INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2025

SENSORIK UND

SENSORIK UND MESSTECHNIKWIE SICH DIE MESSGENAUIGKEIT MODERNERSIN/COS-SENSOREN ADÄQUAT UMSETZEN LÄSSTPERFORMANCE-NACHRÜSTUNGGeht es um Geschwindigkeitsregelung oder Positionierung, verlangen Antriebsreglerbesonders hochauflösende Positionsgeber. Herzstück sind spezielle integrierte Schaltkreisezur Konditionierung und zur Sinus/Digital-Wandlung der magnetischen oder optischenSensorsignale. Auch für lineare Wegmesssysteme werden höhere Verfahrgeschwindigkeitengewünscht. Wir stellen Ihnen einen neuen Signalwandler vor, der sich genau diesenAnforderungen stellt.Lineare Wegmesssysteme und Winkelgeber verwenden genauemagnetoresistive Messbrücken („XMR“) oder strukturiertePhotodioden-Arrays („PDA“), die die Winkel- oderWeginformation kodiert in einem 90 ˚ versetzten Sinus- undCosinus-Signal anliefern. Der Messwertumformer, ein als Interpolatorbezeichneter nichtlinearer A/D-Wandler, verantwortetdie Umsetzung dieser Sinus-/Cosinus-Signale in Winkelschritte,die dann entweder inkrementell, als sogenanntes Quadratursignalmit Richtungsinformation, oder als absolutes Datenwortherausgegeben werden, das den Phasenwinkel des Sinussignalsrepräsentiert.Für gute Messergebnisse ist eine qualitativ hochwertige Vorverstärkungnötig, die den Wandler möglichst voll aussteuert.Das analoge Frontend (AFE) muss dabei differentielle Signalevon 30 mV (AMR-Sensor) bis 3 V (TMR, für optische Sensoren bis500 mV) rauscharm und driftfrei aufbereiten. Und weil Sensoreninzwischen „klirrarme“ Signale anbieten, sind analoge Signalkorrekturenim Sub-% Bereich wünschenswert – hierfür bietet dervollintegrierte Baustein iC-NQE eine platzsparende Lösung, diediskret kaum zu realisieren wäre.ECHTZEITWANDLUNGZur Positionierung und Regelung von Motoren wird eine latenzarmeRückmeldung gewünscht; eine Domäne, die klassische01 Das Prinzip des Vektor-Nachlaufwandlers:Korrekturdaten können verzögerungsfrei eingespieltund der Ausgabewinkel bei Bedarf geglättet werdenVektor-Nachlaufwandler seit vielen Jahren besetzten. Das Konzept(Bild 01) baut kompakt: es gibt hauptsächlich einen präzisenKomparator, der einen Zähler aufwärts oder abwärts steuert.Der digitale Zählwert füttert einen oder mehrere D/A-Wandler,die analoge Winkelsignale zurückführen, die am Eingang gemischtund wieder dem Vergleicher zugeführt werden. Ist dasSystem einmal eingeschwungen, enthält der Zähler den hochaufgelösten Phasenwinkel und läuft Schritt für Schritt, beziehungsweiseBit für Bit, jeder Eingangsänderung mit einer wähl-20 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2025/01 www.industrielle-automation.net

SENSORIK UND MESSTECHNIK02 Ausgewählte Leistungsmerkmale im Vergleichlauffehler und sogar eine lokale Fehlerspitze einer magnetischenTeilung ausgleichen kann.LEISTUNGSMERKMALE VON DERGESCHWINDIGKEIT BIS ZUR AUFLÖSUNGDank moderner CMOS-Technologie kann der High-PerformanceMixed-Signal-Baustein iC-NQE beachtenswerte Verbesserungenanbieten: eine achtfach höhere Genauigkeit und Auflösungen bis16 Bit oder eine mindestens verdoppelte Geschwindigkeit für industrieüblicheLinearsysteme (Bild 02).Hinzu kommt ein Füllhorn an Schnittstellen und nachgefragtenSystemfunktionen. Beispielsweise verfügt iC-NQE über diverseDiagnosen zur Signal- und Temperatur-Überwachung sowiezur Überwachung der Konfiguration im Betrieb. Für die Controller-Kommunikationim Embedded-System stehen serielle SPIundI2C-Schnittstellen zur Verfügung; über letztere wird auchexterner Speicher für OEM- und Nutzerdaten angebunden.baren Folgerate hinterher – Sprünge sind nicht möglich. Auf eineÄnderung am Eingang reagiert das System unmittelbar in Echtzeit,wobei übermäßige Änderungen bei einer Signalstörung überdie einstellbare maximale Nachlaufrate entzerrt werden.MESSWERTKORREKTUR AUF DEN I-PUNKTDie Wandler-Entwicklung wurde mit der Verfügbarkeit neuererCMOS-Prozesse vorangetrieben und technologische Möglichkeitenausgeschöpft, bis hin zur dynamischen Fehlerkorrektur undeiner automatischen Kalibrierung. Die angebotene Wandlungsgenauigkeitstieg etwa um 2 Bit pro Jahrzehnt, sodass inzwischenSkalenfehler oder mechanische Rundlauffehler in den Vordergrundtreten und die Korrekturhilfen herausfordern.Berechnete und dynamische Korrekturen zur langsamen Drift-Korrektur können sich gut eignen und das initiale Einmessen beider Gerätekommissionierung erleichtern. Allerdings hinkt dieseArt der Korrektur einer Fehlereingabe hinterher und kompensiertnur anteilig, sodass immer mehrere Eingangsperioden zumAuskorrigieren nötig sind. Dies vermeidet zwar Messwertsprünge,erlaubt aber keine Korrektur einer lokalen Störung der Maßverkörperung,beispielsweise an der Nullstelle eines magnetischenPolrads. Zur Linearisierung der Winkelmessung bietet der iC-NQE deshalb eine Tabellen-basierte Korrektur namens iCAL, dieeine harmonische Sensorverzerrung, einen langwelligen Rund-Das Alleinstellungsmerkmal des SignalwandlersiC-NQE ist die gleichzeitige Ausgabestabilisierter Sin/Cos-Signale über einekabeltaugliche 1Vss-Schnittstelle für Kontrollzweckeoder Anbindung der Steuerung.Dipl.-Ing. Joachim Quasdorf, iC-Hauswww.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 2025/01 21