Encoder oder Drehgeber - Terraingewinn für magnetische Drehgeber

Contelec: Es gibt sie, die Anwendungsbereiche, die unangefochten den optischen Encodern vorbehalten sind. Doch frappante Entwicklungsschritte bei den magnetischen Drehgebern führen zu einer markanten Verschiebung der Grenzlinie – hin zu Gunsten der kleine(re)n, robuste(re)n und preiswerte(re)n Winkelmesser.

Unabhängig davon, ob es sich um optische oder magnetische, absolute Drehgeber handelt – jedes kontaktlose, absolut messende System zeichnet sich dadurch aus, dass der gemessene Wert einer eindeutigen Winkelposition der drehenden Achse zugeordnet ist. Dadurch steht der Absolutwert (Winkelposition) direkt nach dem Anlegen der Stromversorgung zur Verfügung. Referenzfahrten, wie sie bei inkrementellen Systemen notwendig sind, entfallen komplett.

Präzisionsmessungen mit optischen Verfahren

Optische Encoder basieren, wie der Name sagt, auf einem optischen Messverfahren. Zentrale Elemente bilden dabei eine sich drehende Codescheibe sowie ein optischer ASIC. Die üblicherweise in Glas oder Kunststoff gefertigte, hochpräzise Codescheibe wird vom Licht einer Diode durchstrahlt. Diese wirft das daraus entstehende optische, digitale Codemuster auf die dahinterliegende Blende, die die Information an den optischen ASIC überträgt. Der ASIC seinerseits wandelt die Winkelinformation direkt in elektrische Signale um. Absolut optische Encoder sind bezüglich Auflösung, Genauigkeit und Geschwindigkeit die unangefochtenen Leader. Sie weisen jedoch auch Nachteile auf. So neigt etwa dieMessscheibe bei starken Vibrationen zum Schwingen, wodurch unstabile Ausgangssignale entstehen. In Extremsituationen kann die Codescheibe gar brechen, was den Totalausfall des Messsystems zur Folge hat.

Optische Encoder sind ferner anfällig gegenüber Staub und Schmutz, da die Messung durch Verunreinigungen negativ beeinflusst wird. Besonders empfindlich reagieren optische Drehgeber auf niedrige Temperaturen, Temperaturwechsel und Feuchtigkeit.Die dadurch entstehende Betauung der Codescheibe führt zu Messfehlern oder gar zu Ausfällen. Anwendungen in rauenUmgebungen zählen folglich nicht zu den Stärken dieser Gattung.

Weitere Evaluationskriterien bei der Wahl der geeigneten Technologie bilden Aspekte wie Abmessungen und Preis – zwei weitere Faktoren, die den Einsatz optischer Encoder des Öfteren verhindern. So sind zur Erreichung hoher Auflösungen entsprechend grosse Codescheiben notwendig, was sich direkt auf die Abmessungen des Winkelmessers auswirkt. Darüber hinaus sind die optisch messenden Systeme auf Grund der aufwändigen Produktionsverfahren sowie der vergleichsweise hohen Anzahl benötigter Bauelemente im oberen Preissegment angesiedelt.

Ist Robustheit gefordert, bieten sich magnetische Drehgeber an

Als interessante Alternative mit komplementären Eigenschaften bieten sich mehr und mehr magnetische, absolute Drehgeber an. Sie basieren auf einem kontaktlosen, magnetischen Messverfahren, bei dem auf einer rotierenden Achse ein Magnet angebracht ist. Die dadurch vorhandenen Magnetfeldlinien treffen auf einen Magnetfeldsensor, der diese in ein analoges Ausgangssignal verwandelt – wobei üblicherweise ein nachgeschalteter A/D-Konverter das analoge in ein digitales Signal wandelt. Je nach Messprinzip kommen unterschiedliche Sensoren zum Einsatz, so zum Beispiel magnetoresistive, Giant-magnetoresistor- und Hall-Sensoren.

Obwohl magnetische Drehgeber den optischen Messsystemen bezüglich Auflösung, Geschwindigkeit und Genauigkeit unterlegen sind, bilden sie in zahlreichen Applikationen eine prüfenswerte Alternative. Dies nicht zuletzt auf Grund der Tatsache, dass sie wesentlich kleiner, robuster und unanfälliger gegenüber Umwelteinflüssen sind. So können Aspekte wie Vibration, Schock, Schmutz und Betauung den kompakten Drehgebern (fast) nichts anhaben. Auch Anwendungen im Temperaturbereich von –40 bis +125°C sind ohne zusätzliche Massnahmen realisierbar.

Magnetische Drehgeber sind auf dem Vormarsch

Von Bedeutung ist ferner die Tatsache, dass sich selbst bei kleinsten Baugrössen eine hohe Auflösung und Genauigkeit erreichen lässt. So sind heute Systeme erhältlich, die bei einem Gehäusedurchmesser von 13 mm mit einer Auflösung von bis zu 14 Bit bei einer Genauigkeit bis 12 Bit zu überzeugen vermögen. Zu den weiteren Vorzügen magnetischer Drehgeber zählt die Möglichkeit der freien Parametrisierung beziehungsweise der Programmierung des Drehwinkels von 0 bis 360°. Dabei stehen die volle Auflösung und Genauigkeit auch bei Winkeln kleiner 360° zur Verfügung. Dies bedeutet beispielsweise, dass ein auf 180° elektrischer Winkel programmierter Sensor die vollen 14 Bit Auflösung hat und somit einem 15 Bit optischen Encoder entspricht. Selbst die Drehrichtung sowie der Indexpunkt sind individuell setzbar. Die Parameter lassen sich sowohl bei der Kalibrierung des Sensors in der Fertigung als auch beim Einbau durch den Kunden selbst programmieren. Vorteil des kundenseitigen Setups ist primär die Kompensation der Einbautoleranz, was die Anforderungen und Kosten an die kundenseitigen Teile reduziert. Zu den weiteren Vorzügen magnetischer Systeme zählt ferner die Möglichkeit, zwei vollwertige Messsysteme preiswert in einen Drehgeber zu integrieren und dadurch komplett redundante Lösungen zu schaffen.

Alterung des Permanentmagneten bei magnetischen Sensoren

Magnetische Drehgeber weisen gegenüber optischen Systemen auch Nachteile auf. Dazu zählt etwa die geringere Geschwindigkeit, die auf Grund der Rechenzeit für die Signalauswertung gegeben ist. Doch in einigen Anwendungen wird die Geschwindigkeit bei der exakten Positionsfahrt gedrosselt, weshalb die Einschränkung in diesen Bereichen von geringer Bedeutung ist. Beim Einsatz magnetischer Messsysteme ist im Weiteren zu beachten, dass externe Felder von >1000 A/m Fehlmessungen verursachen können. Entschärft werden kann dieser Aspekt durch eine entsprechende Abschirmung des Drehgebers. Ein weiteres Kriterium bei der Evaluation der geeigneten Technologie bildet die Alterung der bei magnetischen Drehgebern eingesetzten Permanentmagnete. Die daraus resultierende Signalabweichung über die Zeit beeinflusst bei einfachen Hall-Systemen die Genauigkeit der Messung. Wird jedoch – wie etwa bei den Drehgebern der Vert-X-Familie von Contelec – die Feldrichtung anstelle der Feldstärke gemessen, entfällt dieser Aspekt komplett. Ändern sich Magnetfeld und Feldstärke über die Zeit oder auf Grund des Magnet-Temperatur-Koeffizienten, wird die Messgenauigkeit nicht tangiert. Folglich eignen sich magnetische Sensoren auch für Anwendungen, die ein robustes und präzises Messsystem mit einer langen Lebensdauer benötigen.

Es bieten sich neue Freiheitsgrade

Dass innovative Technologien in der Regel nicht nur bestehende Lösungen substituieren, sondern durch neue Funktionen und Möglichkeiten zu gefallen wissen, wird auch bei magnetischen Drehgebern deutlich. So lassen sich beispielsweise Drehgeber mit externen, kundenseitig angebrachten Magneten realisieren, die völlig berührungslos arbeiten. Dabei kann sich zwischen dem extern drehenden Magneten und dem Drehgeber sogar ein nicht ferromagnetisches Material befinden, was den Freiheitsgrad weiter erhöht. AufGrund dessenlässt sich der drehende Magnet beispielsweise in Umgebungen mit höheren Temperaturen oder Drücken betreiben als die komplett gekapselte Auswerteelektronik. Zwar sind auch bei optischen Encodern einzelne Baugruppen erhältlich, die sich in die kundenseitige Applikation integrieren lassen. Doch sind sie anfälliger auf Störungen, da die Glas-, Kunststoff- oder Metallscheiben kundenseitig mit hoher Präzision eingebaut werden müssen und Verunreinigungen sowie andere Medien Störungen verursachen können. Um den Einbau magnetischer Sensoren möglichst einfach zu gestalten, stehen verschiedene Magnetträgertypen mit diversen Befestigungsmöglichkeiten zur Verfügung. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die von den Herstellern geforderte Einbaugenauigkeit zur Erreichung der spezifizierten Messgenauigkeit von zentraler Bedeutung ist. Folglich gilt es, bei der Evaluation auch diesem Aspekt Rechnung zu tragen. Heute sind Vert-X-Drehgeber erhältlich, die Einbautoleranzen von bis zu ±0,5 mm (xx, yy) und ±1 mm (zz) erlauben.