Magnetische Drehgeber (rechts) sind kompakter und robuster als optische (links).

Magnetische Drehgeber (rechts) sind kompakter und robuster als optische (links).Posital

Kernstück der magnetischen Drehgeber ist ein ortsfest angebrachter Hall-Sensor, der anhand der Richtung des Magnetfelds eines Permanentmagneten die Winkelposition der Welle ermittelt. Hierfür ist der Magnet mit der Welle fest verbunden, sein Feld durchdringt den Hall-Sensor. Die Grundlage für den Technologiesprung, der magnetische Drehgeber optischen Systemen gleichstellt, ist eine neue Generation dieser Sensorik, die der Hersteller Posital in die magnetischen Drehgeber der Ixarc-Ultra-Baureihe integriert hat: Ein 32-Bit-Mikroprozessor übernimmt die Signalverarbeitung, was zu einer höheren Auflösung und Genauigkeit im Vergleich zur Vorgängergeneration führt, die noch auf einem Hall-IC mit integrierter Signalverarbeitung basierte. Neben diesen neuen Eigenschaften hat der Hersteller eine inkrementelle Schnittstelle implementiert, sodass das Portfolio die gesamte Bandbreite an Encoder-Lösungen abdeckt.

Der ortsfest angebrachte Hall-Sensor (unten) ermittelt anhand der Richtung des Magnetfelds des rotgrünen Permanentmagneten die Winkelposition der Welle. Das auf dem Wiegand-Effekt basierende Energy-Harvesting-System (Mitte) erzeugt unabhängig von der Dreh

Der ortsfest angebrachte Hall-Sensor (unten) ermittelt anhand der Richtung des Magnetfelds des rotgrünen Permanentmagneten die Winkelposition der Welle. Das auf dem Wiegand-Effekt basierende Energy-Harvesting-System (Mitte) erzeugt unabhängig von der DrehPosital

Schluss mit Batterie und Getriebe

Die Sensorik auf Basis des Hall-Effekts bildet die Single-Turn-Stufe der Absolutdrehgeber, der allerdings noch die Fähigkeit fehlt, mehrere Umdrehungen – auch bei Unterbrechung der externen Spannungsversorgung – zu erfassen. Hier kommt das sogenannte Energy-Harvesting-System ins Spiel, das auf dem Wiegand-Effekt beruht und keine Batterie zur Versorgung benötigt. Denn Batterien bringen erhebliche Nachteile mit sich, wie eine begrenzte Lebensdauer, große Masse und umweltschädliche Inhaltsstoffe. Auch Getriebe, in der Regel voluminös, schlecht skalierbar und kostenintensiv, werden zur Umdrehungszählung nicht benötigt. Das Energy-Harvesting-System erzeugt unabhängig von der Geschwindigkeit der Drehbewegung – auch, wenn diese sehr langsam ist – Spannungsimpulse und versorgt so die Zähl-Elektronik der Multi-Turn-Drehgeber. Dieses Prinzip ermöglicht es auch im industriellen Einsatz, absolute Positionen ohne externe Versorgungsspannung zu erfassen. Im Normalfall befindet sich die Zähl-Elektronik im spannungslosen Zustand. Wenn ein Spannungsimpuls entsteht, wird sie kurzzeitig aktiviert, wertet die Drehrichtung aus und inkrementiert oder dekrementiert entsprechend die gespeicherte Anzahl der Umdrehungen. Störungen im spannungslosen Zustand beeinflussen das System daher nicht.

Vierfache Präzision

Bei der Weiterentwicklung stand die Signalverarbeitungs-Software im Mittelpunkt: Innerhalb der Basis-Sensorik erzeugen vier im Sensor-Chip angebrachte Hall-Elemente je vier Ausgangssignale. Diese Rohsignale verarbeitet der 32-Bit-Mikroprozessor, was eine schnelle Datenfilterung und Totzeitkompensation ermöglicht. Mittels umfassender Tests und Simulationen erreichte das Entwicklungsteam eine Genauigkeit von 12 Bit (< 0,1°) bei 16 Bit Auflösung. Damit wurden im Vergleich zur Vorgängergenera­tion mit Hall-IC und integrierter Signalverarbeitung sowohl die Auflösung als auch die Genauigkeit um den Faktor vier verbessert. Die Totzeit verringerte sich auf wenige Mikrosekunden. Damit entsprechen die magnetischen Encoder den Anforderungen von dynamischen Applika­tionen, wie der Motorregelung.

Die aus Kunststoff oder Glas gefertigten Codescheiben optischer Drehgeber sind anfällig gegenüber Verschmutzungen und Luftfeuchtigkeit sowie Kondensation.

Die aus Kunststoff oder Glas gefertigten Codescheiben optischer Drehgeber sind anfällig gegenüber Verschmutzungen und Luftfeuchtigkeit sowie Kondensation.Posital

Optisch vs. magnetisch

Optische Drehgeber, bei denen der Durchmesser der Codescheibe die Größe bestimmt, nehmen bei gleicher Auflösung in der Regel mehr Platz in Anspruch als magnetische Systeme. Außerdem sind die aus Kunststoff oder Glas gefertigten Codescheiben anfällig für Verschmutzungen und empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit sowie Kondensation. Glasscheiben zerbrechen überdies sehr leicht. Das zugrundeliegende Messprinzip der magnetischen Drehgeber hingegen ermöglicht eine kompakte Bauform, die auch schwierigen Bedingungen standhält: Zum Betreiben der Wiegand- und Hall-Sensoren genügt ein Dauermagnet, sodass alle Elemente einschließlich einiger Kommunikationsschnittstellen auf einer Platine mit einem Durchmesser von 35 mm Platz finden. Da sie ohne Getriebe und Batterien auskommen, sind die Geräte zudem wartungsfrei, langlebig und unempfindlich gegenüber Stößen oder Vibrationen. Mit einer maximalen Auflösung von 16 Bit erfassen die Drehgeber die Umdrehung und erreichen bis zu 38 Bit für die Umdrehungszählung. Sie sind mit Durchmessern ab 36 mm und mit Schutzarten bis IP69K erhältlich und eignen sich für einen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C.

Für alle Drehgeber-Typen bietet der Hersteller eine breite Palette an mechanischem Zubehör an, um die Geräte in die jeweilige Anwendung einzubinden: Aufsteckhohlwellen oder Vollwellen mit unterschiedlichen Durchmessern lassen sich mit verschiedenen Flansch- und Gehäusegrößen kombinieren. Als Gehäusematerialien stehen Stahl, Edelstahl (V4A, V2A) und Aluminium zur Auswahl. Die magnetischen Absolutdrehgeber werden je nach Bedarf mit verschiedenen Kommunika­tionsschnittstellen ausgestattet. Außerdem können Anwender mit der Software der magnetischen Drehgeber die Signalverarbeitung überwachen und einstellen. Anwenderspezifische Parameteranpassungen, zum Beispiel Drehrichtung, Pulszahl, Nullimpuls-Lage, Hysterese oder Filtereinstellungen, sind ohne Hardware-Änderungen möglich.

Dr. Martin Forthaus

ist Produkt Officer bei der Fraba AG in Köln.

(dl)

Kostenlose Registrierung

Newsletter
Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?