Positionsgeber für Motorregelung im Vergleich

Es stellt sich die Frage, ob es angesichts des Trends zu sensorlosen Motorregelungen überhaupt noch einen Markt für Positionsgeber gibt. Diese Frage lässt sich nicht einfach mit ja oder nein beantworten, aber klar ist: Positionsgeber werden auch in Zukunft noch benötigt. Zwar kommt man beispielsweise in Elektrowerkzeugen ohne Drehwinkelgeber aus, aber in Robotern oder linearen Transportsystemen geht es nicht ohne Drehwinkelgeber bzw. lineare Positionsgeber.

Grundlagen der Positionsgebertechnologie

Bei bürstenlosen AC- oder DC-Motoren dienen Positionsgeber nicht nur zur Kommutierung der Statorströme, sondern auch zur Drehzahl- und Positionsregelung. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Arten von Gebern zum Einsatz. Zunächst ist hier zwischen Inkremental- und Absolut-Encodern zu unterscheiden. Inkremental-Encoder besitzen üblicherweise eine digitale oder analoge ABZ-Schnittstelle mit zwei quadraturcodierten digitalen Impulszügen bzw. zwei analogen Sinus- und Cosinussignalen (A und B). Sie ermöglichen eine latenzarme und hochauflösende Winkelmessung (10 bis 28 Bit), und ein optionaler Index (Z oder I) erlaubt die Ausgabe absoluter mechanischer Winkelinformationen. Inkremental-Encoder liefern keine absolute Winkelinformation und müssen im ungünstigsten Fall eine ganze Umdrehung ausführen, bis der Index erreicht wird. Encoder dieser Art eignen sich hervorragend für Anwendungen mit variabler Drehzahl, die auf sehr geringe Latenz (weniger als 1 µs) angewiesen sind, aber nach dem Einschalten keine absolute Winkelinformation benötigen.

Absolut-Encoder in Single- oder Multiturn-Ausführung geben dagegen unmittelbar nach dem Einschalten eine absolute Winkelinformation aus. Sie besitzen bidirektionale RS-485-Schnittstellen mit anbieterspezifischen Protokollen und liefern neben dem Winkel noch weitere Informationen wie etwa die Drehzahl sowie eine Angabe der Anzahl ausgeführter Drehungen. Die Winkelauflösung beträgt in der Regel zwischen 10 und 30 Bit bei einer Latenz von 10 µs, sodass vielfältige Anforderungen abgedeckt werden.

Die Positionsauflösung richtet sich üblicherweise nach dem Datenformat, das über die digitale Schnittstelle übertragen wird. Eine Winkelinformation im 20-Bit-Integerformat besitzt also eine Auflösung von 360/2²⁰, wobei ein Wert von 0h einem Winkel von 0° entspricht, während 0xFFFFF für einen Winkel von 360° - 360/2²⁰ steht. Bild 1 gibt die Winkelgenauigkeit wieder, die nicht nur vom maximalen Rauschen abhängt, sondern auch von der Nichtlinearität über eine Umdrehung hinweg.

Multiturn-Positionssensor arbeitet ohne Stromversorgung

Bei der Realisierung von TPO-Multiturn-Positionssensoren (TPO: True Power ON) gibt es eine Lösung, die Positionserfassung in Industrie und im Automobilbereich neugestalten soll. Mit ihm können komplexe und teure herkömmliche Lösungen ersetzt werden.

Wie funktioniert die Vektorregelung mit Positionsgebern?

Die in Bild 2 dargestellte Vektorregelung (Field-Oriented Control, FOC) regelt den Statorstrom von Permanentmagnet-Synchronmotoren so, dass sich ein maximales Drehmoment einstellt. Die FOC-Methode sorgt für ein gleichmäßiges Drehmoment und ein schnelles Ansprechverhalten vom Stillstand bis in hohe Drehzahlbereiche hinein. Eine präzise und latenzarme Messung des Winkels des Rotormagnetfelds bildet die drei Stator-Phasenströme iU, iV und iW auf ein auf das Rotor-Magnetfeld orientiertes Koordinatensystem ab.

Unter anderem bei humanoiden Robotern wird der absolute Drehwinkel typisch mit einer Genauigkeit von 0,1° bis 1° gemessen, und zwar mit einem ENOB-Wert zwischen 12 und 15 Bit und einer Abtastrate von 8 kHz bis 32 kHz. Die Messung des Drehwinkels erfolgt dabei simultan mit der Messung der Phasenströme. Die Winkelmessung mit einer Latenz von unter 20 µs lässt dem Mikrocontroller ausreichend Zeit zur Verarbeitung der Regelalgorithmen und zum Aktualisieren des PWM-Modulators für den nächsten PWM-Zyklus.

Drehwinkelgeber lassen sich in das Motorgehäuse integrieren, wie es beispielsweise bei den meisten humanoiden Robotern der Fall ist, oder in einem separaten Gehäuse direkt an der Motorwelle anordnen. In beiden Fällen ist die Beständigkeit gegen hohe Umgebungstemperaturen bis zu 125 °C erforderlich.

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.

Darüber hinaus verlangt das Erreichen der funktionalen Sicherheit gemäß IEC 62061 oder ISO 13849 nach sicherheitszertifizierten Encodern, die nach ihrem Safety Integrity Level (SIL) oder ihrer Leistungsfähigkeit ausgewählt werden. Überdies werden zusätzliche Diagnosefunktionen zur Erkennung zufälliger Hardwarefehler benötigt. In Automobilanwendungen führen Systeme, die nach ISO 26262 ausgelegt sind, Diagnosen beim Systemstart durch, während industrielle Systeme, die oft rund um die Uhr laufen, kontinuierliche Diagnosen während des normalen Betriebs erfordern.

Unterschiede optischer, magnetischer und induktiver Encoder

Es gibt optische, magnetische, induktive und kapazitive Positionsgeber. Optische Sensoren ergeben möglicherweise die niedrigsten Systemkosten und bieten meist die höchste Auflösung, während magnetische und induktive Sensoren in Sachen Zuverlässigkeit überlegen sind. Kapazitive Positionsgeber haben meist eine geringere Auflösung als induktive und magnetische Sensoren und sind weniger verbreitet. TI bietet magnetische und induktive Positionsgeber für kostensensible Anwendungen an, die rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind (z. B. hohe Temperaturen bei Einbau in den Motor).

Magnetische Positionsgeber ermöglichen eine kosteneffiziente Erfassung von Drehwinkeln oder linearen Bewegungen und sind hochgradig beständig unter anderem gegen Staub, Öl oder Nässe. Sie erkennen Änderungen von Magnetfeldern und erzeugen daraus elektrische Ausgangssignale. Man unterscheidet zwischen Halleffekt-, AMR- (Anisotropic Magnetoresistive), TMR- (Tunneling Magnetoresistance) und GMR-Positionsgebern (Giant Magnetoresistance).

Bei Linearmotor-Transportsystemen, die das Transportgut mit Geschwindigkeiten von 5 bis 15 Metern pro Sekunde bewegen, reicht eine Positionsauflösung von 12 Bit bei einer Latenz von <100 µs oftmals aus. Hier sind meist mehrere Positionsgeber über eine SPI-Schnittstelle mit einem Mikrocontroller verbunden (Bild 3).

 Der 3D-Halleffektsensor TMAG5170 punktet in dieser Anwendung in erster Linie mit seiner Genauigkeit, seiner geringen Latenz und seiner Flexibilität, was die Platzierung der Leiterplatte betrifft. Die Drift des Empfindlichkeitsfehlers über den gesamten Temperaturbereich ist kleiner als 2,8 Prozent, und die 10 MHz SPI-Schnittstelle sorgt für eine geringe Latenz. Die Möglichkeit zur Konfiguration der Erfassungsrichtungen XY, YZ und XZ ermöglicht ein freizügiges Positionieren des Sensors bezogen auf den Magneten. In einem Referenzdesign wird der TMAG5170 in Intervallen von 25 mm angeordnet, um eine ebenso präzise wie latenzarme lineare Positionserfassung zu ermöglichen. Ein C2000™-MCU liest hier die Z- und X-Magnetfelddaten aller vier Sensoren aus und berechnet die Magnetposition mit einem Fehler von unter 0,15 mm sowie einer Latenz von weniger als 57,5 µs.

Ein AMR-Sensor enthält vier magnetoresistive Wheatstone-Brücken, wobei die Spannungsdifferenzen zwischen den Ausgängen zweier Brücken die Stärke des externen Magnetfelds wiedergeben. Im Unterschied zu Halleffekt-Sensoren eignen sich AMR-Sensoren für höhere Frequenzen, und außerdem bieten sie einen größeren Signal-Rauschabstand. Gegenüber GMR- und TMR-Sensoren ist ihr Orthogonalitätsfehler vernachlässigbar gering, und ihre hohe Magnetfeld-Toleranz ist ebenfalls hervorzuheben. Der 2D-AMR-Winkelgeber TMAG6180-Q1 (Bild 4) misst Magnetfelder und erzeugt zwei differenzielle oder massebezogene Spannungen, deren Höhe proportional zur Stärke der gemessenen Magnetfelder ist. Seine Latenz von unter 2 µs reduziert außerdem die auf schnelle Bewegungen zurückzuführenden Winkelfehler. Eingebaute Halleffekt-Schalter produzieren zwei digitale Quadrantensignale (Q0 und Q1) und erweitern damit den Erfassungsbereich auf 360°. Zusammen mit den erzeugten Sinus- und Cosinussignalen ermöglichen die digitalen Q0- und Q1-Signale eine Bestimmung des absoluten Drehwinkels.

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Rachel Scheller

Zur Verbesserung der Genauigkeit sollte der MCU einen schnellen A/D-Wandler mit hohem ENOB-Wert enthalten. Er sollte ferner ein digitales Filter (z. B. ein FIR-Filter) zur Beseitigung des Signalketten-Rauschens implementieren können und nicht zuletzt einen zusätzlichen Kompensationsalgorithmus enthalten, mit dem sich Fehler infolge mechanischer Toleranzen sowie Verstärkungs- und Offsetfehler der Signalkette eliminieren lassen. Auf Basis des TMAG6180-Q1 und des Mikrocontrollers MSPM0G3507 wird ein Referenzdesign angeboten, das zusätzlich zwei 12bit-ADCs und einen Mathematik-Beschleuniger enthält, um die Effizienz zu steigern und die Systemkosten zu senken. Das System misst Winkel mit einem Signal-Rauschabstand von 94,7 dB, was einem ENOB-Wert von 15,4 entspricht. Der Winkelfehler ist kleiner als 0,05°.

Verglichen mit magnetischen Sensoren haben induktive Winkelgeber in erster Linie den Vorteil der magnetischen Immunität gegenüber externen DC-Feldern. Außerdem benötigen sie keinen Magneten, sondern lediglich ein leitendes Metallobjekt. Mit zwei induktiven Sensoren des Typs

LDC5072-Q1 lässt sich ein Absolutwertgeber realisieren. Die Nonius-Codierung erfordert hierbei zwei Erfassungsspulen. Die äußere Spur kann beispielsweise 16 Metall-Targets aufweisen, die innere dagegen 15. Durch identische Abstände zwischen beiden Targets ist ein einzigartiges Signalmuster über eine Umdrehung hinweg sichergestellt, sodass der absolute Winkel mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.

Mechanische Resolver können die gleiche Funktion übernehmen wie induktive Absolut-Encoder, jedoch schneiden sie in Bezug auf den Platzbedarf und das Gewicht schlechter ab. Induktive Winkelgeber-Lösungen können zudem direkt auf einer Leiterplatte platziert werden, während Resolver dicke Stahllagen mit Zähnen aus Kupferdraht-Wicklungen erfordern. Aufgrund ihrer mechanischen Struktur sind Resolver außerdem teurer in der Herstellung, und ihre Leistungsaufnahme kann bis zu 500 mW betragen.

Technologische Entwicklungen im Überblick

Welcher Positionsgeber im Einzelfall am besten geeignet ist, richtet sich nach den Anforderungen des jeweiligen Antriebssystems. In erster Linie müssen die Kosten, die Leistungsfähigkeit, der Betriebstemperaturbereich und der Platzbedarf gegeneinander abgewogen werden. Eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielt es außerdem, ob Diagnosefunktionen benötigt werden oder ob Functional-Safety-Aspekte berücksichtigt werden müssen. (bs)

Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Texas Instruments.