Der Switch von der Optik zur Magnetik

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Magnetische Drehgeber sind auf der Überholspur. Mit einer elektronischen Auflösung von 16 Bit punkten sie bei Präzisionseinsätzen, die bis dato als Domäne für hochauflösende optische Systeme galten. Wie es zu dieser Entwicklung kommt. › von Jörg Paulus

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Magnetische Drehgeber sind auf der Überholspur. Mit einer elektronischen Auflösung von 16 Bit punkten sie bei Präzisionseinsätzen, die bis dato als Domäne für hochauflösende optische Systeme galten. Wie es zu dieser Entwicklung kommt. › von Jörg Paulus

Drehgeber wandeln eine Drehbewegung in ein Signal um. Dabei kommen in der Regel entweder optische oder magnetische Messprinzipien zum Einsatz. Optische Drehgeber messen genauer, magnetische sind robuster – so die landläufige Meinung. Lange galten optische Geber als ‚Benchmark’ für Genauigkeit und Auflösung. Die Winkelmessung innerhalb einer Umdrehung (Singleturn) erfolgt hier mittels Codescheibe und eines optischen Chips zur Bewegungserkennung, während die Anzahl der Umdrehungen (Multiturn) durch ein optisch abgetastetes Getriebe, vereinzelt auch durch Batterie gepufferte Systeme, erfasst wird.

Erst die Weiterentwicklung der magnetischen Sensorzellen (Hall-Sensoren) und immer leistungsstärkere Mikrocontroller – gepaart mit intelligenter Signalverarbeitung – ebneten den Weg zu magnetischen Absolutwertgebern, die auf höchstem Niveau operieren. Problemlos erreichen sie eine Auflösung von 16 Bit bei einer Genauigkeit von 0,09 Grad – und damit Werte, mit denen früher nur optische Geber aufwarten konnten.

Dank ihrer Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeit, Schmutz und Vibrationen, aber auch aufgrund der deutlich kompakteren Bauweise bieten sich die neuen, hochpräzisen magnetischen Encoder in immer mehr Anwendungen als kostengünstige Alternative zu klassischen optischen Drehgebern an.

Multiturn – aber batterielos

Ein Unternehmen, das bei dem Systemwechsel vorne mit dabei ist, ist der Kölner Sensorhersteller Posital, der bereits vor Jahren mit der Suche nach Alternativen für die absolute Positionserfassung begonnen hatte. Kostengünstige magnetische Singleturn-Drehgeber, bei denen ein Hall-Sensor und ein Permanentmagnet die Winkelposition der Welle messen, waren schon länger aus der Automobiltechnik bekannt. Allerdings fehlte diesen magnetischen Gebern noch die Fähigkeit, mehrere Umdrehungen auch bei Unterbrechung der externen Spannungsversorgung zu erfassen.

Posital hat dieses Problem mit Hilfe einer Wiegand-Sensorik gelöst, die als Energy-Harvesting-System ausgelegt ist. Herzstück des winzigen Wiegand-Sensors, der auf eine Fingerkuppe passt, ist ein magnetischer Draht aus speziell behandelten Vicalloy-Material – mit sehr ungewöhnlichen Eigenschaften: Der nur 15 Millimeter lange Wiegand-Draht, der sich entlang einer Richtung magnetisiert, ist eingebettet in eine Kupferspule und reagiert auf das Magnetfeld des rotierenden Permanentmagnets.

Kommt es hier zu Positions- beziehungsweise Richtungswechseln, erzeugt der Wiegand-Draht energiereiche Spannungsimpulse – und das unmittelbar und unabhängig von der Geschwindigkeit der Drehbewegung. Der so erzeugte Impuls liefert mit 7 Volt genug Spannung, um den Rotationszähler und die dazu gehörige Elektronik zu aktivieren. Dieses bestens bewährte Prinzip garantiert absolute Multiturn-Positionsmessungen – ganz ohne Batterien und völlig wartungsfrei.

Algorithmen als Schlüssel

Ein weiterer Clou der hochgenauen magnetischen Drehgeber der Reihe IXARC ist die intelligente Verarbeitung der über die Sensorik bereitgestellten Signale. Gebündelt und ausgewertet werden die analogen Singleturn-Signale der vier Hall-Sensoren sowie die Multiturn-Daten aus dem Wiegand-Sensor in einem 32-Bit-Mikroprozessor.

Dabei ist die Hardware nicht das Spezielle an der Lösung, sondern die auf dem Hightech-Chip hinterlegte Software. Erst aufwändige Filtertechniken und innovative Algorithmen, die vom Posital-IT- und F&E-Teams in mehrjähriger Projektarbeit entwickelt wurden, ermöglichen die hohe Genauigkeit und sorgen für präzise Kalibrierung der magnetischen Drehgeber. Mit einer Updaterate der Position von weniger als 100 Mikrosekunden Zykluszeit arbeiten die magnetischen Absolut-Drehgeber in Echtzeit – und sind so bestens für zeitkritische Anwendungen wie hochdynamische Positionieraufgaben oder Motorfeedback gerüstet.

Breites Anwendungsspektrum

Bemerkenswert an den magnetischen ­Gebern ist zudem ihre Störsicherheit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen. Über spezielle Abschirmmechanismen können mögliche EMV-Störungen sicher verhindert werden. Selbst neben elektronischen Bremsen am Motor funktionieren sie störungsfrei und sicher.

Das Anwendungsspektrum der magnetischen Geber ist breit gestreut – typisch für Anbaudrehgeber, die fast überall zum Einsatz kommen. Es reicht von der Fabrikautomation und Robotik, über mobile Maschinen, der Lager- und Fördertechnik bis hin in den Bereich der erneuerbaren Energien. Weitere Anwendungen finden sich in der Öl- und Gasindustrie sowie in der Medizintechnik. Um für möglichst viele Anwendungen fit zu sein, wurde in die passenden Schnittstellen investiert. Aktuell können alle marktgängigen Interfaces bedient werden: Von Profibus, Canopen, Devicenet, J1939, Ethercat, Ethernet/IP und Profinet. Auch Powerlink, Modbus und Ethernet sowie die synchronserielle Schnittstelle SSI oder analoge Signalübertragung sind umsetzbar.

Die Resonanz auf die IXARC-Anbaudrehgeber war so positiv, dass Posital entschied, das entsprechende Know–how auch für den Motorfeed-Markt zu nutzen. Ende 2016 fiel der Startschuss für den Roll-Out der magnetischen Kit-Encoder. Mit ein paar Handgriffen lassen sich die montagefreundlichen Einbausätze schnell und sicher in Servomotoren integrieren. Die neuen magnetischen Kits eröffnen den Herstellern von Motoren ganz neue Möglichkeiten. Sie schließen die Lücke zwischen klassischen Resolvern und den deutlich aufwändigeren und teureren optischen Systemen – und setzen die technologische Wachablösung auch in diesem Segment fort. jbi ‹

Jörg Paulus ist General Manager Sales Europe bei Posital-Fraba in Köln.

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