Industrielle Automation 4/2019

SENSOR+TEST

SENSOR+TEST 2019 I MESSE 01 Batteriegepufferter 40-Bit Hall-Multiturn-Encoder iC-PVL Bausteine für eine Realisierung von Hohlwellen- oder Lineargebern Grenzen überwinden Magnetische Absolut-Encoder mit Batterie-Backup erlauben verschiedene Ansätze für den Aufbau einer Systemlösung Die Entwicklung und Integration eines Absolutgebers ist in der Regel aufwendiger als die eines herkömmlichen Inkrementalgebers. Wesentliche Gründe dafür sind hohe Anforderungen an die Maßverkörperung, mechanische Systemtoleranzen sowie ein großer Aufwand für Abgleich und Kalibrierung. Vermeiden lässt sich dies mit einem speziellen Encoder-IC, der über eine Backup- Batterie verfügt. Lesen Sie, wie derartige alternative Lösungen exemplarisch aussehen können. Patrick Stahl, Vertrieb und Applikation für Encoder- und Mikrosysteme und Joachim Quasdorf,Vertrieb und Applikation für Encodersysteme, beide bei der iC-Haus GmbH in Bodenheim Um absolute Hohlwellen- oder Lineargeber zu realisieren, bei denen eine einfache elektrische und mechanische Integration gewünscht wird, stellt die Verwendung eines Periodenzählers mit Batteriepufferung einen äußerst interessanten Lösungsansatz dar. Traditionell kommen in diesem Bereich optische oder magnetische System- On-Chip ICs zum Einsatz, die Codescheiben mit absoluten Gray-, Binär-, Nonius- oder auch serielle Pseudo-Random-Codes abtasten. Zusätzlich werden in der Regel Sin / Cos-Signale von einer Inkrementalspur interpoliert und zusammen mit der Absolutinformation zu einem fein aufgelösten Absolutwert verrechnet. Dabei müssen diese Systeme hohe Auflösungen (ab 17 Bit) und hohe Winkelgenauigkeiten von mehr als 80" bieten. Diese außerzentrisch abtastenden Positioniersysteme stellen generell hohe Anforderungen an die genutzte Maßverkörperung, die mechanische Justage sowie an Abgleich und Kalibrierung. Weiterhin können solche Systeme in Bezug auf die realisierbaren Hohlwellendurchmesser oder linearen Messwege mehr oder weniger stark limitiert sein. Beim Einsatz eines batteriegepufferten Periodenzählers entfallen diese Anforderungen und Restriktionen weitestgehend. Zur praktischen Umsetzung solcher Systeme eignet sich der Baustein IC-PVL der Firma IC-Haus hervorragend. Ursprünglich wurde IC-PVL als batteriegepufferter 40-Bit Hall- Multiturn-Encoder konzipiert, der im Zusammenspiel mit kompatiblen IC-Haus-Singleturn-Encoderbausteinen die komfortable Konstruktion von Multiturn-Gebern erlaubt. Zusätzlich kann der Baustein jedoch auch als batteriegepufferter Periodenzähler eingesetzt werden, der eine entsprechende Absolutinformation zur Verfügung stellt. Diese wird dann beispielsweise von einem geeigneten Interpolatorbaustein eingelesen, um durch Verrechnung mit einem fein aufgelösten Positionswort eine hochauflösende Absolutinformation zu ermitteln. Der Baustein zählt hierbei permanent die Anzahl der magnetischen Perioden, die am Sensor vorbeigeführt werden. Dies gilt auch für den betriebsspannungslosen Zustand, da IC-PVL in diesem Fall automatisch auf Batteriebetrieb umschaltet. Die anwendungsspezifisch konfigurierbare Stromaufnahme liegt hierbei typisch unter 10 μA bei moderaten Beschleunigungen und Drehzahlen, was einen batteriegestützten Betrieb über mehrere Jahre ermöglicht. Eine konfigurierbare Warnschwelle für die Batteriespannung macht die Wartung planbar und vermeidet unnötige Standzeiten. Bei differentieller Abtastung arbeitet IC- PVL mit jeder inkrementellen magnetischen Maßverkörperung von 1,0 bis 3,0 mm Polbreite. Mit einen Back-Bias-Magneten ist auch die Abtastung eines entsprechenden ferromagnetischen Zahnrads möglich. Mögliche Lösungsarchitekturen Für den konkreten Aufbau einer Systemlösung bestehen – je nach Anspruch an die Positionsauflösung – verschiedene Ansätze (Bild 03), welche von Haus aus auch immer multiturnfähig sind. Sind nur niedrige bis mittlere Auflösungen gefordert, kann in 16 INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2019

MESSE I SENSOR+TEST 2019 02 Der IC-TW29 ist ein System-on-Chip für inkrementelle und absolute Positionsgeber der einfachsten Ausführung der IC-PVL als Stand-alone-Baustein eingesetzt werden (Bild 03, Darstellung a). Die Interpolationstiefe pro magnetischer Periode liegt dann bei 3 Bit. In einer linearen Anwendung kann somit bei einer Polbreite von 1,0 mm eine Positionsauflösung von 250 µm erreicht werden. Die Winkelauflösung bei rotativen Anwendungen hängt von der Anzahl der verwendeten Polpaare ab. Bei 128 Polpaaren erreicht man beispielsweise eine Winkelauflösung von log2 (128) + 3 Bit = 10 Bit. Eine FlexCount- Schaltung ermöglicht hier die Interpretation von 1 bis 256 magnetischen Polpaaren als eine volle mechanische Umdrehung. Daher ist der Anwender auch nicht auf binäre Teilungen limitiert, sondern kann sein System problemlos mit einer dezimalen a) b) Anzahl an Polpaaren auslegen. Durch die maximal zulässige magnetische Eingangsfrequenz von 8 kHz sind Drehzahlen bis 15 000 U/min (bei 32 Polpaaren) oder Linearbewegungen bis 24 m/s (bei 1,5 mm Polbreite) zulässig. Encoder-Prozessor und XMR-Sensor kombinieren Werden hohe Anforderungen an die Auflösung gestellt, bietet sich eine Kombination von IC-PVL mit dem Encoder-Prozessor IC- TW29 (Bild 02) und einem entsprechenden XMR-Sensor an (Bild 03, Darstellung b). Grundsätzlich sind hier als Frontend aber auch andere magnetische oder optische Inkrementalgeber denkbar, welche analoge Sin/Cos-Signale liefern. Beim Einschalten liest IC-TW29 über die integrierte Absolutdatenschnittstelle (ADI) die mitgezählte Absolutposition des IC-PVL ein. Diese besteht aus der Multiturn-Position sowie der Singleturn- und Synchronisationsinformation. Der IC-TW29 synchronisiert diese Information mit dem interpolierten hochauflösenden Positionswort des verbundenen analogen Sin/Cos-Gebers und gibt dann eine berechnete Absolutinformation aus. Beispielhaft lässt sich so mit einer Polscheibe mit 128 magnetischen Polpaaren unter Verwendung eines GMR- oder TMR- Sensors ein Absolutgeber mit 21 Bit Auflösung bauen. Die Genauigkeit entspricht hier - bei nahezu der Teilungsgenauigkeit der Polscheibe. Der IC-TW29 interpoliert hierbei jede elektrische Signalperiode mit 14 Bit; an Auflösung hinzu kommen die 7 Bit, die sich aus der Anzahl der Polpaare der Polscheibe ergeben. Auch hier gilt: Dezimale Teilungen sind bei Bedarf problemlos möglich. Die max. zulässige Drehzahl beträgt in diesem Beispiel 3 750 U/min. Auch auf zentrisch abtastende On-Axis-Encoder anwendbar Das Konzept lässt sich jedoch nicht nur für außerzentrisch abtastende Systeme anwenden, sondern erlaubt auch die Konstruktion von zentrisch abtastenden On-Axis-Encodern. Hierbei bietet sich die Kombination von IC-PVL und IC-TW29 mit einem AMR- Sensor an, welcher bei der Abtastung eines Diametral-Magneten zwei Sin/Cos-Signalperioden pro mechanischer Umdrehung liefert (Bild 03, Darstellung c). Die entsprechende Multiturn-, Sektor- und Synchronisationsinformation werden von IC- PVL bereitgestellt. IC-TW29 interpoliert hierbei z. B. mit 16 Bit, und ein weiteres Bit an Positionsinformation kommt durch die zwei Sin/Cos-Zyklen pro mechanischer Umdrehung hinzu. Die Systemauflösung beträgt somit 17 Bit bei einer maximal zulässigen Drehzahl von 240 000 U/min. Die zu erwartende Absolutgenauigkeit liegt im Bereich von 12 Bit. Resümee Die Entwicklung und Integration eines Absolutgebers ist normalerweise deutlich aufwendiger als die eines herkömmlichen Inkrementalgebers. Wesentliche Gründe dafür sind hohe Anforderungen an die Maßverkörperung, mechanische Systemtoleranzen sowie ein großer Aufwand für Abgleich und Kalibrierung. Vermeiden lässt sich dies mit einem speziellen Encoder-IC, der über eine Backup-Batterie verfügt. Der batteriegepufferter 40-Bit-Hall-Multiturn-Encoder IC-PVL von IC-Haus wird hierfür als Periodenzähler eingesetzt und kann bei höheren Anforderungen an die Auflösungen oder für zentrisch abtastende On-Axis-Encoder mit dem Encoder-Prozessor iC-TW29 kombiniert werden. Der Entwicklungs- und Integrationsaufwand eines Absolutgebers sinkt damit auf das Niveau eines inkrementellen Gebers. Gleichzeitig lassen sich größere maximale Hohlwellendurchmesser oder lineare Messwege rea lisieren, wo herkömmliche Absolutgeber heutzutage schnell an Grenzen stoßen. Der Geber ist dabei in weitem Bereich skalierbar bezüglich der möglichen Auflösung und Abtastdurchmesser beziehungsweise linearen Messlängen. Bilder: Schmuckbild Fotolia, sonstige iC-Haus www.ichaus.de c) 03 IC-PVL allein für niedrige und mittlere Auflösungen (a), hohe Auflösungen in Kombination mit XMR-Sensor und dem Encoder-Prozessor IC-TW 29 (b) bzw. mit AMR-Sensor für zentrisch abtastende On-Axis-Encoder INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2019 17