Autonome Roboter mit 3D-Hall-Sensoren designen

Während das Konzept Industrie 4.0 die Produktionsprozesse auf den Märkten der ganzen Welt erobert, erleben wir eine drastische Steigerung der Nachfrage nach hochgradig automatisierten Systemen, die innerhalb eines integrierten Fertigungsablaufs operieren und fortlaufend Prozessdaten erfassen. Die meisten dieser Systeme, darunter zum Beispiel magnetische Encoder an Roboterarmen, Näherungssensoren, Aktoren, Druckaufnehmer, Linearmotoren und autonome mobile Roboter, benötigen fortschrittliche Positionserfassungs-Lösungen, um die Performance zu kontrollieren und auf der Fabrik-Ebene Daten zu erfassen, um eine bessere Entscheidungsfindung zu ermöglichen und für einen sichereren, zuverlässigeren Betrieb der Anlagen zu sorgen.

Autonome mobile Roboter, wie sie in Bild 1 zu sehen sind, dienen zur Automatisierung einfacher Arbeiten, wie des Transports von Gütern in einem Lager. Diese Industrieroboter helfen also dabei, Fertigungsabläufe zu optimieren, den Durchsatz zu steigern und die Produktivität zu erhöhen. Damit sie sich sicher und effizient durch eine Fabrik oder ein Lager bewegen können, müssen autonome mobile Roboter mit hochpräzisen Steuerungsfunktionen ausgestattet sein und beispielsweise über eine Ortungsfunktion sowie eine Drehzahlregelung für die Räder verfügen.

Die Forderung nach einem Positionsermittlungs-System existiert bei nahezu allen leistungsfähigen, automatisierten Systemen, in denen Bewegungen gesteuert werden. Welche Positionserfassungs-Technik im Einzelfall gewählt wird, hat direkten Einfluss auf die Kosten und die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Bei der Überlegung, welche Positionsermittlungs-Lösung jeweils die beste ist, spielen die Genauigkeit, die Geschwindigkeit, der Stromverbrauch, die Flexibilität und die Zuverlässigkeit des Sensors eine Rolle.

Mehrachsige, lineare Halleffekt-Positionsgeber sind in der Regel eine gute Wahl für präzise, automatisierte Industrieanwendungen, da sich mit ihnen hochpräzise, schnelle und absolute Positionsmessungen durchführen lassen. Diese Fähigkeiten ermöglichen eine präzisere Echtzeitsteuerung, die wiederum eine entscheidende Rolle in dem Bemühen spielt, die Leistungsfähigkeit von Anlagen zu verbessern, die Systemeffizienz zu steigern und die Stillstandszeiten zu minimieren.

Hier kommt der lineare 3D-Halleffekt-Positionsgeber TMAG5170 von TI zum Einsatz, um die genaue Winkelstellung der Motorwelle zu überwachen und den Motortreiber, der für die Drehung des Motors verantwortlich ist, anzusteuern. Unter allen Elementen der Regelschleife dürfte der lineare 3D-Halleffekt-Positionsgeber oftmals den unmittelbarsten Einfluss auf die Bandbreite und die Latenz des Systems haben. Indem man einen Sensor benutzt, der für breitbandige Messungen geeignet ist, lässt sich die allgemeine Geschwindigkeit der Regelschleife anheben und die Leistungsfähigkeit des Systems verbessern.

Die Messgenauigkeit eines Positionsgebers wiederum entscheidet darüber, bis zu welchem Grad sich die Bewegung des Motors steuern lässt. Nicht selten aber schließen sich Geschwindigkeit und Genauigkeit bei einem Sensor gegenseitig aus, sodass der System-Performance Grenzen gesetzt sind. Der TMAG5170 allerdings macht Schluss mit diesem Kompromiss, denn er erlaubt durchsatzstarke Messungen mit Raten bis zu 20 kSPS und hochpräzise, lineare Messungen mit einem maximalen Gesamtfehler von 2,6 Prozent.

Abhängig vom Batteriemanagement-System oder der Stromversorgung des jeweiligen Designs kann der Stromverbrauch ebenfalls eine wichtige Spezifikation für die Auswahl eines Positionsgebers sein. Batteriebetriebene Systeme oder solche, die einem geringen Energiebudget auskommen müssen (z. B. bei Speisung über eine 4-20-mA-Stromschleife), erfordern in aller Regel Sensoren mit stromsparenden Betriebsarten (z. B. Wake-up-, Sleep- und Deep-Sleep-Modi), damit sich Stromverbrauch und Durchsatz optimal gegeneinander abwägen lassen. Die vielen Betriebsarten und Abtastraten des TMAG5170 machen es möglich, die Energieeffizienz gegenüber anderen präzisen, linearen 3D-Halleffekt-Sensoren um mindestens 70 Prozent zu steigern. Dies wiederum erlaubt ein Optimieren des Stromverbrauchs über einen Abtastraten-Bereich von 1 bis 20 kHz in Anwendungen, die aus Batterien versorgt werden oder nur selten aktiv sind und in denen der Wirkungsgrad des Systems einen hohen Stellenwert hat.

Bezüglich der mechanischen Konfiguration gelten für Positionsgeber häufig strenge Vorgaben. Die Wahl eines vielseitigen, linearen 3D-Halleffekt-Sensors mit wählbaren magnetischen Empfindlichkeitsbereichen und Optionen hinsichtlich der Temperaturkompensation kann für Flexibilität bei der magnetischen und mechanischen Konstruktion sorgen. Der TMAG5170 verfügt über eine eingebaute Winkelberechnungs-Einheit, durch die sich eine externe Verarbeitung erübrigt, während gleichzeitig Flexibilität bezüglich der mechanischen Anordnung von Sensor und Magnet in Winkelmess-Anwendungen erreicht wird. Dies gilt gleichermaßen für On-Axis- und Off-Axis-Konfigurationen.

Da Industriesysteme in automatisierten Betrieben zunehmend Hand in Hand mit Menschen arbeiten, sind immer mehr Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus werden vermehrt Diagnosefunktionen eingesetzt, um Stillstandszeiten der Werkzeugmaschinen und Qualitätsprobleme zu minimieren. Die Zuverlässigkeit der Messwerte, die von einem Positionsgeber geliefert werden, ist ebenso wichtig wie die Genauigkeit, Geschwindigkeit, Leistungsaufnahme und Flexibilität des Sensors. Wählt man beispielsweise einen Sensor mit wenigen oder gar keinen Diagnose-Features, können zahlreiche externe Bauteile notwendig sein, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Sensordaten zu gewährleisten, sodass der Materialaufwand eines Designs unter dem Strich zunimmt. Der TMAG5170 enthält deshalb eine Kombination aus intelligenten Diagnosefähigkeiten, die die Kommunikation und die Durchgängigkeit sowie Tests der internen Signalpfade abdecken. Hinzu kommen konfigurierbare Diagnosen für die Stromversorgung, das angelegte Magnetfeld und die Systemtemperatur. Da keine weiteren Bauelemente erforderlich sind, um die Genauigkeit der Sensordaten sicherzustellen, ist die langfristige Zuverlässigkeit ebenso gesichert wie ein reduzierter Bauteileaufwand.

Schnelle, hochpräzise Positionsgeber ebnen den Weg für eine neue Generation von Echtzeitsteuerungen für automatisierte Industriesysteme. Hier helfen präzise, lineare 3D-Halleffekt-Sensoren wie der TMAG5170 den Entwicklern bei der Durchführung der schnellen, exakten und zuverlässigen Messungen, die für die Markttrends der Industrie 4.0 benötigt werden, ohne dass dies mit Abstrichen an der Leistungsfähigkeit, mit einem höheren Stromverbrauch oder mit Mehrkosten erkauft werden muss. (prm)