Motor-Feedback
Abtaster für präzises Motor-Feedback
Optische Nonius-Abtaster sind etablierte Sensorlösungen für hochauflösende Motor-
Feedback-Anwendungen. In der bereits dritten Generation seiner spezialisierten Sensor-Frontends
führt iC-Haus dieses Messprinzip auf ein neues Präzisionslevel.
Die iC-PNE Serie tastet die Projektion von drei gegeneinander versetzten Inkrementalspuren mit neuen monolithisch integrierten High-Definition Fotosensoren ab. Dabei wird der Nonius auf der Codescheibe in acht 45°-Sektoren unterteilt, die durch einen zusätzlichen Gray-Code eindeutig identifiziert werden. Durch diese Technik wird die zur Positionsberechnung verwendete Phasendifferenz vergrößert, was wiederum die mechanischen Toleranzen des gesamten Gebersystems erhöht. In Kombination mit dem Interpolator iC-MNF wird eine hohe Winkelauflösung von 25 Bit für beste Regelgüte dank exzellentem Klirrfaktor erreicht.
Sektorerkennung erhöht mechanische Toleranzen
Das Nonius-Prinzip hat sich in vielen messtechnischen Anwendungen bewährt: Die gegeneinander versetzten Teilstriche einer Maßverkörperung werden miteinander verglichen, um daraus eine absolute Positionsinformation zu gewinnen. Dreispurige optische Noniussysteme mit hoher Ortsauflösung erfordern grundsätzlich sehr präzise Montageprozesse. Je feiner die Teilung auf der Codescheibe ist, desto genauer muss die Phasendifferenz der Spuren ausgewertet werden, um die Positionsinformation zuverlässig zu ermitteln. Hochpräzise Messinstrumente wie diese können zusätzliche Ungenauigkeiten und Fehler nur begrenzt tolerieren, insbesondere solche, die durch eine mechanische Dejustage zwischen Sensor und Maßverkörperung entstehen.
Die neue Sensorgeneration löst diese konstruktive Herausforderung durch eine zusätzliche Sektorerkennung. Die Noniuskombination wird achtmal auf der Codescheibe wiederholt, wobei jeder Winkelsektor durch einen 4-Bit-Gray-Code eindeutig identifiziert wird. Durch die Reduzierung der Teilungsperioden von 360 auf 45° für den Nonius wird die Phasenreserve in etwa verdoppelt, wodurch größere mechanische Toleranzen möglich sind. Damit lassen sich jetzt auch miniaturisierte Systeme mit 2 048 Teilungsperioden auf einer Codescheibe von nur 26 mm problemlos realisieren.
Mehr als 33 Millionen Winkelwerte auf dem Vollkreis
Für den neuen iC-PNE wurden darüber hinaus weitere Sensoreigenschaften wie Signaljitter und Klirrfaktor verbessert, um eine hervorragende Signalqualität zu erzielen. Die Empfangsdioden sind für das in hochauflösenden optischen Encodern verwendete blaue Licht optimiert und an die geringe Eindringtiefe der Photonen angepasst. Ein Vorteil des kurzwelligen blauen Lichts ist eine geringere Beugung an den optischen Strukturen der Codescheibe. Diese physikalische Eigenschaft sorgt für eine besonders scharfe Projektion, die sich die EncoderBlue-Technologie zu Nutze macht.
Die Signalverarbeitung der vom iC-PNE erzeugten rauscharmen Signale übernimmt der Interpolator-Chip iC-MNF. Dieser spezialisierte Auswertebaustein für Nonius-Systeme verfügt über eine dedizierte Signalverarbeitung für bis zu drei differentielle Eingangssignale. Damit können alle analogen Kanäle des iC-PNE zeitgleich individuell verarbeitet werden. Der integrierte Sample&Hold SAR-Wandler löst jede Sin/Cos-Signalperiode mit 14 Bit auf. Die als 4-Bit-Gray-Code vorliegende Sektorinformation wird in ein kompatibles Datenformat gewandelt, das die Absolutdatenschnittstelle von iC-MNF seriell abfragen kann. Durch die Verrechnung des Winkelsegments mit dem sich wiederholenden Nonius löst dieses Encoder-System den Vollkreis mit über 33 Millionen Winkelwerten auf.
Für die Positionsausgabe steht dem Anwender eine verpolungssichere digitale BiSS-Schnittstelle mit RS422-Leitungstreibern zur Verfügung. Zusätzlich können 1 Vss Sin/Cos-Signale über eine kurzschlussfeste analoge Schnittstelle differentiell übertragen werden.
Unterstützung von der Entwicklung bis zur Produktion
Dank der feinen Teilungsstruktur, der präzisen Signalerzeugung, der erhöhten mechanischen Toleranzen und der kompakten Bauform sind iC-PNE Systeme in Kombination mit dem Interpolatorbaustein iC-MNF prädestiniert als Feedback-Einheiten in High-End-Servoantrieben.
Tatsächlich stellt die applikationsspezifische konstruktive Umsetzung dieser anspruchsvollen Systeme – vor allem in Form eigengelagerter und gekapselter Geber – trotz alledem hohe Anforderungen an Entwicklung und Produktion. Nur in einer optimal konfigurierten und kalibrierten Einheit kann die Genauigkeit des Nonius-Abtasters sowie des Interpolators vollumfänglich zur Geltung kommen.
Um genau dies zu gewährleisten, unterstützt iC-Haus seine Anwender mit hochwertigen Mess- und Analyseverfahren sowie maßgeschneiderten automatisierten Produktionswerkzeugen. Dazu gehören:
- Der Encoder-Teststand ETS Servo, basierend auf einem hochpräzisen BLDC-Motor mit integriertem Referenz-Encoder für Messungen gegen BiSS-, ABZ- und Sin/Cos-Signale. Eine schnelle und sichere Positionierung des Prüflings sowie aufsteckbare Hülsen zum Wechsel der Maßverkörperung erleichtern das Handling.
- Der SinCosYzer 2 für die Analyse von insbesondere analogen Encoder-Signalen. Acht differentielle Eingangskanäle werden mit bis zu 2 MS/s simultan abgetastet und für präzise Messungen mit einer Auflösung von 16 Bit digitalisiert. Die mitgelieferte Software bietet Geber-spezifische Dashboards und automatische Berechnungen von Schlüsselparametern.
- Das ECW Encoder Production Utility, ein komplettes Softwarepaket für die Produktion. Dashboard und Datenbank passen sich automatisch an die iC-Haus-Encoderlösungen an. Chipkonfiguration, Sensorkalibrierung und End-of-Line-Tests lassen sich mit dem SinCosYzer 2 als Hardware-Schnittstelle leicht automatisieren.
Ergänzend zu hochwertigen und innovativen ASSPs bietet iC-Haus mit seinen Encoder Tools eine projektbegleitende anwenderorientierte Unterstützung. Das erleichtert dem Kunden die Implementierung, spart Zeit während der Entwicklung und in der Produktion, und stellt sicher, dass das hohe Leistungsniveau der iC-Haus Bauelemente in der finalen Anwendung auch ausgeschöpft werden kann.
Autor: Silvan Ettle, Vertrieb und Applikation für Encodersysteme, iC-Haus GmbH, Bodenheim/Rhein
Bilder: iC-Haus GmbH
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