Drehgeber

Energieautarker Multiturn und Umdrehungszähler

04.08.2008 | Redakteur: Gerd Kucera

Kombiniert man das Messsystem eines Singleturngebers, welches die Position einer Welle von 0 bis 360° aufzeichnet, mit einem Umdrehungszähler, der die Menge der Umläufe addiert, erhält man einen Multiturngeber, der jederzeit die absolute Position der Welle kennt. attoSensor hat einen solchen Multiturn entwickelt. Er ist hochgenau und kommt ohne Akku oder Batterie aus.

Zum Einsatz in einem weiten Temperaturbereich bei harten Umgebungsbedingungen hat der Penzberger Sensorspezialist attoSensor einen energieautarken Profibus-DP-V2-Class-4-Multiturn-Drehgeber entwickelt. Das eigens für diesen Sensor geschriebene und patentierte Korrekturverfahren erzielt Genauigkeiten von 0,5 bis 1,0 LSB bei 12 Bit Auflösung (4096 Schritte).

Beim Umdrehungszähler handelt es sich um ein Messsystem, das keine Batterien, Akkumulatoren, Gold-Caps oder ein mechanisches Getriebe braucht. So ist es möglich, den Umdrehungszähler in einem Temperaturbereich von -40 bis 125°C einzusetzen. Der komplette Multiturn ist für einen Temperaturbereich von -35 bis 85°C spezifiziert. Ohne externe Spannungsversorgung behält der Umdrehungszähler nicht nur den letzten aktuellen Positionswert, sondern er erfasst auch ohne externe Spannungsversorgung die Wellenbewegungen.

Je nach Baugröße bis 40 Bit Auflösung

Es kann der Umdrehungszähler des Multiturn auch als Segmentzähler beispielsweise in Antrieben eingesetzt werden, während der Singleturn die Position innerhalb des Segmentes erfasst
Es kann der Umdrehungszähler des Multiturn auch als Segmentzähler beispielsweise in Antrieben eingesetzt werden, während der Singleturn die Position innerhalb des Segmentes erfasst

Mit dem Umdrehungszähler selber sind unabhängig von der Baugröße Auflösungen bis 40 Bit realisierbar. Entsprechend dem DP-V2-Encoderprofil ist der Profibus-Multiturn maximal mit einer 32 Bit breiten Position lieferbar, 12 oder 13 Bit entfallen dabei auf den Singleturn. Das einzige bewegte mechanische Element ist die Sensorwelle, die einen Dauermagneten trägt.

Bedingt durch den einfachen Aufbau arbeitet der Multiturn zuverlässig unter härtesten Umgebungsbedingungen mit hoher Genauigkeit, weshalb der Einsatz des Sensors beispielsweise in der Getränkeindustrie, der Fördertechnik, in Krane, Walzwerke und in der Luft- und Raumfahrt möglich ist.

Wie die nötige Energie im Multiturn entsteht

Als Sensorelement kommt der herstellereigene bipolare Wiegandsensor zum Einsatz, der sowohl die Zählimpulse als auch die notwendige Energie für die Auswerteelektronik erzeugt. Der Wiegandsensor besteht aus einer Spule, deren Kern ein Wieganddraht ist. Dieser Wieganddraht besitzt eine hartmagnetische Hülle und einen weichmagnetischen Kern. Aufgrund der Magnetostriktion (Deformation ferromagnetischer Stoffe in Abhängigkeit eines externen Feldes) kommt es trotz eines sich langsam ändernden externen Feldes zu einer schlagartigen Ummagnetisierung des weichmagnetischen Kerns, sobald des externe Feld eine bestimmte Schwelle überschritten hat.

Stromverbrauch beim Abfragen des Positionswertes

Im Multiturn wird das externe Feld durch den auf der Welle sitzenden Dauermagneten erzeugt. Auf diese Weise wird genügend Energie für die Zählimpulse und der Auswerteelektronik erzeugt. Der Stromverbrauch der Auswerteelektronik liegt bei 20 µA, wenn die Position nicht abgefragt wird. Bei Abfrage der Position mit einem Takt von 100 kHz bis 1 MHz über eine I2C-Schnittstelle liegt der Stromverbrauch bei 50 bis 200 µA. Weil die Abfrage der Position nur mit externer Energie möglich ist, ist dieser Stromverbrauch nicht kritisch. Damit der Wiegandsensor arbeiten kann, muss für wechselnde magnetische Pole gesorgt werden.

Wie erwähnt arbeitet der Multiturn mit einem Dauermagnet, damit ergeben sich Polwechsel über eine halbe Umdrehung. Diese halben Umdrehungen werden durch den Umdrehungszähler erfasst. Erhöht man die Anzahl der magnetischen Pole sind aber auch höhere Zählumfänge pro Umdrehung möglich. Damit kann dann der Umdrehungszähler als Segmentzähler beispielsweise in Antrieben eingesetzt werden, während ein Singleturn die Position innerhalb des Segmentes erfasst. Das im Bild gezeigte Beispiel ist ein Segmentzähler für einen Antrieb mit drei Segmenten.

Schnittstellen des Multiturngebers

Neben einer CANopen- und einer SSI-kompatiblen ASSI-Schnittstelle wird der Multiturn mit einem Profibus-DP-V2-Class-4-Interface angeboten, das die Spezifikation „Profile for DP-V2 Encoders V3.2“ erfüllt. Der zyklische Datenaustausch ist wie gewohnt als Data Exchange, als Data Exchange Broadcast (Querverkehr) und/oder im Isochronmode möglich.

Auf den azyklischen DP-V1-Services setzt das PROFIdrive-Parameterkanalprotokoll als Highlevel-Protokoll auf. Über den Parameterkanal kann man auf drehgeberspezifische Parameter und Identifizierungs-/Wartungsparameter als IM0-Block zugreifen. Auf diese Weise lassen sich Alarme und Warnungen lesen und der Preset-Wert auch schreiben. Und zusätzlich zur Standarddiagnose existiert eine kanalbezogene Diagnose sowie Fehlermeldungen in einem Bereich der zyklisch ausgetauschten Daten. Skalierbare Parameter sind unter anderem die Drehgeberauflösung, der Drehgebermessbereich, die maximal zulässigen Masterlebenszeichenfehler, die Drehzahleinheit und die Isochronmode-Parameter.

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