrößen Einheiten Inkremental Codiert Nr. Technische Daten und Kenngrößen Einheiten Inkremental Codiert O cos C v er 2 3 4 5 6 7 8 Mechanische Eigenschaften Maße Masse Trägheitsmoment des Rotors Anlaufdrehmoment zulässige Wellenbelastung des Drehwinkelsystems aial radial bei Angabe des Kraftangriffspunktes Zulässige Wellenbewegung des Antriebselementes Radialbewegung statisch und dynamisch Aialbewegung statisch und dynamisch Winkelbewegung statisch und dynamisch, senkrecht zur Drehachse maimale etriebsdrehzahl Metrologische Eigenschaften Messbereich kg kg m 2 Nm N N rad oder / min rad, oder Umdrehungen 9 Schrittzahl je Umdrehung ) Signalperiod oder rad oder oder bits pro Umdrehungrad 0 Gesamte Messbereichsabweichung oder Messschrittabweichung rad oder Tabelle : Angaben für Drehwinkelmesssysteme mit inkrementaler und/ oder codierter Erfassung der Messgröße ) ei Drehwinkelmesssystemen mit einem Messbereich < 360 erfolgt die Angabe bezogen auf den Messbereich. 2 ) Übliche Angabe, z.. im Uhrzeigersinn cw (clockwise) und entgegen des Uhrzeigersinns ccw (counter clockwise) bei lickrichtung auf die Welle. 3 ) Applikationsspezifische Hinweise des Herstellers zu Art und Aufbau der Leitung sind zu beachten, z.. twisted pair, Dämpfungsverhalten,... 2 3 4 5 6 7 8 9 20 2 22 23 24 25 26 27 28 29 Schnittstellen zur Folgeelektronik Ausgangscode Signalfolge und Codeverlauf unter definierten edingungen 2 ) Referenzsignal Anzahl Lage maimale Ausgabefrequenz Elektrische Schnittstelle etriebsspannungsbereich etriebsstrom oder Leistungsaufnahme Signalleitung 3 ) Länge Durchmesser minimaler iegeradius maimale Leitungslänge Umgebungsbedingungen Verschmutzungsgrad Schutzart IP nach EN 60529 Arbeitstemperaturbereich Lagerungstemperaturbereich zulässige relative Luftfeuchte mit Angabe, ob etauung zulässig (ja oder nein) Widerstandsfähigkeit gegenüber Schocks nach DIN IEC 60068 Teil 227 Widerstandsfähigkeit gegenüber Vibration nach DIN IEC 60068 Teil 26 EMV Isolationsspannung Stossspannungsfestigkeit Hz Noch zu definieren V A W m m C C % 2 3

Anhang A2: Normative Verweisungen C CA Die folgenden aufgeführten Dokumente sind für die Anwendung dieses Leitfadens unbedingt heranzuziehen. ei datierten Verweisungen ist nur die angegebene Ausgabe gültig. ei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des herangezogenen Dokuments (einschließlich etwaiger Änderungen). Grundbegriffe der Messtechnik; Allgemeine Grund DIN 39 Teil begriffe DIN 39 Teil 2 Grundbegriffe der Messtechnik; egriffe für die Anwendung von Messgeräten DIN 39 Teil 3 Grundbegriffe der Messtechnik; egriffe für die Messunsicherheit und für die eurteilung von Messgeräten und Messeinrichtungen DIN 39 Part 4, 99902 asic concepts in metrology; Evaluations of measurements, Concepts for uncertainty of measurement and for the evaluation of measuring instruments and measuring devices DIN 2257 Teil egriffe der Längenprüftechnik; Einheiten, Tätigkeiten, Prüfmittel; Messtechnische egriffe DIN 32876 Teil 2 Elektrische Längenmessung mit digitaler Erfassung der Messgröße; egriffe, Anforderungen, Prüfung DIN IEC 60068 Teil 26 Elektrotechnik; Grundlegende Umweltprüfverfahren; Prüfung Fc und Leitfaden: Schwingen, sinusförmig; identisch mit IEC 6826: 982 (Stand 985) DIN IEC 60068a Teil 227 Elektrotechnik: Grundlegende Umweltprüfverfahren; Prüfungen; Prüfung Ea und Leitfaden: Schocken; identisch mit IEC 68227: 987 DIN VDE 0470 Teil Schutzarten durch Gehäuse (IP Code); (IEC 529 _989_, 2. Ausgabe) Deutsche Fassung EN 60 529: 99 (to be checked) AC EN 60068 Part 227 Electrical engineering: asic environmental testing procedures; Testing; Test Ea and guidance: Shock; identical with IEC 68227: 987 DIN EN 60629 200009 Degrees of protection provided by enclosures (IP code) Field bus standard for use in industrial control sys EN 658, 993 tems EN 5070, 9977 Universal field counication system DIN 9245, 9935 Measuring, openloop and closeloop control; PROFIUS; Process field bus ISO 898, 9958 Traffic vehicles echange of digital information EN 50325, 2005 Industrial counication subsystem, based on ISO 898 (CAN) EN 50254, 9997 small data packages Counication subsystem with high efficiency for EIA/TIA 232 F, 997 Interface between Data Terminal Equipment and Data Circuit Terminating Equipment Employing Serial inary Data Interchange TIA/EIA422, 9945 TIA/EIA485A, 9983 International Patent Classification G 0 007/30 G 0 P 003/42 G 0 02/22 EP 0 7 579 (SSI) Interface description Interface description 4 5