Quantensprünge bei magnetischen Drehgebern

Contelec: Sie sind etabliert, erprobt, in unterschiedlichsten Ausführungen und Genauigkeitsklassen erhältlich und aus zahlreichen Anwendungsbereichen nicht mehr wegzudenken: magnetische Drehgeber. Nun setzen sie zum Sprung in neue Leistungsklassen an.

Die Werte sprechen für sich! Moderne magnetische Drehgeber wissen mit Spezifikationen zu gefallen, die selbst bei schwierigsten Umgebungsverhältnissen präzise Winkelmessungen erlauben. So sind Drehgeber mit Auflösungen bis zu 12 Bit und Wiederholgenauigkeiten bis 0,1 Prozent erhältlich. Ebenso Winkelsensoren mit Linearitätswerten von bis zu ±0,1 Prozent über den gesamten Messbereich von 360 Grad. Kleinste Abmessungen, die Einbindung unterschiedlicher Schnittstellen, eine hohe Resistenz gegenüber mechanischen Einflüssen sowie die hohe Immunität gegenüber Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit und Staub sind weitere Aspekte, die magnetischen Drehgebern zur Marktdurchdringung der letzten Jahre verholfen haben.

Doch aller Begeisterung zum Trotz: Einige Anwendungen sind hinsichtlich Auflösung und Genauigkeit derart anspruchsvoll, dass die bisher erreichten Spezifikationen magnetischer Drehgeber nicht ausreichen. Ist dies der Fall, kommen optische Encoder zum Einsatz. Doch dabei ist zu berücksichtigen, dass deren physikalische Leistungsmerkmale vergleichsweise bescheiden sind. So machen Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit, Betauung, Staub, Vibration oder Schock optischen Encodern regelrecht zu schaffen.

Vorzüge optischer und magnetischer Drehgeber vereint

Um dieser Problematik zu begegnen, sind Hersteller von Drehgebern gefordert, die Vorzüge beider Welten in einem System zu vereinen. Diesem Anspruch gerecht zu werden vermag nun die von Contelec entwickelte neueste Generation der Vert-X-Produktfamilie. Deren Spezifikationen gehen weit über die bisher möglichen Werte von magnetischen Drehgebern hinaus und lassen sich gut und gerne mit jenen optischer absolut Encoder vergleichen. So erreichen die auf dem magnetischen Messprinzip basierenden Systeme beispielsweise Linearitäten von ±0,015 Prozent, Wiederholgenauigkeiten von ±0,01 Prozent sowie ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von zirka 80 dB.

Möglich werden derartige Werte nicht nur durch die Optimierung des Messverfahrens selbst, sondern durch das Zusammenspiel beziehungsweise die gegenseitige Abstimmung sämtlicher Einflussgrössen wie Materialeigenschaften, Sensoraufbau und Umweltfaktoren. Um dies zu ermöglichen, basieren die Contelec-Drehgeber einerseits auf einer modularen Grundstruktur sowie auf der Integration einer leistungsfähigen und flexiblen Prozessoreinheit (MCU). Die Kombination dieser Faktoren bildet die Basis für individualisierte, hoch präzise und anwendungsoptimierte Drehgeber, die als «flexible Plattform für kundenspezifische Funktionen, Schnittstellen und Kennlinien» bezeichnet werden dürfen.

Hohe Genauigkeit touchiert physikalische Grenzen

Dass aufgrund der erreichbaren Drehgeber-Genauigkeit von ±0,05 Prozent sämtliche Einflussgrössen berücksichtigt beziehungsweise optimiert werden müssen, liegt auf der Hand. So sind etwa Faktoren wie Temperatur und mechanische Toleranz, beispielsweise bei Vibrationen, resultatbestimmende Grössen. Der Temperatureinfluss beträgt beispielsweise rund 5 ppm/K. Selbst die magnetische Hysterese – dabei handelt es sich um ein so genanntes «Nachhinken einer Wirkung hinter ihrer Ursache» – wird bei der nun erreichten Genauigkeitsstufe relevant. Hysterese entsteht durch die Ausrichtung der Atome im Drehgeber-Metallgehäuse durch das Magnetfeld. Bei einer Richtungsänderung beziehungsweise Rückdrehung erfolgt die Neuausrichtung der Atome mit einer gewissen Trägheit, was zu verfälschten Messresultaten von bis zu ±0,01 Prozent führt. Aufgrund der heute gegebenen Möglichkeit, die magnetische Hysterese zu messen, kann bereits bei der Wahl von Materialien und Architektur vorbeugend gewirkt werden. Ebenfalls einen nicht zu vernachlässigen Einfluss übt das Erdmagnetfeld aus. Es verursacht einen konstanten, von Gehäuse, Einbau und Orientierung des Drehgebers abhängigen Offset. Dessen Ausgangssignal kann die Drehgeber-Genauigkeit mit bis zu ±0,01 Prozent beeinflussen. Die bereits vorgängig erwähnte Linearität von ±0,015 Prozent sowie die nun erreichbare (Wiederhol-) Genauigkeit des Messsystems von ±0,01 Prozent sind weitere Grössen, die sich auf die Drehgeber-Genauigkeit auswirken. Derartige Werte lassen sich nicht zuletzt aufgrund des integrierten Mikrocontrollers erreichen, der die präzise Kalibrierung des Drehgebers erlaubt.

Gesteigerte Flexibilität dank MCU

Die Integration einer leistungsfähigen Mikroprozessoreinheit dient nicht nur der Erreichung der Leis tungsmerkmale. Sie verschafft den Drehgebern zahlreiche weitere Features. Dazu gehört etwa die Möglichkeit, beinahe beliebige Schaltfunktionen zu integrieren, die beim Erreichen einer bestimmten Kondition (zum Beispiel Winkel) entsprechende (Schalt-)Signale auslösen. Dabei lässt sich selbst die Steilheit der Signalflanke definieren beziehungsweise programmieren. Auch die Programmierung kundenspezifischer Kennlinien sowie die Integration sämtlicher denkbarer Schnittstellen und Übertragungsprotokolle sind möglich. Ob winkelspezifische Spannungs- oder Stromwerte, ob Schnittstellen wie CANopen, PWM, SPI oder Incremental (A, B, Z) – die Programmierbarkeit der Drehgeber eröffnet bisher undenkbare Möglichkeiten.

Eine Plattform, multiple Anwendungen

Deutlich illustrieren lässt sich die gewonnene Flexibilität anhand einer Anwendung im Schiffsbau, bei der der Schiffsantrieb beziehungsweise die Steuereinheit mit präzisen Drehgebern bestückt sind, die ihrerseits via CANopen mit der zentralen Steuereinheit kommunizieren. Bisher gelangte dabei ein proprietäres CAN-Protokoll zur Anwendung, bei dem der Overhead des standardisierten CANopen-Protokolls reduziert wurde. Abweichende Bedürfnisse jedoch erforderten den Einbau abgewandelter Komponenten. Dank der MCU-basierten Drehgeber- Plattform lassen sich nun wahlweise unterschiedlichste Schnittstellen und Protokolle flexibel mit ein und demselben Sensor realisieren. So beispielsweise das CANopen-Protokoll, auf dessen Basis der Sensor zertifiziert ist. Und andererseits kundenspezifische Protokolle, die ganz auf die individuellen Anforderungen einzelner Anwendungen ausgerichtet sind. Von dieser Flexibilität profitieren namentlich international ausgerichtete Firmen, deren Produkte den Bedürfnissen der jeweiligen geografischen Region angepasst werden müssen. Diese Individualisierung lässt sich heute auf Basis einer flexiblen Drehgeber-Plattform realisieren, was die Kosten für kundenspezifische Ausführungen entscheidend reduziert.

Flexible Architektur und «In-Field-Programmierung»

Mit der Lancierung der Vert-X-Generation weisen magnetische Drehgeber jetzt Genauigkeitswerte auf, die bisher optischen Encodern vorbehalten waren. Darüber hinaus ermöglichen sie aufgrund ihrer flexiblen Architektur sowie der integrierten Prozessoreinheit eine kostengünstige Individualisierung hinsichtlich Kennlinien, Schnittstellen, Protokollen sowie spezifischen Kundenfunktionen. Darüber hinaus lassen sie sich den individuellen Gegebenheiten entsprechend kalibrieren. Werden diese Konfigurationsmassnahmen heute vorwiegend im Herstellerwerk ausgeführt, wird zukünftig eine so genannte «In-Field-Programmierung» möglich sein. Diese erlaubt beispielsweise das Laden neuer Firmware, die Vor-Ort-Konfiguration oder die Adaption des Drehgebers an spezifische Bedürfnisse. Ein weiterer Gewinn an Flexibilität steht folglich vor der Tür.