Damit selbst kleine Positionsgeber genauer messen können, nutzen applikationsspezifische Chips blaues Licht für eine klarere Abbildung optischer Skalen sowie mit Korrekturfunktionen ausgestattete Sinus-Digital-Wandler. Diese können nicht nur die kurzwelligen Signalfehler aus der Abtastung, sondern auch den langwelligen Exzentrizitätsfehler aus der Mechanik kompensieren.

Bild 1: Zur absoluten Positionsbestimmung kombiniert ein IC-RZ Encoder-Blue nur noch 3 Code-Spuren.

Bild 1: Zur absoluten Positionsbestimmung kombiniert ein IC-RZ-Encoder Blue nur noch drei Code-Spuren. IC-Haus

Leistungsfähige System-on-Chip-Designs auf CMOS-Basis mit integrierten Foto-Sensoren sind für Positionsgeber seit vielen Jahren im Einsatz, um klassischerweise Gray- oder Binärcodes von einer durchleuchteten Codescheibe abzulesen. Aufgrund der relativ großen radialen Codebreite ist es nicht möglich, auf eine großvolumige Beleuchtungseinrichtung zu verzichten. Der zur Verfügung stehende Bauraum ist in der Regel jedoch knapp, mindestens aber so kostbar, dass kleiner bauende Abtastungen gewünscht sind – eine wesentliche Motivation zur Entwicklung schlankerer Systemlösungen (Bild 1), die den absoluten Winkelwert nicht mehr parallel ablesen, sondern seriell, zum Beispiel über Pseudo-Random-Codes (PRC).

Anders als bei parallelen Gray- oder binären Codes genügt dem PRC-Prinzip eine einzelne Spur, was kleinere Codescheiben oder Codescheiben mit einer größeren Innenbohrung ermöglicht. Kleinere Codescheiben ermöglichen kleinere Motoren, größere Innenbohrungen wiederum sind für Hohlwellen-Geber gefragt, wie sie beispielsweise aktuelle Robotik-Applikationen benötigen.

Blau macht scharf

Eck-daten

Der IC-TW29-Encoder-Prozessor  ermöglicht bei Messwertkorrekturen vor Ort die physikalischen Nachteile kleiner Bauformen weitgehend zu kompensieren. Auf diese Weise sind Messsysteme mit skalierbarer Leistungsfähigkeit, einer hohen integralen Genauigkeit für Winkelgeber und extremen Auflösungen mit guter differenzieller Genauigkeit für digitales und sicheres Motorfeedback möglich. Die Phased-Array-Sensoren profitieren dabei in besonderem Maße von der blauen LED mit Verzerrungen unter 0,1 Prozent, was bei Antrieben vorteilhaft für die Regelgüte ist.

Die kürzere Wellenlänge und Eindringtiefe der Photonen verbessert wesentliche Eigenschaften des optischen Sensors, zum Beispiel die Signalamplitude, den Jitter sowie den Klirrfaktor. Dabei kommen Effekte aktueller Technologien verstärkend zusammen: Blaues Licht weist bei gleicher Spaltbreite eine verringerte Beugung gegenüber langwelligem Licht auf und kann deshalb schärfer abbilden.

Silizium-Halbleiterprozesse ermöglichen feinere und flachere Strukturen, was ein verschachteltes Layout von Fotodioden ermöglicht, mit denen die Chips der IC-RZ-Baureihe dann sehr gute gleichlaufende Sinus- und Cosinus-Signale mit relativ geringen Offsets erzeugen können. Derartig für blaues Licht optimierte Chips kennzeichnet IC-Haus mit dem Markennamen Encoder-Blue.

Für neue Geber-Generationen sind nicht nur höhere Auflösungen und kleinere Bauformen gefragt – sie sollten insbesondere bei rein digitaler Kommunikation auch Safety-Applikationen bedienen können. Für solche Safety-Encoder sind ein zweikanaliger Aufbau des Sensors sowie doppelte, unabhängig erzeugte Datenpakete wünschenswert. Die IC-RZ-Bausteine integrieren eine derartige zweikanalige Ausführung auf einem Chip (Bild 2).

Höhere Auflösung für den Regler

Bild 2: Chip-Layout eines 2-kanaligen PRC-Abtasters der IC-RZ

Bild 2: Chip-Layout eines 2-kanaligen PRC-Abtasters der IC-RZ-Baureihe. IC-Haus

Die IC-RZ-Bausteine verfügen über eine zusätzliche Inkrementalspur zur Abtastung von 1024 oder 2048 Linien, damit sich ein externer Interpolationsbaustein ansteuern lässt, um eine viel feiner aufgelöste Winkelposition zu erzeugen. Damit dieser Winkel zum Absolutwert wird, muss sich der externe Interpolator zunächst aus der absolut kodierten PRC-Teilung initialisieren.

Allerdings ist dabei die Phasenlage zwischen den beteiligten Teilungen anfangs unbekannt und von der Sensorjustierung abhängig, was eine spezielle Einstellung erforderlich macht. IC-TW29 bietet dafür eine besondere Funktion zum automatischen Einmessen, die den Interpolationswinkel so lange passend verschiebt, bis sich die an der absoluten Datenschnittstelle (ADI) eingelesene Position bestmöglich synchronisieren und später zyklisch überprüfen lässt.

Damit sich die geforderte Winkelgenauigkeit innerhalb praktikabler Anbautoleranzen erreichen lässt, kommt mit IC-TW29 eine integrierte Signalkonditionier- und Interpolationsschaltung zum Einsatz, die primäre Signalfehler automatisch ausgleicht. So lassen sich die Signale der optischen Abtastung bezüglich Amplitude, Offset oder eines Phasenfehlers zwischen dem Sinus- und Cosinus-Signal automatisch abgleichen, entweder bei einem Einmessen auf Knopfdruck oder permanent. Nicht abgleichbare Restfehler lassen sich nachfolgend digital überwachen, um unzulässige Abweichungen der Steuerung entweder als Fehler- oder Warnmeldung anzuzeigen.

Parallel zur BiSS-Datenausgabe ist ein Mikrocontroller über SPI anschließbar, was nachrüstbare Zusatzfunktionen ermöglicht. Beispielsweise erlauben die Restfehlerwerte des Chips den Verschmutzungsgrad zu analysieren, für eine Betriebsüberwachung im Hintergrund – eine gefragte Erweiterung für Industrie-4.0-Leitsysteme mit Predictive Maintainance.

Bild 3: Einkanaliges Schaltungskonzept mit Fehlerkorrektur durch den externen IC-TW29 Encoder Prozessor.

Bild 3: Einkanaliges Schaltungskonzept mit Fehlerkorrektur durch den externen IC-TW29 Encoder-Prozessor. IC-Haus

Ein Novum des Bausteins ist der Flex-Count-Interpolatorkern, ein elektronisches Getriebe, das volle Anwendungsfreiheit bietet: Eine beliebige Eingangsauflösung von einer binären oder dezimalen Teilung lässt sich in eine beliebige Ausgangsauflösung umsetzen – sogar unabhängig für alle verfügbaren Ausgaben (ABZ, UVW, BiSS oder SPI). Das Konzept nach Bild 3 eignet sich somit ebenfalls als programmierbarer Inkrementalgeber; es ist lediglich ein Austausch des ausgangsseitigen Kabeltreibers erforderlich.

Die Latenz im Gesamtsystem ist konstant und gering: 2,4 µs oder 5 µs, je nach Wahl des Eingangsfilters im IC-TW29. Die Positionsdaten folgen auf einem Raster von 20 ns und deren Ausgabe erfolgt nahezu ohne Wartezeit.

Messwertkorrektur für bessere Genauigkeit

Ein langwelliger Rundlauffehler, der bei einem exzentrischen Anbau der optischen Codescheibe entsteht, lässt sich auf Befehl elektronisch kompensieren. Diese Funktion ist im Besonderen für fremdgelagerte Einbaugeber interessant, das heißt wenn der Abtastkopf und die Achse keine starre Einheit bilden und der Motorenhersteller die Codescheibe eingebaut hat. Liegt der optische Abtastradius beispielweise bei 11 mm, so wie beim IC-RZ2648, verursacht ein Zentrierungsfehler von nur 5 µm bereits einen Positionsfehler von zirka 100 Winkelsekunden – mithilfe der elektronischen Kompensation ist es jetzt möglich, diesen Fehler auf 1/10 zu reduzieren.

Bild 4: Leistungsdaten im Vergleich: IC-RZ2048 mit interner und mit externer Interpolation durch den IC-TW29 Encoder Prozessor.

Bild 4: Leistungsdaten im Vergleich: IC-RZ2048 mit interner und mit externer Interpolation durch den IC-TW29 Encoder-Prozessor. IC-Haus

Die vollständig digitale Datenübertragung bietet nennenswerte Vorteile gegenüber einer analogen oder kombiniert analog/digitale Kommunikation: besserer Rauschabstand, weniger Signale auf weniger Leitungen, einfachere Schirmung, dünnere Kabel, geringere Durchmesser, geringere Massen.

Als Schnittstelle kommt die offene Standard-Schnittstelle BiSS C zum Einsatz, optional mit dem BiSS-Safety-Protokoll bei zweikanaliger Auslegung des Gebers. Konkret basiert hierbei die Kommunikation auf einer einzigen, rein digitalen, seriellen Übertragung, die die beiden Kanalinhalte eindeutig und sicher voneinander trennt. BiSS Safety betrachtet die genutzte Kommunikation als Black Channel: alle Veränderungen bei der Übertragung lassen sich hierbei hinreichend erkennen.

Ist kein Absolut- sondern ein Inkrementalgeber mit Quadratursignalen gewünscht, ist es möglich, den BiSS-Transceiver durch RS422-Treiber zu ersetzen, um ABZ-Signale mit einer beliebig einstellbaren Impulszahl auszugeben (bis 218).