Trends bei den Technologien für Motor-Encoder

Nicht nur in der Robotik, sondern auch in anderen Anwendungen muss die Position des mechanischen Systems stets bekannt sein auch bei einem Stromausfall. Zu den wichtigsten Faktoren, die bei herkömmlichen Robotern, Cobots und anderen automatisierten Fertigungsanlagen zu Mehrkosten und Effizienzeinbußen führen, gehört das unvermeidliche Zurückkehren in die Grundstellung und das erneute Initialisieren, wenn es bei laufendem Betrieb zu einem Stromausfall gekommen ist. Der von Analog Devices [1] entwickelte magnetische Multiturn Speicher [2] benötigt keine externe Stromversorgung, um die Zahl der Drehungen eines externen Magnetfelds aufzuzeichnen, und sorgt damit für kleinere Systemabmessungen und niedrigere Kosten.

AMR-Encoder

Während Halleffekt Sensoren auf die Intensität eines Magnetfelds reagieren, sprechen AMR-Sensoren (auf Basis des anistropen magnetoresistiven Effekts) auf Änderungen der Richtung eines Magnetfelds an. Dies hat den Vorteil, dass sie sehr tolerant gegenüber der Breite des Luftspalts und den mechanischen Toleranzen im System sind. Außerdem gibt es bei ihnen keine Obergrenze für die Stärke des Magnetfelds, und nicht zuletzt ist auch ihre Unempfindlichkeit gegenüber Streufeldern groß, solange das Magnetfeld ausreichend stark ist.

Mit dem ADA4571 steht ein latenzarmer AMR Sensor mit integrierter Signalverarbeitung zur Verfügung, der ein massebezogenes analoges Ausgangssignal ausgibt. Eine Ein Chip Lösung (Bild 4) ergibt eine Winkelgenauigkeit von typisch 0,10 und eignet sich für Drehzahlen bis zu 50 000 min−1. Die zweikanalige Version ADA4571-2 sorgt für vollständige Redundanz in sicherheitskritischen Anwendungen, während der ADA4570 bei gleicher Leistungsfähigkeit ein differenzielles Ausgangssignal liefert und sich damit für rauere Umgebungsbedingungen anbietet. Die hohe Winkel und Wiederholgenauigkeit der ADA457x Familie sorgt für verbesserte Regeleigenschaften und verringert die Drehmomentwelligkeit und Geräuschentwicklung der Motoren. Die Ein Chip Architektur verbessert die Zuverlässigkeit, reduziert den Platzbedarf und das Gewicht. Nicht zuletzt ist die Integration einfacher als bei konkurrierenden Technologien.

Der zweikanalige, simultan abtastende 16-bit-SAR-ADC AD7380 bietet Pluspunkte auf Systemebene. Sein Gehäuse misst nur 3 mm × 3 mm, und sein Durchsatz von 4 MSPS garantiert, dass detaillierte Sinus und Cosinussignale erfasst werden und die Encoder-Positionsangabenstets aktuell sind. Außerdem ist auf diese Weise ein chipinternes Oversampling möglich, wodurch sich der zeitliche Mehraufwand verringert, wenn digitale Asics oder Mikrocontroller die exakte Encoderposition an den Motor weitergeben. Ein weiterer Vorteil des chipinternen Oversamplings ist, dass die Auflösung mithilfe des in den Chip integrierten ResolutionBoost-Features um 2 bit angehoben werden kann [3].

Der RS-485 Transceiver ADM3066E zeichnet sichsender und empfängerseitig durch niedrige Skew Werte aus und eignet sich deshalb ideal für die Übertragung des präzisen Taktsignals, das von Motorencoder Normen wie etwa EnDat 2.2 [4] oftmals verlangt wird. Erwiesenermaßen kommt der ADM3065E bei den in Motorregelungs Anwendungen üblichen Kabellängen auf einen deterministischen Jitter von weniger als 5 %. In Anwendungen, die mit einer Auflösung von 12 bit oder weniger auskommen, kommt als Alternative zum ADC AD7380 auch ein Mikrocontroller mit integriertem A/D Wandler infrage, wie etwa der Arm Cortex M4F Mikrocontroller MAX32672.

Für Zustandsüberwachungs Aufgaben eignet sich der ADXL371, ein 3 Achsen MEMS Beschleunigungssensor mit äußerst geringem Stromverbrauch, digitalem Ausgang, einem Messbereich von ±200 g und einer Stromaufnahme von nur 1,7 µA im Instant on Modus. Sobald er einen Stoß registriert, dessen Stärke den interneingestellten Grenzwert überschreitet, wechselt dieser Baustein so schnell in die normale Betriebsart, dass das Ereignis noch aufgezeichnet werden kann. Der hochgenaue digitale Temperatursensor ADT7320 kommt ohne anwenderseitige Kalibrier und Korrekturmaßnahmen aus und überzeugt durch hervorragende Langzeit Stabilität und Zuverlässigkeit.