Skalierbare Encoder-Anwendung mit nur einem Chip

Autor / Redakteur: Silvan Ettle * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für eine hohe Messgenauigkeit kombiniert die Serie iC-PZ bewährte Analog- mit moderner Digitaltechnik. Ein Vorteil ist, der Encoder passt sich individuellen Durchmessern an.

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Skalierbarer Encoder: Mit der Serie iC-PZ kombiniert Hersteller iC-Haus bewährte Analog- mit Digitaltechnik.
Skalierbarer Encoder: Mit der Serie iC-PZ kombiniert Hersteller iC-Haus bewährte Analog- mit Digitaltechnik.
(Bild: iC-Haus)

Integrierte Encoder-Entwicklungen werden maßgeblich durch die hohen Anforderungen aus der Automatisierung und Robotik bestimmt. Dazu sind flexible Durchmesser für den Einsatz in unterschiedlichen Gelenken eines Roboterarms genauso wichtig, wie die einfache Montage in kompakten Bauräumen und Hohlwellen. Außerdem sind hohe Auflösungen sowie moderne Kommunikationskonzepte gefragt. Hier kombiniert iC-Haus mit seiner Serie iC-PZ die Vorteile des reflexiven Messverfahrens mit der aktuellen Digitaltechnik. Möglich sind hohe mechanische Toleranzen und die gewünschten geringen Aufbauhöhen bei einer hohen Messpräzision.

Der Einsatz der Encoder ist flexibel: Miniaturencoder, Hohlwelle oder Linearführung. Mit der zum Patent angemeldeten FlexCode-Technik lassen sich die Abmessungen der Maßverkörperung nahezu beliebig wählen. Ein speziell hierzu entwickelter Algorithmus stellt sicher, dass die aus der Projektion eines Pseudo-Random-Codes extrahierte absolute Postionsinformation bei individuellen Codelängen eindeutig interpretiert wird.

So lassen sich Messsysteme mit Scheibendurchmessern von wenigen Millimetern bis zu meterlangen Linearskalen mit nur zwei Chipvarianten der Serie iC-PZ realisieren. Die Designs mit FlexCode werden bei iC-Haus entwickelt, simuliert und in Form von CAD-Daten bereitgestellt. Eine optimierte Maßverkörperung aus Aluminium, Stahl, Glas, Polycarbonat oder anderen Basismaterialien lässt sich individuell fertigen. Viele unterschiedliche Prozesstechniken sind für die Herstellung der Maßverkörperung geeignet. So lassen sich die reflektierenden Code-Strukturen beispielsweise durch Ätzen, Lasern, oder lithographische Verfahren auf das Basismaterial applizieren.

Gleichbleibend hohe Messqualität

Auch bei der Montage ist die Serie flexibel. Der Sensor kann von ±0,5 mm (tangential), ±0,4 mm (radial) und ±2° (Verdrehung) relativ zur Maßverkörperung positioniert werden. Innerhalb des Arbeitsbereichs sorgen im Chip integrierte automatische Kalibrierfunktionen für eine gleichbleibend hohe Messqualität. Zusätzlich lässt sich die aufbaubedingte Exzentrizität einer Codescheibe vom Sensor ermitteln und weitgehend kompensieren. So wird dank der intelligenten Signalverarbeitung der Einfluss der Mechanik auf die Messgenauigkeit signifikant reduziert. Fertigungskosten sinken, während der Anwender von präzisen Messergebnissen profitiert.

Die Serie iC-PZ basiert auf einem Mixed-Signal-Halbleiter-Chip, der in CMOS-Technik gefertigt wird. Im Zentrum des hochintegrierten System-on-Chip (SoC) ist eine blaue LED montiert. Oberhalb bzw. unterhalb der LED befinden sich die optischen Sensorflächen, die mit Glas bedeckt plan abschließen. Die im Chip integrierte LED-Regelung ist auf die Empfindlichkeit der Fotodioden optimiert, sodass nicht nur die Lichtintensität, sondern auch die Signalgüte konstant bleibt. Durch dieses Zusammenspiel gewinnt das System zudem an Flexibilität in der Aufbauhöhe.

Der Luftspalt zwischen Sensor und Maßverkörperung kann um bis zu einen Millimeter variieren, ohne die Signalqualität dadurch zu beeinflussen. Das SoC im gemoldeten Standard QFN-Gehäuse arbeitet zuverlässig innerhalb einer Umgebungstemperatur von -40 bis 125 °C und eignet sich damit auch für thermisch anspruchsvolle Einsätze. Mit einer Kantenlänge von fünf Millimeter findet das quadratische Gehäuse in kompakten Bauräumen Platz und kann mit Standard SMD-Technik assembliert werden.

Stand-Alone oder Messverbund

Das Messsystem basiert auf zwei synchron abgetasteten optischen Kanälen. Die Projektion reflektierender Strukturen auf zwei Spuren der Maßverkörperung wird von den gegenüberliegenden Fotodioden erfasst. Die innere Spur auf der Scheibe liefert die absolute Positionsinformation als Pseudo-Random-Code. Mit äquidistanten Strichen auf der äußeren Spur wird ein inkrementelles Signal generiert. Der integrierte 14-Bit-Interpolator verrechnet beide Informationen zu einem hochauflösenden Positionswort. Die hohe Interpolierbarkeit ist den fein aufeinander abgestimmten Systemkomponenten und Funktionsblöcken zu verdanken. Eine Codescheibe mit einem Durchmesser von 26 mm wird mit rund 0,3'' aufgelöst. Linearsysteme mit der iC-PZ bieten eine Auflösung von bis zu 12,5 nm.

Auf drei konfigurierbaren Ports können verschiedene Schnittstellen parallel betrieben werden. Eine beliebige Kombination aus ABZ, Sin/Cos, UVW, SPI sowie BiSS/SSI ist möglich. Die jeweilige Konfiguration wird über Pins geschaltet, sodass grundsätzlich weder Design noch Hardware angepasst werden müssen. Das Positionsformat der seriellen Schnittstellen kann individuell eingestellt werden. Dank FlexCount-Technik ist zudem die Auflösung der Quadratursignale frei wählbar. Diese umfangreichen Konfigurationsmöglichkeiten eignen sich besonders für das Design unterschiedlicher Ausprägungen einer Produktfamilie mit den Vorteilen der Skalierbarkeit, von denen Entwicklung, Produktion und Logistik beim Encoder-Hersteller gleichermaßen profitieren.

Betriebszustände und Statusmeldungen überwachen

Die Encoder der Serie iC-PZ wurden vor allem durch die Automatisierung und Robotik getrieben. Hier kommt es auf flexible Durchmesser für die unterschiedlichen Gelenke des Roboters an.
Die Encoder der Serie iC-PZ wurden vor allem durch die Automatisierung und Robotik getrieben. Hier kommt es auf flexible Durchmesser für die unterschiedlichen Gelenke des Roboters an.
(Bild: Engineer studio/Shutterstock.com / iC-Haus)

Die Sensoren der Serie iC-PZ spielen auch im Verbund zusammen. Angeordnet in einer BiSS-Kette werden nicht nur synchron abgetastete Positionswerte zuverlässig und in Echtzeit bereitgestellt, selbst umfangreiche Diagnoseinformationen können in den BiSS-Stream integriert werden. So lassen sich Betriebszustände und Statusmeldungen bequem überwachen. Zusätzliche Informationen von externer Sensorik, wie beispielsweise Feuchte und Temperatur, können über den im iC-PZ integrierten I²C-Master abgefragt und an die übergeordnete Steuerung übermittelt werden.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 4/2021 (Download PDF)

Die Datenbasis für umfangreiches Condition Monitoring wird so direkt vom Sensor bereitgestellt. Zusätzliche Mikrocontroller oder FPGAs im Encoder, die speziell für diesen Zweck programmiert werden müssen, können entfallen.

* Silvan Ettle ist bei iC-Haus für Vertrieb und Applikation für Encodersysteme zuständig.

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