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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2022

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2022

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Performance Measurements Benchmarking by Resolution ANGLE NOISE @ STANDSTILL W/O ELEC.HYS. [takes] 14000 12000 3.3 Sigma TMR (iC‐TW39) AMR (AA746C) Hall (iC‐MA3) Resolution 24 bit On-Axis iC-TW39 Off-Axis iC-MU Series iC-SM2 & iC-TW8 10000 8000 6000 4000 2000 03 20 bit 16 bit 12 bit 8 bit TMR Hall Nonius Absolute Hall XMR Incremental 0 [arc sec] ‐240 ‐200 ‐160 ‐120 ‐80 ‐40 0 40 80 120 160 200 240 04 1 32 64 128 Cycles/Rev © iC‐Haus GmbH – Integrated Circuits © iC-Haus GmbH – Integrated Circuits 4 DER TMR-SENSOR IC-TW39 BIETET EINE PERFORMANCE, DIE IN DIE DOMÄNE OPTISCHER ENCODER HINEINREICHT der Hall-Sensor bei einer typischen Feldstärke nur wenige Millivolt, die On-Chip hoch verstärkt werden, während das TMR-Ausgangssignal mindestens 50-mal größer ist und mehrere Hundert Millivolt erreicht. Zum Vergleich: Das AMR-Ausgangssignal erreicht nur 1/12 des TMR und muss ebenfalls nachverstärkt werden. Dies kann zu Lasten des Signal-Rausch-Verhältnisses, des Bauraums und der Kosten gehen. Nennenswerte Unterschiede bestehen in der Empfindlichkeit über der Temperatur. So ist der Temperaturkoeffizient der Ausgangsamplitude beim TMR-Sensor nur etwa ein Viertel so groß wie beim Hall-Sensor (ohne Automatic Gain Control betrachtet), und mindestens doppelt so gut wie beim AMR-Sensor. In diesem Zusammenhang muss das Hauptproblem vieler Messungen bewertet werden – und zwar Signaloffset. Zwar unterscheiden sich AMR und TMR hierin nur wenig, aber die Fehlerwirkung ist beim TMR geringer, weil die Signalamplitude bei steigender Temperatur viel weniger abnimmt als beim AMR-Sensor. Und beim Hall-Sensor wird eine näherungsweise offsetfreie Ausgabe überhaupt erst möglich, weil spezielle Schaltungstechniken zur Kompensation angewendet werden – ansonsten wäre der Ausgangsoffset so groß oder größer als die Signalamplitude. Bezüglich der Justage kann grob zusammengefasst werden, dass der Hall-Sensor nahe am Magneten und gut ausgerichtet sein muss, um klirrarme Sinus/Cosinus-Signale in „HiFi“-Qualität zu liefern. Der fortschrittliche AMR-Sensor AA746C entspannt hauptsächlich den Luftspalt, weil hier bereits kleine Feldstärken ab 5 kA/m zum Betrieb in magnetischer Sättigung genügen. Der TMR ist ebenfalls leicht einzurichten und verzeiht Ausrichtungsfehler tendenziell etwas besser. VERZÖGERUNG, LINEARITÄT UND HYSTERESE Während XMR-Sensoren verzögerungsfrei reagieren, weisen Hall-Systeme aufgrund der Schaltungstechnik und tiefen Signalfilterung i. d. R. die größere Verzögerungszeit auf. 03 Aufgrund der hohen Empfindlichkeit liefert der TMR-Sensor das geringste Winkelrauschen in Relation zu AMR- und Hall-Systemen; dadurch wird eine Position bestmöglich reproduzierbar, beispielsweise das Nullsignal bei einer Ausgabe von 2000 AB-Impulsen 04 Magnetische Encoder-Lösungen im Vergleich: der rauscharme TMR-Winkelsensor erreicht hohe Winkelauflösungen, die bisher Off-Axis Systemen vorbehalten waren Bezüglich der Linearität (INL) schneiden AMR und TMR doppelt so gut ab wie Hall – bei Nutzung der von der Auswerteschaltung angebotenen Fehlerkorrektur. Die Systeme wurden mit dem gleichen Qualitäts-Magneten angesteuert und auf die Achse zentriert. Dank INL-Korrektur gleicht auch der iC-TW39 den langwelligen Messfehler aus und minimiert den Winkelfehler auf die restlichen Signalverzerrungen. Auch Hysterese ist eine Eigenschaft der Technologie. Nur ist eine intrinsisch Hysterese-freie Hall-Zelle nutzlos, bedenkt man das die Hall-Signale schwach sind und ein Verstärker Rauschen hinzufügt. So wird im System eine elektrische Hysterese nötig sein, beispielsweise um die AB-Ausgabe zu beruhigen. Ähnliches gilt für die Auswertung des AMR-Sensors, wobei dieser bereits eine Sensorhysterese um 0.2 ° mitbringt. Der TMR-Sensor ist hier doppelt im Vorteil, die eigene Hysterese ist gering, der Signalpegel hoch – dem iC-TW39 genügt eine minimale elektrische Hysterese von 0.04 ° zur Stabilisierung. AMR-SENSOR UND TMR-SENSOR SCHNEIDEN DOPPELT SO GUT AB WIE HALL-ENCODER Die Tabelle beinhaltet die INL-Ergebnisse für den Systemvergleich: AMR und TMR schneiden doppelt so gut ab wie Hall – mit Nutzung der vom iC-TW29 Encoder Prozessor angebotenen Fehlerkorrektur. Dabei kommt der Auswahl des Magneten eine wichtige Rolle zu, Größe und Feldqualität müssen stimmen und zum Sensor passen, strebt man hochpräzise Winkelmessungen an. Ebenfalls relevant sind die Zentrierung des Magneten und die Ausrichtung des Sensors zur Achsenmitte. Dank INL-Korrektur kann iC-TW39 den langwelligen Messfehler ausgleichen, so dass der Winkelfehler auf die restlichen Verzerrungen minimiert werden kann. Angaben zur Wiederholbarkeit lassen sich aus der rauschfreien Auflösung ableiten, messbar im Stillstand ohne elektrische Wandler-Hysterese. Die rauschfreie Auflösung ist sozusagen die Schärfe des Winkels, der reproduziert werden kann, und sie gibt eine minimale Hysterese vor, die für eine stabile Winkelanzeige 34 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2022/06 www.industrielle-automation.net

eingestellt werden müsste. In dieser Hinsicht ist der TMR unübertroffen und liefert im Histogramm (Bild 3) eine mehr als 2-fach schmälere Verteilung, durch ein Winkelrauschen von nur 140". Eine bessere Filterung der Hall- oder AMR-Systeme wäre denkbar, wenn man größere Latenzzeiten in Kauf nimmt, nur sind diese in der Anwendung oft nicht gewünscht. BENCHMARKING VON AUFLÖSUNG UND GENAUIGKEIT Der rauscharme iC-TW39 TMR-Winkelsensor übertrifft nicht nur die Winkelauflösung aller bisher bekannten On-Axis Hall Encoder, sondern konkurriert ebenfalls mit klassischen Polradgebern (Bild 4). Im Off-Axis Anbau mag die durchgehende Hohlwelle von Vorteil sein, und höhere Polzahlen pushen die Auflösung – allerdings ist die Maßverkörperung aufwändiger und kostentreibend, spätestens wenn eine zweite Spur für den Index oder zur Positionsberechnung (iC-MU Nonius- Systeme) nötigt ist. Egal in welchem System, Korrekturfunktionen helfen die Winkelgenauigkeit zu verbessern und „Teilungsfehler“ auszugleichen, wobei das Signalrauschen die Reproduzierbarkeit final begrenzt. Hier bietet iC-TW39 dank TMR eine hohe Bandbreite und geringe Latenz ähnlich zu optischen Gebern. EINE PERFORMANCE DER SONDERKLASSE Dank TMR-Sensorintegration bietet der iC-TW39 eine Performance, die weit über bekannte Hall-Encoder hinaus in die Domäne optischer Encoder hineinreicht. Hohe Anbautoleranzen, das zulässige Axialspiel der Motorachse, Kalibrierung auf Knopfdruck, oder ein geringer Platzbedarf sind nennenswerte Vorteile, die, bei Berücksichtigung der sensorspezifischen Konstruktionsanforderungen, durch eine höhere Messgenauigkeit und extreme Auflösungen belohnt werden. Und dank Temperatursensor und diversen Betriebsüberwachungen wird eine smartere Antriebsüberwachung möglich. Sensorik & Feldgeräte Luftqualität: VOC,CO₂,CO Strömung, Volumenstrom Bilder: iC-Haus www.ichaus.de Kanalrauchmelder UNTERNEHMEN iC-Haus GmbH Am Kuemmerling 18, 55294 Bodenheim Tel.: 06135 - 9292-300 E-Mail: info@ichaus.de Differenzdruck, Luftdruck, Druckschalter AUTOREN Dipl.-Ing. Joachim Quasdorf, Applikationsspezialist für optische Encoder-Sensoren und Interpolationsbausteine, Dipl.-Ing. (FH) Patrick Stahl, Vertrieb und die Applikation von Encoder ICs und Mikrosystemen, beide iC-Haus, Bodenheim FLYER ZUM DOWNLOAD Feuchte und Temperatur www.bit.ly/TW39_factsheet_pdf +49 911 37322-190 info@fuehlersysteme.de www.fuehlersysteme.de