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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2022

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2022

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK TMR-WINKELSENSOREN FÜR MODERNE MOTOR-FEEDBACK-SYSTEME EIN QUANTENSPRUNG Magnetische Positionssensoren messen absolut, berührungslos und verschleißfrei. Sie bestechen durch ihre Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung oder Feuchtigkeit und erlauben ein unkompliziertes Geber-Design. In punkto Auflösung und Genauigkeit bringt die TMR-Technologie einen entscheidenden Quantensprung für moderne Motor-Feedback-Systeme – bei gleichzeitigen Kostenvorteilen. Wir stellen Ihnen einen neuen TMR-Winkelsensor vor, der durch seine Performance das Niveau optischer Encoder erreicht. Quanteneffekt trifft Sensorik: Der iC-TW39 Winkelsensor des Mikroelektronik-Spezialisten iC-Haus, ist ein universeller Sensor auf TMR-Basis für inkrementelle und absolute Messsysteme, auch mit Multiturn-Schnittstelle. Ins Auge fällt zunächst der 2 mm große Abstand zum Magnet, wodurch die Handhabung deutlich vereinfacht wird – ähnlich wie bei optisch reflexiven Systemen. Vom Prinzip her sind TMR-Winkelsensoren magnetische Sensoren, die die magnetische Feldrichtung eines Magneten erkennen können (TMR = Tunneling Magneto Resistance). Sie erlauben es, magnetische Informationen in elektrische Signale umzuwandeln. Sie sind äußerst präzise und zuverlässig, besitzen gute Temperatureigenschaften und eine extrem niedrige Leistungsaufnahme. Als Ergebnis lassen sie sich vielfältig industriell nutzen, unter anderem für Strom-, Weg-, Längen- und Drehwinkelmessungen. Zum Einsatz kommen sie daher in zahlreichen Anwendungen, unter anderem in der Automobilindustrie, in der Robotik sowie in Consumer-Produkten wie mobile Endgeräte. EINMESSEN AUF KNOPFDRUCK Damit eine optimale Winkelgenauigkeit innerhalb praktikabler Anbautoleranzen erreicht wird, kann der Winkelsensor die TMR- Sensorsignale automatisch einmessen und primäre Signalfehler ausgleichen. Ergänzend zum Einmessen auf Knopfdruck stehen permanente Autokorrekturen optional zur Verfügung, um beispielsweise eine Offsetdrift über Temperatur zu kompensieren und die Messgenauigkeit aufrecht zu erhalten. Eine einstellbare digitale Überwachung der nichtkorrigierten Restfehler erlaubt es dabei, unzulässige – oder nicht plausible – Abweichungen der Steuerung zu melden. PREDICTIVE MAINTENANCE Parallel zur seriellen Datenausgabe über BiSS mit bis zu 10 MHz kann ein Mikrocontroller über SPI angeschlossen werden, um Zusatzfunktionen zu realisieren (Bild 1). Beispielsweise könnten 32 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2022/06 www.industrielle-automation.net

SENSORIK UND MESSTECHNIK cing iC-TW39 Hall vs. XMR Technology – What to Know 01 02 3.3 V, 100 mW -40…125 °C 0 Hz… 6 kHz 360,000 rpm ABZ / UVW ADI H – Integrated Circuits 01 Der TMR-Winkelsensor und seine Schnittstellen: zur BiSS-Datenausgabe wird eine genaue und fein aufgelöste Singleturn- Position mit bis zu 24 Bit erzeugt; zusätzlich verfügbar ist ein 24-Bit Umdrehungszähler sowie Kommutierungs- oder Inkremental-Signale in beliebiger Auflösung 02 Das Hall-Array (links) wertet die gekrümmten Magnetfeldlinien differenziell in der vertikalen Z-Richtung aus; der TMR Sensor (rechts) hingegen erfasst den Feldvektor in der X/Y-Chip-Ebene die Restfehlerwerte des Chips den Motorlauf analysieren, um Achslager im Hintergrund zu überwachen. Dies ist eine sehr gefragte Erweiterung für Industrie-4.0 Leitsysteme mit Predictive Maintainance. FLEXIBEL EINSETZBAR FÜR ABSOLUT- UND INKREMENTALGEBER Magnetische Hall-Encoder wurden auf unterschiedlichste Anwendungen optimiert, sodass ein relativ breites IC-Portfolio für den Geber- und Motoreinbau verfügbar ist. iC-TW39 erweitert die möglichen Anwendungen auf hochauflösende Absolutwertgeber mit Multiturn-Schnittstelle, über die beispielweise eine Getriebeauswertung oder eine batteriegestützte Umdrehungszahl von iC-PVL eingelesen werden kann. Der TMR-Winkelsensor eignet sich ebenfalls als programmierbarer Inkrementalgeber, der ABZ-Signale mit einer beliebig einstellbaren Impulszahl, von 1 bis 65536, ausgeben kann. Die AB-Jitterqualität liegt hierbei auf dem hohen Niveau optischer Geber, selbst bei 2500 Impulsen. TMR-SENSOREN VERSUS HALL-SENSOREN – WAS MAN WISSEN MUSS Übliche Hall-Encoder bewerten das zum Chip vertikal verlaufende Feld in seiner Krümmung, sodass der Magnet relativ nahe sein muss. TMR-Sensoren können dem Feldvektor hingegen in einem viel größeren Abstand folgen, wodurch ein größeres axiales Spiel der Motorachse zugelassen werden kann (Bild 2). Jedoch sollte das Eindringen eines externen Störfeldes unterbunden werden, damit der TMR-Sensor keine überlagerten Felder auswertet und eine Winkelabweichung liefert. Ein ferromagnetisches Blech kann als Abschirmung genügen. In diesem Vergleich punktet der Hall-Sensor mit seiner Störsicherheit und kann dank monolithischer Integration auch kostengünstig sein. Nur ist es eine Frage 15 © iC-Haus GmbH – Integrated Circuits des Rauschens, der Bandbreite beziehungsweise der zulässigen Messzeiten, um wieviel früher die erreichbare Auflösung begrenzt wird. TMR-TECHNOLOGIE IM LEISTUNGSVERGLEICH Zum Vergleich der prinzipiellen Sensor Performance erhebt die Tabelle jeweils ein System zur Referenz, stellvertretend für die Hall-, AMR- und TMR-Technologie: ■ den Hall-Sensor iC-MA3, der über diverse Filtereinstellungen und eine Verstärkungsregelung verfügt um Sinus und Cosinus über 360 Grad mit 500 mV auszugeben, ■ das PVL3M-Evaluierungsboard mit AMR-Winkelsensor (AA746C von Sensitec) ■ sowie den neuen TMR-basierten iC-TW39 Winkelsensor. Die Sensoren wurden mit 3.3 V versorgt und vom iC-TW29 Encoder-Prozessor ausgewertet, der eine Kalibrierung auf Knopfdruck ermöglicht. Beim Vergleich der Empfindlichkeiten liefert Type of Sensor Hall AMR (+ Hall) TMR System Components Typ. Sensitivity @ 50 mT Typ. Signal TC @ +100 K Resolution (Cycles / Rev) iC-MA3 & iC-TW29 AA746C & iC-TW29 (iC-PVL) iC-TW39 5 mV 40 mV 500 mV -60 % -40 % -15 % 360 ° (1 cpr) 180 ° (2 cpr) 360 ° (1 cpr) System Hysteresis ± 0.2 ° ± 0.2 ° ± 0.04 ° Alignment Tolerances Tough Small Relaxed Stray Field Robustness Immune Sensitive Sensitive Accuracy (INL) ± 0.2 ° ± 0.1 ° ± 0.1 ° Noise Free Resol. (3.3 σ) 380" 380" 140" Position Lag 33.5 μs 1.5 μs 1.5 μs Tabelle: ausgewählte Hall-, AMR- und TMR-Sensoren im Leistungsvergleich – jeweils ein System zur Referenz www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 2022/06 33