Optimierte Nonius-Berechnung für ein besseres Motor-Feedback

| Autor / Redakteur: Joachim Quasdorf * / Gerd Kucera

Der Baustein MNF zur Positionsauswertung mit Nonius-Berechnung kann simultan drei Kanäle innerhalb 2,3 µs digitaliseren (14-Bit-Sin/D-Interpolation).
Der Baustein MNF zur Positionsauswertung mit Nonius-Berechnung kann simultan drei Kanäle innerhalb 2,3 µs digitaliseren (14-Bit-Sin/D-Interpolation). (Bild: iC-Haus)

Zur Winkel- und Drehzahlerfassung bestimmen im Motor-Feedback die Eigenschaften Auflösung, Signalamplitude, Klirrfaktor und Jitter des Encoders die Präzision des Antriebs. Mit dem jetzt optimierten EncoderBlue-Abtastverfahren wird das Motor-Feedback deutlich verbessert.

Die Interpolation analoger Sinussignale ist als Standard-Auswertefunktion bei Positionssensoren im Motor-Feedback elektrischer Antriebstechnik inzwischen unverzichtbar geworden. Auch die Auswertung mehrerer inkrementeller Nonius-Skalen zur Errechnung der absoluten Position ist in modernen Gebersystemen des Motor-Feedback bekannte Praxis.

Beleuchtet man die Nonius-Skalen jedoch mit blauem Licht und tastet sie mit entsprechend optimierten Sensoren ab, dann sind Messsysteme mit höherer differenzieller Genauigkeit möglich – und aufgrund eines neuen SAR-Wandlers werden sogar höhere Auflösungen in kürzeren Messzeiten erreicht.

Leistungsstarke System-on-Chip-Designs auf CMOS-Basis mit integrierten Sensoren, beispielsweise mit Fotodioden oder Hall-Elementen, sind für Positionsgeber bereits seit über 25 Jahren im Einsatz. Klassischerweise werden Gray- oder Binärcodes von einer durchleuchteten Codescheibe mit vielen parallelen Spuren abgelesen, was aufgrund der radialen Codebreite eine großvolumige Beleuchtungseinrichtung erfordert.

Der zur Verfügung stehende Bauraum ist in der Regel jedoch knapp, mindestens aber so kostbar, das kleiner bauende Abtastungen gewünscht wurden – dies war bereits vor Jahren eine wesentliche Motivation zur Entwicklung alternativer Lösungen mit Abtast-ICs für Nonius-Codescheiben. Ähnlich wie beim Messschieber ist die Ablesegenauigkeit höher, wenn mehrere räumlich versetzte Skalen abgelesen werden.

So funktioniert die verbesserte Nonius-Methode

Einen präzisen Ablesewert durch den Vergleich einer Haupt- und einer Teilskala zu generieren, hilft nicht nur dem menschlichen Auge. Das Prinzip ist vollständig auf elektronische Sensoren übertragbar und kann die Abtastung mehrerer aufgereihter digitaler Spuren vermeiden.

Für eine feine Grundauflösung unterscheidet auch die Nonius-Auswertung Teilungsperioden, verwendet dafür aber weitere Sinussignale anstelle digitaler Absolutcodes. Der Maßverkörperung genügen damit drei an Stelle von bisher mindestens 12 Spuren – Sensor, LED und Linse passen jetzt in viel kleinere Gerätebauformen, die neue Anwendungsfelder erschließen können.

Gleichzeitig liefern die aktiven Photosensor-Arrays der Baureihen iC-PN oder iC-PNH hysteresefreie und klirrarme Sinussignale in HiFi-Qualität. Dies ermöglicht eine feinere Interpolation, sodass die Nonius-Auswertung auf einer reduzierten Anzahl von Teilungsperioden basieren kann.

Dabei bieten die iC-PNH-Arrays noch eine Besonderheit: zwei dazwischenliegende Sektor-Sensoren detektieren den Scheibenwinkel in einer groben Auflösung von nur 90°. Vergleichbar mit einem Multiturn-Sensor, der Umdrehungen von 360° indiziert, werden hier halbe Umdrehungen sowie deren Richtung angezeigt. Der Vorteil: zugunsten der Störfestigkeit kann eine grobe Nonius-Skala beibehalten werden, die sich nach 180° wiederholt und dennoch die Auflösung um 1 Bit steigert (siehe Tabelle).

Warum blaues Licht die Struktur schärfer abbildet

Die kürzere Wellenlänge und Eindringtiefe der Photonen verbessert wesentliche Eigenschaften des optischen Sensors, zum Beispiel die Signalamplitude, den Jitter sowie den Klirrfaktor. Dabei kommen Effekte moderner Technologien verstärkend zusammen: Blaues Licht weist bei gleicher Spaltbreite eine verringerte Beugung gegenüber langwelligem Licht auf und kann deshalb schärfer abbilden.

Moderne Silizium-Halbleiterprozesse ermöglichen feinere und flachere Strukturen, die der geringeren Eindringtiefe des blauen Lichts entgegenkommen und den Wirkungsgrad verbessern. Feine Strukturbreiten wiederum erlauben ein verschachteltes Layout von Fotodioden, mit denen die Chips der Baureihen iC-PN und iC-PNH Sinus- und Cosinus-Signale mit relativ geringem Offset erzeugen (Bild 2). Gleichzeitig wird in einer flächentreuen Transformation der Randkurven ein hoher Füllfaktor für die lichtempfindlichen Bereiche erzielt.

Blaue LEDs sind die Basis für weiße Strahler, die eine extrem hohe Nachfrage der Automobilindustrie und Beleuchtungstechnik erfahren. Heute sind temperatur- und langzeitstabile blaue LEDs erhältlich, die die bisher in Encodern verwendeten IR-LEDs und roten LEDs quasi in den Schatten stellen, weil sie diese bezüglich Lichtausbeute oder Effizienz übertreffen und zudem bereits preiswerter sind.

Als zwangsläufiges Ergebnis des technologischen Fortschritts sowohl bei der LED- als auch in der CMOS-Technologie können optische Positionsabtastungen in besonderem Maße profitieren. Deshalb hat iC-Haus diverse Chips der iC-PN- und iC-PNH-Arrays speziell für blaues Licht optimiert und die Integrationsplattform für derartige Encoder mit dem Markennamen EncoderBlue belegt.

Bereits frühe Phased-Array-Sensoren mussten sich bezüglich des Klirrfaktors gegen konventionell aufgebaute Sinusgeber mit Glasblende beweisen; Grenzwerte von 0,5% THD wurden mit IR-LEDs unterboten. Heute ermöglichen blaue LEDs einen Quantensprung auf Verzerrungen unter 0,1% (Bild 3), was bei elektrischen Antrieben günstig für die Regelgüte ist.

Durch die optimierte Phased-Array-Struktur genügt den Nonius-Sensoren eine minimale Abtastfläche von nur 1,9 mm x 3,1 mm, um beispielsweise bis zu 2048 Sinus-Perioden von Codescheiben mit 26 mm, 33 mm, oder 39 mm Durchmesser zu erzeugen (beziehungsweise bei 18 mm bis 256 Perioden). Das blaue Licht erhöht den Kontrast bei geringerem Rauschen und der bessere Wirkungsgrad reduziert die Stromaufnahme im optischen System.

Durch die kleine Sensor-Abtastfläche und die erhöhte Lichtausbeute reduziert sich der Energiebedarf für die erforderliche blaue LED. Als Betriebsstrom genügen in der Regel 1 bis 6 mA aus einer 5-V-Spannungsversorgung. Dies verbessert die LED-Lebensdauer besonders bei hohen Einsatztemperaturen in Motoranwendungen.

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