28.09.2006 | Redakteur: (ku)
Kontaktlose und dadurch verschleißfreie Encoder sind als Positionsgeber immer beliebter, etwa in Antrieben und Fahrzeugen, als Bedienelement, als Poti-Ersatz, zur Pumpen-Durchflusskontrolle oder zur...
Kontaktlose und dadurch verschleißfreie Encoder sind als Positionsgeber immer beliebter, etwa in Antrieben und Fahrzeugen, als Bedienelement, als Poti-Ersatz, zur Pumpen-Durchflusskontrolle oder zur DC-Motor-Kommutierung. Mikrocontroller übernehmen in den Anwendungen die Steuerungsaufgaben. Ist aber Hochleistung gefordert, dann sind besondere Belastungen des Controllers durch die Encoder-Auswertung zu vermeiden. Hier hilft der Zusatzbaustein iC-NQ, dessen Einsatz im Beitrag skizziert wird. Möglichkeiten zum Anschluss des Encoders an den Mikrocontroller gibt es viele, und zwar in Abhängigkeit der vom Sensor zur Verfügung gestellten Signalform. Sinussignale mit mV-Amplitude sind typisch für MR-Winkelsensoren, integrierte Hall-Winkelsensoren bieten dagegen eine ganze Palette von Ausgangssignalformen: etwa Analogsignale als Sinus und Cosinus, Analogsignale als Sägezahn oder Dreieck zzgl. Referenzspannung, digitale Zählersignale für Takt und Zählrichtung, digitale Zählersignale mit Inkrement- und Dekrementimpulsen, digitale Quadratursignale mit Phasenversatz und nicht zuletzt digitalisierter Winkelwert.Die Winkelinformation der Achse bzw. des Magneten wird beim Hallsensor durch Feldvektoren aufgenommen, die nicht linear verlaufende und temperatur-abhängige Messspannungen entstehen lassen, aus denen zunächst korrigierte Sinussignale gebildet werden. Die angebotenen linear verlaufenden Ausgangsspannungen entstehen durch A/D- und nachfolgend D/A-Umsetzung, um dann auf Seite des Mikrocontrollers erneut eine A/D-Wandlung zu durchlaufen – ein moderner Ansatz, der bezahlt werden möchte (in Bild 1Heftausgabe der obere Weg). Zu rechtfertigen ist diese Vorgehensweise im Mischbetrieb mit weiteren Sensoren, die den A/D-Wandler im Mikrocontroller bereits erzwingen.Deutliche Entlastung für den MikrocontrollerEinen kürzeren Weg können die digital angebotenen Ausgangssignale nehmen (in Bild 1 Heftausgabe unten zu sehen). In der Mehrzahl sind dies allerdings Inkrementalsignale, denen ein Zähler in Echtzeit folgen muss – kein Problem, wenn der Mikrocontroller über die geeignete Peripherie verfügt. Am Hallsensor iC-MA kann der Mikrocontroller zusätzlich einen Enable-Pin bedienen, woraufhin der Baustein den Stromsparmodus verlässt und die bis zur aktuellen Winkelposition erforderlichen Impulse erneut ausgibt – die absolute Winkelposition wird in Inkrementen übertragen.Für Hochleistungsanwendungen, die eine Belastung des Mikrocontrollers durch die Encoder-Auswertung vermeiden müssen, bieten synchron-serielle Schnittstellen die Alternative zur Übertragung der bereits digitalisierten Winkelwerte. Die hierfür übliche SSI- oder BiSS-Encoder-Schnittstelle kann der Mikrocontroller zum Beispiel über eine freie SPI-Schnittstelle bedienen. Das Konzept nach Bild 2 (s. Printausgabe) arbeitet ähnlich, jedoch ist hier der parametrierbare Sinus-Digital-Wandler-Baustein iC-NQ zwischengeschaltet, um feinste Auflösungen anzubieten. Der externe Wandler iC-NQ übernimmt die Signalkonditionierung bezüglich Vorverstärkung, Offset- und Amplituden-Kalibrierung, korrigiert etwaige Phasenfehler und setzt die analogen Sinus-/Cosinus-Signale des Sensors in Echtzeit um. Der Mikrocontroller übernimmt den digitalisierten Winkelwert über die schnelle serielle BiSS-Schnittstelle, was prinzipiell alle 4 µs erneut möglich wäre. Eine langsamere Übertragung im SSI-Protokoll ist ebenfalls möglich, mit Zyklen von rd. 25 µs.
Nicht flüchtige Speicher für Einstellungen sind unnötigBei diesem Ansatz ist von Vorteil, dass der Mikrocontroller keinen eigenen A/D-Wandler hoher Auflösung benötigt. Wird das BiSS-Protokoll komplett implementiert – ein Programmbeispiel für Mikrochip-PIC-Controller liefert iC-Haus als IP-Modul unter kostenfreier Lizenz – kann der Mikrocontroller bidirektional agieren und dem Wandler nach dem Einschalten die erforderlichen Einstellparameter übertragen. Nicht flüchtige Speicher für Konfigurationseinstellungen sind auf der Sensorseite überflüssig.Die vorgestellte Anordnung kann eine absolute Winkelgenauigkeit von 0,2° bieten, mit durchschnittlicher Magnetqualität und einer zugelassenen Fehllage der Achse von 2/10 mm sind typischerweise Winkelfehler unter 1° erreichbar.
Joachim Quasdorf
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