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Dieser Artikel liefert einen Überblick über alle gängigen Schnittstellen für Drehgeber.

 

Inkrementalgeber:

 

Absolutwertgeber:

 

Einteilung der Schnittstellen: 

In der folgenden Abbildung 1 werden alle üblichen Schnittstellen für Drehgeber übersichtlich dargestellt.

Schematische Übersicht über alle typischen Schnittstellen von Drehgebern
Abbildung 1: Übersicht und Einteilung von Drehgeberschnittstellen

 

Schnittstellen für Inkrementalgeber:

 

Sin/Cos \(1~V_{ss}\)

Die Sin/Cos \(1~V_{ss}\)-Schnittstelle ist eine analoge Schnittstelle für Drehgeber und liefert zwei um 90° phasenversetzte, periodische, sinusförmige Ausgangssignale, die in einer Folgeelektronik weiterverarbeitet werden. Je Umdrehung liefert der Drehgeber üblicherweise 100 ... 10.000 Perioden geliefert.

Um Störungen zu minimieren liefert der Drehgeber jeweils ein Sinus-Signal \((A)\) und das invertierte Sinus-Signal \((\overline{A})\), sowie ein Cosinus-Signal \((B)\) und das invertierte Cosinus-Signal \((\overline{B})\). Aus der Differenz dieser Signale ergibt sich das endgültige Signal \(A_{diff} = A - \overline{A}\) bzw. \(B_{diff} = B - \overline{B}\).

Die Signale \(A_{diff}\) und \(B_{diff}\) werden oft einer Gleichspannung von 2,5 V überlagert und haben eine Spitze-Spitze-Spannung von \(1~V_{ss}\). In der Abbildung 2 sind diese Zusammenhänge zu erkennen:

Signalverlauf bei der SinCos-Schnittstelle
Abbildung 2: Signalverlauf bei der SinCos-Schnittstelle

Die Folgeelektronik kann bereits über Zählung der Nulldurchgänge eine grobe Positionsbestimmung durchführen. Um die Position genauer zu bestimmen, kann durch Interpolation auch innerhalb der Halbwelle die aktuelle Winkellage berechnet werden. So kann auch bei langsamen Bewegungen die Position sicher bestimmt werden. Die Berechnung des aktuellen Winkels geschieht über die Formel $$\alpha=\arctan(\frac{ A_{diff} }{ B_{diff}  })$$

Beispiel für die Interpolation: Blabla. Verfahrweg bla.

In der folgenden Abbildung 3 sind die üblichen Leitungsbezeichnungen sowie das Ausgangssignal zu erkennen. Der Nullimpuls \((R)\) wird einmal pro Umdrehung mit seinem invertierten Signal \((\overline{R})\) ausgegeben.

Typische Anschlussbezeichnungen bei der SinCos-Schnittstelle
Abbildung 3: Typische Anschlussbezeichnungen bei der SinCos-Schnittstelle

Durch ihre analoge Natur ist die SinCos-Schnittstelle ideal echtzeitfähig. Die maximale Leitungslänge beträgt 50 m.

Weiterführende Links:

 

TTL

Inkrementalgeber mit TTL-Schnittstelle (andere Bezeichnung: Single-ended) generieren eine bestimmte Anzahl an Rechteckimpulsen ("Inkrementen") pro Umdrehung. Durch das Zählen dieser Inkremente in der Folgeelektronik kann damit die Position sowie unter Berücksichtigung eines Zeitintervalls auch die Geschwindigkeit berechnet werden.

Es werden zwei Rechtecksignale übermittelt, die einen Phasenversatz von 90° haben. Damit kann die Richtung eindeutig bestimmt werden. Zusätzlich haben die meisten TTL-Inkrementalgeber einen Referenz- oder Nullimpuls (mit R oder N bezeichnet), der einmal pro Umdrehung auftritt und zur Referenzierung genutzt werden kann.

Bei TTL (Transistor-Transistor-Logik) liegt der Signalpegel bei 5 V. Die Versorgungsspannungen sind variabel. Üblich sind zum Beispiel 24 V.

In der Abbildung 4 werden die Anschlussbezeichnungen und der Signalverlauf bei TTL-Drehgebern dargestellt.

Typische Anschlussbezeichnungen und Signalverlauf bei der TTL-Schnittstelle
Abbildung 4: Typische Anschlussbezeichnungen und Signalverlauf bei der TTL-Schnittstelle

Beispiel für Inkremente pro Umdrehung und Berechnung etc.

 

RS422

Wie auch TTL-Geber generieren Inkrementalgeber mit RS422-Schnittstelle eine bestimmte Anzahl an Rechteckimpulsen ("Inkrementen") pro Umdrehung. Die RS422-Schnittstelle nutzt TTL-Signalpegel. Im Gegensatz zu TTL wird bei RS422 am Sender das jeweils invertierte Signal hinzufügt und übertragen.

Es ist somit eine symmetrische Signalübertragung und damit unempfindlicher gegen Störungen. Je nach Leitungslänge können unterschiedliche Übertragungsraten mit RS422 erreicht werden, von 10 Mbit/s bei 10 m Längen bis zu 10 Kbit/s bei 1200 m. Am Empfänger wird die Differenz der Signale gebildet und ausgewertet, wie in der folgenden Abbildung 5 dargestellt wird.

Signalverlauf bei der RS422-Schnittstelle
Abbildung 5: Signalverlauf bei der RS422-Schnittstelle

Abbildung 6 zeigt die Anschlussbezeichnungen und den Signalverlauf bei Inkrementalgebern mit RS422-Schnittstelle.

Anschlussbezeichnungen bei der RS422-Schnittstelle
Abbildung 6: Anschlussbezeichnungen bei der RS422-Schnittstelle

Weiterführende Links:

 

HTL

Inkrementalgeber mit HTL-Schnittstelle generieren eine bestimmte Anzahl an Rechteckimpulsen ("Inkrementen") pro Umdrehung. HTL steht für High Threshold Voltage (auf deutsch mit Hochvolt-Transistor-Logik übersetzt) und wird ebenfalls Gegentakt, Push-Pull, Totem Pole und langsame störsichere Logik bezeichnet.

In der Regel stehen im Gegensatz zu RS422 keine invertierten Signale zur Verfügung. Deshalb sind HTL-Geber anfälliger für Störungen. Im Gegensatz zu TTL hängt die Ausgangsspannung von der Versorgungsspannung ab, die üblicherweise zwischen 10 und 30 V liegt. Der 0-Pegel liegt bei etwa 0 V.

Die Anschlussbezeichnungen und der Signalverlauf bei Drehgebern mit HTL-Schnittstelle sind in der folgenden Abbildung 7 dargestellt. 

Anschlussbezeichnungen und Signalverlauf bei der HTL-Schnittstelle
Abbildung 7: Anschlussbezeichnungen und Signalverlauf bei der HTL-Schnittstelle

Weiterführende Links:

In der folgenden Tabelle 1 sind die Merkmale der Schnittstellen für Inkrementalgeber zusammengefasst:

Tabelle 1: Merkmale der Schnittstellen für Inkrementalgeber

Schnittstelle Sin/Cos \(1~V_{ss}\) TTL RS422 HTL
Auf den Punkt gebracht Analoges Sinus- und Cosinussignal Rechteckimpulse, 5 V Rechteckimpulse, symmetrische Übertragung Rechteckimpulse, 10 - 30 V
Übertragungsart analog digital digital, symmetrisch digital
max. Leitungslänge 50 m 50 m 500 m 100 m
Aderzahl 8 5 8 5
Siemens-Komponente F-TM Count 1x1Vpp sin/cos HF (6ES7136-6CB00-0CA0) TM PosInput TM PosInput TMCount o. FM Timer

 

Schnittstellen für Absolutwertgeber:

 

SSI

Absolutwertgeber mit synchron-serieller Schnittstelle (SSI) übertragen die absolute Position des Drehgebers.

Für die Übertragung werden nur zwei Leitungspaare benötigt: Über das CLOCK-Signal gibt die Steuerung einen Takt vor. Über das DATA-Signal werden die Daten seriell übertragen. Die Übertragung beginnt mit dem höchstwertigsten Bit (MSB) und endet mit dem niederwertigsten Bit (LSB).

SSI basiert auf dem RS422-Standard und übertragt daher auch das jeweils invertierte Takt- und Datensignal, um Störungen zu minimieren. An einen gemeinsamen Takt dürfen bis zu drei Geber angeschlossen werden.

Die Anschlussbezeichnungen und ein beispielhafter Signalverlauf sind in Abbildung 8 dargestellt.

Anschlussbezeichnungen bei der SSI-Schnittstelle
Abbildung 8: Anschlussbezeichnungen und Signalverlauf bei der SSI-Schnittstelle

Die Übertragung der Daten über die SSI-Schnittstelle ist in der Abbildung 9 dargestellt und läuft wie folgt ab:

1
Im Ruhezustand liegen beide Signale auf 1-Pegel.
2
Bei der ersten fallenden Flanke des Clock-Signals wird der aktuelle Positionswert gespeichert.
3
Bei der nächsten steigenden Flanke des Clock-Signals beginnt die Übertragung der Bits, angefangen mit dem höchstwertigsten Bit (MSB).
4
Nach dem niederwertigsten Bit (LSB) bleibt das Clock-Signal auf 1-Pegel.
5
Wenn der Sender wieder bereit ist, Daten zu übertragen, wechselt das Data-Signal auf 1-Pegel.
Signalverlauf bei der SSI-Schnittstelle
Abbildung 9: Signalverlauf bei der SSI-Schnittstelle

Weiterführende Links:

 

BiSS C

Absolutwertgeber mit BiSS-C-Schnittstelle übertragen die absoluten Positionsdaten bidirektional, synchron und seriell. Wie bei SSI werden zwei Leitungspaare genutzt, dabei wird der Takt (CLOCK) vom Master vorgegeben und die Daten (DATA) vom Slave gesendet. Die BiSS-Schnittstelle ist hardwaremäßig kompatibel zur SSI-Schnittstelle. Durch Firmwareupdates können in einigen Fällen SSI-Geber für BiSS-Anwendungen genutzt werden.

Die folgende Abbildung 10 zeigt die typischen Anschlussbezeichnungen.

Anschlussbezeichnungen bei der BiSS-C-Schnittstelle
Abbildung 10: Anschlussbezeichnungen bei der BiSS-C-Schnittstelle

In der Abbildung 11 wird der Signalverlauf mit den Protokolldaten dargestellt und im folgenden Text erklärt.

Die Übertragung der Daten über BiSS läuft wie folgt ab:

1
Der Geber zeigt mit 1-Signal an, dass er bereit ist. Das Taktsignal bleibt auf 1-Signal.
2
Der Master beginnt damit, Taktsignale zu senden und fordert damit Daten an.
3
Mit der zweiten steigenden Flanke im Taktsignal setzt der Geber die Datenleitung auf 0-Signal (ACK).
4
Der Geber sendet ein 1-Signal (Start).
5
Der Geber sendet ein 0-Signal (CDS).
6
Die Positionsdaten werden gesendet, beginnend mit dem MSB.
7
Ein Fehlerbit wird übertragen (1= Alles okay).
8
Das Warnbit wird übertragen (1 = Alles okay).
9
CRC wird übertragen.
Signalverlauf bei der BiSS-C-Schnittstelle
Abbildung 11: Signalverlauf bei der BiSS-C-Schnittstelle

Weiterführende Links:

 

HIPERFACE DSL

Die Drehgeberschnittstelle HIPERFACE DSL ermöglicht die Übertragung von absoluten und inkrementellen Positionsdaten, Parametern und einem elektronischen Typenschild. Oft werden Hybridleitungen genutzt, die in nur einem Kabel sowohl die Daten als auch die Leistung für den Motor übertragen. Die Schnittstelle wurde ursprünglich von Sick Stegmann entwickelt, ist aber mittlerweile freigegeben und kann von allen Herstellern genutzt werden.

Es werden 4 Leiterpaare, also insgesamt 8 Adern benötigt: 2 Adern für die Spannungsversorgung, 2 Adern für die digitalen Daten und 4 Adern für die Sin/Cos-Inkrementalsignale. Die Datenleitung entspricht dem RS485-Standard. Über die Datenleitung können bidirektional Daten übertragen werden. Nach der Anfrage durch die Steuerung kann der Geber folgende Daten übertragen: Parameter (elektronisches Typenschild), Signale anderer Sensoren, die im Motor verbaut sind (zum Beispiel Temperaturen), die absolute Position, die sichere Position mit CRC. Die Positionsänderungen zur absoluten Position werden ständig in Echtzeit über die Sin/Cos-Schnittstelle übertragen.

In der Abbildung 12 werden die Anschlussbezeichnungen und ein beispielhafter Signalverlauf für die HIPERFACE-DSL-Schnittstelle dargestellt.

Anschlussbezeichnungen und Signalverlauf bei der HIPERFACE-Schnittstelle
Abbildung 12: Anschlussbezeichnungen und Signalverlauf bei der HIPERFACE-Schnittstelle

Weiterführende Links:

 

EnDat 3

Die Schnittstelle EnDat 3 (seit 2019) ist die Weiterentwicklung der Schnittstellen EnDat 2.1 (1995) und EnData 2.2 (2003) und ermöglicht die Übertragung von Positionsdaten, Diagnosedaten, Parametern, dem elektronischen Typenschild und ggf. Daten weiterer Sensoren. In der 4-Ader-Technik werden zwei Adern für die Spannungsversorgung und zwei Adern als Datenkanal verwendet. Bei der 2-Ader-Technik wird sowohl Spannungsversorgung als auch Datenfluss über die beiden Adern bewerkstelligt. Die Datenleitung entspricht dem RS485-Standard.

In der folgenden Abbildung 13 sind die Anschlussbezeichnungen für EnDat 3 in der 4-Ader-Technik dargestellt.

Anschlussbezeichnungen bei der EnDat-3-Schnittstelle in 4-Ader-Technik
Abbildung 13: Anschlussbezeichnungen bei der EnDat-3-Schnittstelle in 4-Ader-Technik

In der folgenden Abbildung 14 sind die Anschlussbezeichnungen für EnDat 3 in der 2-Ader-Technik dargestellt.

Anschlussbezeichnungen bei der EnDat-3-Schnittstelle in 2-Ader-Technik
Abbildung 14: Anschlussbezeichnungen bei der EnDat-3-Schnittstelle in 2-Ader-Technik

Die Kommunikation funktioniert per Request und Response, d.h. die Steuerung (Master) stellt eine Anfrage (Request) an den Drehgeber (Slave), dieser sendet daraufhin die angeforderten Daten (Response). Im Response wird zunächst der High-Priority-Frame gesendet, der üblicherweise die zeitsensiblen Positionsdaten enthält. Im Folgenden können noch Low Priority Frames (LPF) gesendet werden, die zusätzliche Daten enthalten. Jeder Frame wird über CRC gegen Falschübertragungen abgesichert. In Abbildung 15 ist das Übertragungsprotokoll mit den einzelnen Frames dargestellt.

EnDat 3 kann auch für sicherheitsrelevante Funktionen bis SIL 3 genutzt werden.

Protokollaufbau bei der EnDat-3-Schnittstelle
Abbildung 15: Protokollaufbau bei der EnDat-3-Schnittstelle

Weiterführende Links:

 

Resolver

Resolver sind die einzigen analogen Absolutwertgeber. Zwei Stator-Wicklungen sind um 90° versetzt um eine Rotorwicklung angeordnet. Die Rotorwicklung wird mit der Sinusspannung \(U_{ref}\) erregt. Abhängig von der Winkellage des Rotors werden in den Statorwicklungen die Spannungen \(U_{1}\) und \(U_{2}\) induziert, die der Sinuskurve folgen. In Abbildung 16 werden die Referenzspannung und die beiden resultierenden Spannungen dargestellt.
Die Phasenlage dieser Spannungen gibt Aufschluss über den aktuellen Drehwinkel. Resolver funktionieren nur als Single-Turn-Geber. Um den aktuellen Lagewinkel zu berechnen, wird die Formel $$\alpha=\arctan(\frac{ U_{1} }{ U_{2}  })$$ genutzt.

Anschluss und Signalverlauf beim Resolver
Abbildung 16: Anschluss und Signalverlauf beim Resolver

Weiterführende Links:

In der folgenden Tabelle 2 sind die Merkmale der Schnittstellen für Absolutwertgeber zusammengefasst:

Tabelle 2: Merkmale der Schnittstellen für Absolutwertgeber

Schnittstelle SSI BiSS C HIPERFACE EnDat 3 Resolver
Auf den Punkt gebracht Serielle Übertragung der absoluten Position mit Hilfe von Taktsignal Serielle Übertragung der absoluten Position und weiterer Daten (hardwarekompatibel mit SSI) mit Hilfe von Taktsignal Kombination aus serieller Übertragung von Positions- und weiteren Daten sowie analoger Übertragung Serielle Übertragung von Positionsdaten und weiterer Daten per Request und Response Analoge Übertragung von absoluter Position
Übertragungsart seriell seriell seriell und analog seriell seriell
max. Leitungslänge 1000 m   100 m 100 m bei 12,5 Mbit/s, 40 m bei 25 Mbit/s 50 m
Aderzahl 6 6 8 2 oder 4 6
Siemens-Komponente TM PosInput        

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