Bild 1: Beim Hall-Encoder iC-PV von iC-Haus ist die Multiturn-Zählertiefe von 9 bis 40 Bit frei einstellbar.iC-Haus
Viele der am Markt verfügbaren Encoder-ICs für magnetische und optische Positionsgeber lösen die Winkelposition nur innerhalb einer mechanischen Umdrehung auf (als Singleturn-Geber bezeichnet). Demgegenüber erfordern viele Anwendungen die Messung der Winkelposition über eine Umdrehung hinaus (als Multiturn-Geber bezeichnet), beispielsweise in Zählerapplikationen oder für längere Verfahrwege.
Meist werden Lösungsansätze verfolgt, die die Multiturn-Funktionalität mit standardmäßig verfügbaren Encoder-ICs bereitstellen. Dabei kommen mechanische, elektrische sowie softwarebasierte Lösungen zur Anwendung, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile mit sich bringen. Eine spezielle Herausforderung stellt dabei die Verfügbarkeit der Absolutposition (Singleturn + Multiturn) zu jedem beliebigen Zeitpunkt dar. Auch wenn die Welle bewegt wird, während der Positionsgeber nicht versorgt ist, darf dies nicht zu einer fehlerhaften Positionsausgabe nach dem Wiedereinschalten des Messsystems führen.
Auf einen Blick
Mit dem Hall-Encoder iC-PV kann im Zusammenspiel mit dem 14-Bit-Singleturn-Encoder iC-MHM in kleinster Bauform ein vollwertige BiSS-Positionsgeber mit bis zu 46-Bit-Gesamtauflösung für Eingangsdrehzahlen von bis zu 10.000 U/min realisiert werden.
Getriebelösung
In mechanischen Multiturn-Positionsgebern wird dieses Problem durch ein Getriebe gelöst, das über mehrere Getriebestufen die Drehbewegung untersetzt. Da diese Getriebestufen im definierten Übersetzungsverhältnis zueinander stehen, kann anhand der Winkelposition der einzelnen Getriebeachsen die Anzahl der erfolgten Umdrehungen ermittelt werden. Zur magnetischen Abtastung der Getriebeachsen wird dabei die Ausrichtung von am Achsende befestigten Diametral-Magneten durch jeweils einen Hall-Singleturn-Encoder ermittelt.
Die Antriebswelle selbst liefert nur die Winkelposition innerhalb einer Umdrehung (Singleturn-Position) und erst das Getriebe bildet das absolute Messsystem über mehrere Umdrehungen. Die Anzahl der Umdrehungen bleibt in der Stellung der Zahnräder jeder einzelnen Getriebestufe gespeichert und steht nach dem Einschalten des Gebers unmittelbar zur Verfügung, nachdem die Winkelpositionen aller beteiligten Getriebeachsen ausgewertet wurden.
Der Nachteil dieser Systeme liegt im benötigten Bauraum für das Getriebe und den damit einhergehenden Kosten. Zusätzlich wird jeweils ein Encoder-IC pro Getriebeachse benötigt. Die Anforderungen an Getriebespiel und Justage sind hinsichtlich der Empfindlichkeit auf Umwelteinflüsse wie Vibration, Verschmutzung und Feuchtigkeit relativ hoch.
Elektronische Speicherung der Multiturn-Position
Eine Alternative zur Getriebelösung ist die elektronische Speicherung der Multiturn-Position in geeigneten nichtflüchtigen Speicherbausteinen, die den Ausfall der Encoderversorgung überbrücken. Wird die Welle jedoch bewegt, muss eine Änderung der Multiturn-Position auch ohne äußere Energieversorgung nachgeführt werden.
Eine moderne Lösung nutzt hierzu einen Energy-Harvesting-Ansatz auf Basis eines Wiegand-Drahtes zur kurzzeitigen Spannungsversorgung der Multiturn-Erfassung. Das hierbei verfolgte Ziel ist ein autarker Absolutwertgeber ohne zusätzliche Energiespeicher, wie zum Beispiel Batterien. Dieser Lösungsansatz stellt hohe Anforderungen an das Gesamtsystem aus ASIC und FRAM-Speicher hinsichtlich des Strombedarfs, da die aus dem Wiegand-Draht gewonnene Energie extrem gering ist. Ein derartiger Lösungsansatz erfordert Spezialbausteine, ermöglicht aber auch dann eine Multiturn-Zählung, wenn zum Beispiel aus Wartungsgründen kein Energiespeicher erlaubt ist.
Multiturn-Encoder iC-PV
Durch den hier vorgestellten Multiturn-Encoder iC-PV werden Komponenten wie Getriebe, Mikrocontroller, Spezial-Speicher oder Energy-Harvesting-Module eingespart – einzig eine Batterie als Energielieferant kommt hinzu, so dass die Multiturn-Position im internen Speicher gehalten werden kann.
Die Hall-Auswertung wurde speziell auf minimalen Stromverbrauch optimiert, weil der Betrieb des Bausteins bei fehlender äußerer Versorgung ausschließlich über die Batterie erfolgt und möglicherweise über Jahre hinweg sichergestellt werden muss. Adaptiert an die Anforderungen bezüglich der maximalen Winkelgeschwindigkeit und -beschleunigung kann iC-PV mit weniger als 10 µA auskommen.
Die Multiturn-Zählertiefe ist von 9 bis 40 Bit frei einstellbar; das Auslesen der Position erfolgt über eine serielle SSI-Schnittstelle. Der IC ist eine reine Multiturn-Lösung und als Erweiterung zu bestehenden Singleturn-Encodern gedacht, um vollwertige Multiturn-Positionsgeber zu bilden.
Zusammenspiel mit Hall-Singleturn-Encoder iC-MHM
Bild 2: iC-PV und iC-MHM als 46 Bit Multiturn-Lösung. Beide ICs teilen ein EEPROM. Die Übermittlung der Multiturn-Daten erfolgt über eine SSI-Schnittstelle. iC-PV schaltet bei Verlust der Versorgungsspannung auf Batterieversorgung um.iC-Haus
Ein besonders einfacher Aufbau ist im Zusammenspiel mit dem neuen Hall-Singleturn-Encoder iC-MHM erreichbar. Beide ICs tasten denselben Diametral-Magneten zentrisch ab. Zur Konfiguration des Gebers dient ein einzelnes externes EEPROM, das sich beide ICs über ein I2C-Multi-Master-Protokoll teilen.
Wie im Bild 2 dargestellt, stellt eine Batterie die ausfallsichere Versorgung des Multiturn-Bausteins sicher. Die externe Kommunikation läuft ausschließlich über die BiSS-Schnittstelle von iC-MHM, über die auch die Konfiguration beider Bausteine sowie des EEPROMs vorgenommen wird. Zur Kommunikation mit einem Mikrocontroller steht alternativ eine SPI-Schnittstelle zur Verfügung.
Fertig aufgebaute Geber können bei Auslieferung für ein minimales Time-to-Market programmiert werden. Dazu stehen Baustein-DLLs zur Verfügung sowie eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) zur Evaluierung, mit der die beiden verbundenen ICs angesprochen werden können (Bild 3).
Der Hall-Encoder iC-MHM ermittelt die Singleturn-Position über einen Sinus-Digital-Wandler. Der Einsatz eines schnellen Vektor-Nachlaufwandlers führt hier zu einer nahezu verzögerungsfreien Positionsverfolgung und qualifiziert das System für Echtzeitanwendungen.
Bild 3: Konfiguration und Evaluation der Geberkomponenten mit einer grafischen Benutzeroberfläche.iC-Haus
Die Multiturn-Daten vom iC-PV werden nach dem Anlegen der Versorgungsspannung automatisch durch iC-MHM eingelesen und im laufenden Messbetrieb zyklisch überprüft. Zur Ermittlung der absoluten Gesamtposition synchronisiert iC-MHM die Multiturn-Daten auf seine eigene Singleturn-Position. Dabei ermöglicht die Synchronisationsinformation vom iC-PV Justiertoleranzen von ±157,5°. Es wird somit kein zusätzliches Abgleichen nach dem Zusammensetzen des Encoders benötigt. Der Multiturn-Zähler vom iC-PV ist mit einer CRC-Prüfsumme gegen Bit-Fehler gesichert; eine integrierte Batterieüberwachung meldet zu niedrige Batteriespannungen. Diese und weitere Fehlermeldungen werden im seriellen BiSS-Datenstrom übertragen oder können über eine Fehlerlampe signalisiert werden (Bild 4).
Bild 4: Elektrische Leistungsmerkmale der beiden Encoder-Bausteine.iC-Haus
Stromsparmodus
Wird der Geber von der Versorgungsspannung getrennt, arbeitet iC-PV im batterieschonenden Stromsparmodus weiter. Der Baustein zählt die Multiturn-Position sicher mit und stellt diese beim Wiederanfahren des Messsystems zur Verfügung. Für ein batteriegestütztes Arbeiten von iC-PV über mehr als zehn Jahre würde beispielsweise eine Batterieladung von nur 1 Ah benötigt – dadurch wird der Einsatz von iC-PV auch für Miniatur-Zähleranwendungen möglich.
Sollen kürzere Ausfallzeiten von nur einigen Tagen oder Wochen überbrückt werden, können handelsübliche Ultra- und Superkondensatoren anstelle einer Batterie zum Einsatz kommen.
Magnetische Störfestigkeit
Bild 5: Absoluter 46-Bit-Miniatur-Positionssensor. Beidseitig bestückte Demonstratorplatine mit Durchmesser 38 mm und Bauhöhe ohne Stecker etwa 10 mm. Auf der Oberseite iC-PV in QFN16 und CR1025 Batterie im Halter; auf der Unterseite EEPROM und iC-MHM.iC-Haus
Ein einfacher Aufbau, hohe Zuverlässigkeit, Schock- und Vibrationsfestigkeit, Robustheit und Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung und Feuchtigkeit sind die Vorzüge, die für ein solches magnetisches System sprechen. Die weiter verlangte hohe magnetische Störfestigkeit erreichen die Bausteine iC-PV und iC-MHM durch eine differenzielle Feldabtastung des Gebermagneten.
Die ICs arbeiten an 5 V im industriellen Einsatztemperaturbereich von -40 °C bis 125 °C. Als Pufferbatterie können Li-Ionen-Zellen mit 3,0 V bis 5,0 V verwendet werden. Die Bausteine sind in SMT-fähigen QFN-Gehäusen realisiert und benötigen nur 5 mm x 5 mm beziehungsweise 3 mm x 3 mm Platz auf der Platine. Zur Bemusterung stehen Demo-Boards, PC-Adapter sowie eine Bediensoftware für Windows zur Verfügung.
Dr. David Lin
Kai Noé
(jj)
