Induktive Positionssensoren effizienter entwickeln

In dem sich ständig weiterentwickelnden Umfeld der Positionssensortechnologien hat sich die induktive Sensortechnik als robuste, präzise und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen magnetischen und optischen Verfahren etabliert. Im Gegensatz zu Magnetsensoren, die auf Permanentmagnete angewiesen sind, und optischen Encodern, die saubere Umgebungen und exakte Ausrichtung erfordern, arbeiten induktive Sensoren nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kopplung. Dabei erfolgt die Positionserfassung durch Wechselwirkungen zwischen Spulen und metallischen Zielobjekten. Dieser magnetfreie Ansatz macht sie unempfindlich gegenüber Streufeldern, tolerant gegenüber Fehlausrichtungen und hoch widerstandsfähig in rauen Umgebungen – und damit geeignet für den Einsatz in Automobil- und Industrieanwendungen.

Positionssensoren: Effizient, sicher, miniaturisiert

Verschiedene Sensor-Technologien zur Positionsbestimmung erfassen Bewegungen und wandeln sie in elektrische Signale um. Besonders in der Elektromobilität und industriellen Automatisierung ermöglichen sie höhere Effizienz, Sicherheit und Miniaturisierung.

Mit dem Position Sensor Coil Optimizer präsentiert Renesas ein Werkzeug mit dem Entwickler induktive Sensorelemente mit bisher unerreichter Präzision und Leichtigkeit entwerfen, simulieren und optimieren können.

Technologische Grundlagen der induktiven Positionsmessung

Bei der induktiven Positionsmessung wird durch Sendespulen ein wechselndes Magnetfeld erzeugt. Während sich ein leitfähiges Zielobjekt darüber hinwegbewegt, werden die in Empfangsspulen induzierten Spannungen erfasst. Das Muster der induzierten Signale entspricht dabei der Position des Zielobjekts. Für hochpräzise Anwendungen, insbesondere solche, die eine absolute Positionsrückmeldung und hohe Auflösung erfordern, ist ein System mit zwei Empfängerspulen entscheidend. Diese Konfiguration ermöglicht Verfahren wie die Vernier-Interpolation. Dabei erzeugen zwei Empfängerspulen mit leicht unterschiedlichen Geometrien überlappende Signale, die mathematisch kombiniert werden können. So ist eine ultrafeine Winkel- oder Linearauflösung möglich. Das Dual-Coil-Design verbessert nicht nur die Messgenauigkeit, sondern ermöglicht auch die absolute Positionsbestimmung, ohne dass eine Referenzfahrt („Homing“) erforderlich ist.

Welche Vorteile bringen induktive Positionssensoren ?

Induktive Positionssensoren bringen eine Reihe von Vorteilen. Im Gegensatz zu Magnetsensoren sind induktive Sensoren von Natur aus unempfindlich gegenüber externen magnetischen Störfeldern. Sie gewährleisten eine stabile Leistung, selbst in elektromagnetisch anspruchsvollen Umgebungen. Optische Sensoren erfordern häufig eine exakte Ausrichtung und saubere Umgebungsbedingungen. Induktive Sensoren hingegen tolerieren mechanische Fehlausrichtungen und Verschmutzungen, was die Fertigung vereinfacht. Da außerdem keine teuren Magnete oder optischen Komponenten benötigt werden, senken induktive Sensoren die Materialkosten (BOM), ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Durch den Verzicht auf bewegliche Teile und dank robuster, PCB-basierter Spulendesigns zeichnen sich induktive Sensoren durch eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber Vibrationen, Staub, Feuchtigkeit und extremen Temperaturen aus. Diese Eigenschaften machen die induktive Sensortechnologie besonders attraktiv für Anwendungen, in denen Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Kosteneffizienz entscheidend sind.

Anwendungen in Automobil- und Industrieumgebungen

Die induktiven Positionssensoren von Renesas kommen bereits in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz. Im Automobilbereich bieten induktive Sensoren von Steer-by-Wire-Systemen über Motor-Kommutierung bis hin zum Ersatz herkömmlicher Resolver hochdynamische und präzise Rückmeldungen. Dabei sind sie vollumfänglich konform mit der Norm ISO 26262 für funktionale Sicherheit. In der Industrie ermöglichen induktive Sensoren in Robotik-, Automatisierungs- und Fertigungsanlagen exakte Winkel- und Längenerfassungen, die Closed-Loop-Regelungen und vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) unterstützen.

Während der Automobilsektor insbesondere von der Robustheit und den Safety-Features dieser Technologie profitiert, entfaltet sie ihr volles Potenzial vor allem im industriellen Umfeld. Insbesondere in der Robotik und Präzisionsmaschinentechnik, wo höchste Genauigkeit und Zuverlässigkeit gefragt sind, spielt sie ihre Stärken aus.

Wie Sensoren Roboter sensibel und intelligent machen

Aktuelle Roboter für die Industrie können sich autonom bewegen, ohne dabei Menschen in ihrem Umfeld zu gefährden. Intelligente Roboter kontrollieren zusätzlich ihre Geschwindigkeit und ihre Kraft und erkennen Objekte. Wie Sensoren dabei helfen.

Industrielle Anwendungen erfordern häufig ultrapräzise Messungen, insbesondere in der Robotik, in CNC-Maschinen und in der Halbleiterfertigung. Renesas hat seinen neuesten induktiven IC, den RAA2P3226, entsprechend ausgelegt, um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden.

Dieser Dual-Coil-Induktivsensor unterstützt Konfigurationen wie den Vernier-Modus, bei dem zwei Spulensysteme mit leicht unterschiedlichen Polpaarzahlen (N und N–1) kombiniert werden. Diese Anordnung ermöglicht absolute Positionsbestimmung, denn das Vernier-Prinzip erlaubt es dem Sensor, die Position über mehrere Perioden hinweg eindeutig zu bestimmen – ganz ohne Referenzfahrt („Homing”). Außerdem erreicht der RAA2P3226 eine Auflösung von bis zu 19 Bit und eine Genauigkeit von 15 Bit. Dadurch eignet er sich ideal für Anwendungen, die eine Sub-Grad-Präzision erfordern. Insbesondere in der industriellen Robotik ist diese Dual-Coil-Fähigkeit von großem Nutzen, da nun Winkelmessungen mit einer Genauigkeit von bis zu 0,01° realisierbar sind.

Das Sensorelement

Im Kern jedes induktiven Positionssensors befindet sich das Sensorelement. Dabei handelt es sich um einen Satz von Sende- und Empfangsspulen, die in eine Leiterplatte (PCB) eingeätzt sind. Die Geometrie, der Abstand und das Layout dieser Spulen beeinflussen die Leistungsfähigkeit des Sensors maßgeblich.

Sensoren verstehen von der Funktion bis zur Anwendung

Sensoren messen, regeln und entscheiden – in Maschinen, Autos, Smartphones und der Medizintechnik. Ohne sie stünde moderne Technik still. Sie bilden das Fundament für intelligente Systeme und automatisierte Prozesse. Doch wie genau funktionieren sie?

Die Entwicklung dieses Elements ist eine komplexe Ingenieursaufgabe, bei der zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen sind. So beeinflussen Form und Größe der Spulen Induktivität, Signalstärke und Auflösung. Außerdem muss der Sensor über den gesamten Bewegungsbereich hinweg eine konstante Genauigkeit gewährleisten. Und Aspekte wie Luftspalt, Materialeigenschaften und Umgebungsbedingungen müssen sorgfältig in das Design einbezogen werden.

Bislang erforderte dieser Prozess umfangreiche Simulationen, manuelle Anpassungen und mehrfache Prototyping-Schleifen.

Wie verändert das Renesas Coil Design Tool den Entwicklungsprozess induktiver Sensorelemente?

Das neue Inductive Coil Design Tool (ICDT) von Renesas verändert den Entwicklungsprozess induktiver Sensorelemente. Auf Basis einer flexiblen, Template-gesteuerten Architektur bietet das Tool den Nutzern folgende Möglichkeiten:

• Design: Auswahl aus Rotations-, Bogen- oder Linearbewegungs-Templates sowie Konfiguration von einfachen, dualen oder redundanten Spulenaufbauten.
• Simulation: Durchführung von Echtzeit-Simulationen mit 3D-Visualisierungen, Induktivitätsabschätzungen und prognostizierten Signalspannungen, unterstützt durch Machine-Learning-Modelle.
• Optimierung: Automatische Erstellung leistungsoptimierter Spulenlayouts inklusive Gerber-Dateien für die Leiterplattenfertigung.

Das Tool unterstützt verschiedene Konfigurationsmodi:

• Einzelspule: Einfach und kosteneffizient für grundlegende Messanwendungen
• Doppelspule: für hochauflösende und absolute Positionsmessungen
• Redundante Spule: Galvanisch getrennte Systeme für sicherheitskritische Anwendungen

Renesas stellt jedem Anwender einen eigenen Arbeitsbereich bereit, in dem sich Simulationen nachverfolgen, Ergebnisse überprüfen und Dateien schnell und einfach herunterladen lassen.

Induktive Sensoren für extreme Bedingungen

Beim berührungslosen Erfassen von Metallen auch unter extremen Umgebungsbedingungen sind induktive Sensoren meist die richtige Wahl. Denn die Näherungsschalter widerstehen Vibrationen, aggressiven Medien, hoher Feuchtigkeit und hohen Drücken sowie extremen und schwankenden Temperaturen. Außerdem detektieren sie die abzufragenden Objekte ob sie sich bewegen oder nicht.

In der Robotik ist Präzision von entscheidender Bedeutung. Ob bei der Gelenkwinkelrückmeldung, der Motor-Kommutierung oder der Positionierung von Endeffektoren – selbst kleinste Ungenauigkeiten können zu Leistungseinbußen oder Sicherheitsrisiken führen.

Mit den Dual-Coil-Induktivsensoren und dem Inductive Coil Design Tool (ICDT) von Renesas können Entwickler künftig:

• Präzise Winkelmessungen erreichen: mit einer Genauigkeit von bis zu 0,01°, was eine fein abgestufte Steuerung von Roboterarmen und autonomen Systemen ermöglicht.
• Kompakte Integration realisieren: dank PCB-basierter Spulen, die schlanke, integrierte Designs erlauben und sich mühelos in kompakte mechanische Umgebungen einfügen.
• Robusten Betrieb sicherstellen: durch Unempfindlichkeit gegenüber Staub, Feuchtigkeit und Vibration. Dies gewährleistet eine zuverlässige Leistung in rauen Industrieumgebungen.

Diese Kombination setzt einen neuen Standard in der induktiven Positionsmesstechnik und ermöglicht es Entwicklern im Bereich der Robotik, neue Möglichkeiten in der Automatisierung zu erschließen.

Zukunftsperspektiven für Sensorik-Entwickler

Das neue Coil-Design-Tool von Renesas markiert einen Meilenstein in der Weiterentwicklung der induktiven Positionssensortechnologie des Unternehmens. Durch die Automatisierung von Design, Simulation und Optimierung der Sensorelemente beseitigt es Einstiegshürden und beschleunigt Innovationen.

Ganz gleich, ob es sich um die Entwicklung eines Robotergelenks, eines industriellen Aktuators oder eines sicherheitskritischen Automobilsystems handelt – Renesas bietet die erforderliche Präzision, Flexibilität und Zuverlässigkeit, die für den Erfolg entscheidend sind.

Da die Industrie zunehmend nach noch intelligenteren, sichereren und effizienteren Systemen verlangt, werden Tools wie das Coil Design Tool in der Zukunft der Sensortechnologie eine zentrale Rolle spielen. (bs)