Encodertechnik vom Feinsten

Durch ihre flache Bauweise sind bürstenlose Motoren in vielen Anwendungen genau der richtige Antrieb. Wenn dann noch ein integrierter Encoder mit Auflösung bis 6400 Impulse Drehzahl und Winkelposition genau auswertet, schafft dieses mechatronische System die Grundlage für präzise Drehbewegungen.


MAX ERICK BUSSE-GRAWITZ,

DR. VOLKER SCHWARZ 

 

 

„Der Encoder für die bürstenlosen Motoren verdient die Prädikate klein, robust und genau“, sagen die Antriebsexperten von Maxon Motor zu ihrem „MILE“ (Maxon’s Inductive Little Encoder). Schließlich ist er sicher vor Einflüssen wie EMI, Staub oder Öl, und nicht zuletzt ist er immun gegenüber Störungen durch magnetische Felder. Dadurch ist er besonders geeignet für den Einsatz in elektronisch kommutierten Flachmotoren. Die Schweizer sind von dem kleinen Encoder überzeugt: „Der induktive Mikro-Drehgeber ist ein Meilenstein in der Encodertechnologie.“ Um sich diese Lorbeeren zu verdienen, haben die Maxon-Ingenieure auch einiges an Entwicklungsarbeit investiert.


Was steckt dahinter? Dreh- und Weggeber sind nützliche Präzisionsinstrumente, aber sie sind wie alle Präzisionsinstrumente sehr heikel. Mit optischen Drehgebern lassen sich heute Präzisionen im Nanometerbereich erlangen. Allerdings sind sie sehr empfindlich gegen alles, was den Lichtstrahl stört: Staub, Wasser, Öle und deren Dämpfe, Smog und Reif. Diese Herausforderungen sind durchaus lösbar, erfordern aber kostentreibende Abdichtungen.


Auf der anderen Seite werden magnetische Encoder angeboten für industrielle Anwendungen in rauen Umgebungsbedingungen. Je nach Aufbau kommen sie mit Schmutz und Wasser gut zurecht. Beim Einbau in einen Motor kommt aber ihr größter Schwachpunkt zu Tage: Sie reagieren empfindlich auf Magnetfelder. Sowohl bei magnetoresistiven (MR) wie auch bei Hall- Sensor-basierten Encodern gibt es inzwischen Kompensationsmaßnahmen, mit denen homogene Gleichfelder gut auskorrigiert werden können. Allerdings greift das bei stark inhomogenen Wechselfeldern zu kurz. Solche Felder treten gerne in der direkten Umgebung der Motorzuleitungen und insbesondere in der Umgebung von Stator und Rotor bei bürstenlosen (elektronisch kommutierten EC) Flachmotoren auf. Auf Abschirmungen muss in den meisten Fällen aus Platz- und Kostengründen verzichtet werden. „Aber mit diesen Störfeldern müssen wir nicht leben“, haben sich die Maxon-Ingenieure gesagt und sich auf kapazitive oder induktive Prinzipien konzentriert. Kapazitive Encoder sind empfindlich gegenüber Einkopplungen von Störfeldern, die sich aus der pulsweiten-modulierten (PWM) Motoransteuerung ergeben. Entweder brauchen sie eine spezielle Erdung und Abschirmung oder sie verwenden ein im Wesentlichen transmissives Sensorprinzip, welches für den Einbau in EC-Flachmotoren nicht gut geeignet ist. Deshalb hat Maxon sich auf die Entwicklung von stark miniaturisierten Induktivgebern konzentriert. Das Resultat ist der MILE-Encoder, „der weltkleinste induktive Drehgeber“, so die stolzen Entwickler.

 

Wie funktionieren induktive Encoder?


Induktive Encoder im Allgemeinen beruhen darauf, dass sich die Induktivität von einer oder mehreren Spulen in Abhängigkeit von zugebrachtem Material ändert. Beispielsweise könnte ein halbkreisförmiger Eisenkern, der die Maßverkörperung darstellt, an einer Spule vorbeigeführt werden, die dann ihre Induktivität ändert. Diese könnte zum Beispiel als Resonanzfrequenz eines LC Oszillators ausgemessen werden. Andere Implementationen sehen differentielle Aufbauten vor oder messen statt der Induktivität (die stark abstandsabhängig ist) die Gegeninduktivität einer Mehrspulenanordnung.


Trotz aller Maßnahmen zur Signalverbesserung, einfache induktive Encoder haben eine Reihe von Nachteilen: Die Temperaturabhängigkeit des verwendeten Weicheisens/Ferrits erfordert Kompensationsmaßnahmen. Externe Magnetfelder können die Permeabilität des verwendeten Materials ändern, schon weit unter der Sättigungsgrenze. Eisen- oder ferrithaltige induktive Encoder sind also robuster gegen Magnetfelder als magnetische Encoder, aber bei starken Feldern steigen auch induktive Encoder aus oder ändern ihre Eigenschaften. Sie sind von daher ohne Zusatzmaßnahmen nicht für feine Interpolation geeignet. Aus diesem Grund sind präzisere Induktivencoder eisenlos. Der Kontrast wird mit Wirbelströmen erzeugt.

 

Der besondere Encoder


Der MILE ist ein induktiver Encoder, bei dem der Kontrast mit Wirbelströmen erzeugt wird: die Maßverkörperung besteht aus einer Struktur aus nicht magnetischem, gut leitendem Metall, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Wird eine solche Struktur mit einem Hochfrequenzfeld bestrahlt, wird das Feld nicht weit eindringen können. Die durch das Feld induzierten Wirbelströme bilden ein Gegenfeld und so bleibt das Feld an der Oberfläche stehen (Skin-Effekt); die Feldlinien müssen sich einen anderen Weg suchen. Auf diese Art wird ein Kontrast zwischen Luft und Metall erzeugt. Damit die nötige Metallfläche nicht zu dick ausfällt, und damit auch bei einem stark miniaturisierten System genug Signal bleibt, wurde eine Anregungsfrequenz im MHz Bereich gewählt. Diese Frequenz erlaubt einerseits den Einsatz von dünnen Kupferschichten (100 μm sind ausreichend), andererseits operiert das System jenseits der üblichen PWM-Frequenzen und lässt sich damit selbst von sehr starken PWM-Signalen nur unwesentlich stören.


Um die Abhängigkeiten von den wichtigsten ungewollten Einflussgrößen Systemtemperatur und Abstand der Zielscheibe stark zu reduzieren, wurde ein doppelt differentieller Aufbau gewählt. Die grün gezeichnete Anregungsspule (Grafik) wird mit einem Wechselstrom gespeist. Sie bildet mit den innenliegenden Spulen einen Transformator. Die beiden innen liegenden Spulenpaare sind antiseriell verschaltet. Da der Aufbau symmetrisch ist, heben sich die zu erwartenden Spannungen der Einzelspulen auf: keine Zielscheibe, kein Signal. Wird jetzt eine Zielscheibe mit einem Strichbild ähnlich einem optischen Encoder (in der Grafik semitransparent eingezeichnet) linear über den Aufbau geführt, so dass ein Spulenpaar innerhalb einer Strichperiode einmal abgedeckt und einmal frei ist, wird sich an den Eingängen der Differenzverstärker eine messbare Spannung einstellen. Je nachdem, wie die Zielscheibe steht, werden die Amplitude und die Phase dieser Spannung variieren. Das System verhält sich damit wie ein Resolver.


Das resultierende Signal wird auf die übliche Art demoduliert und interpoliert; der Sensor bildet aus dem Sinus- und dem Cosinusspulenpaar einen Arcustangens und wandelt ihn dann in Inkrementalpulse um. Für jeden gefertigten Sensor ist der Interpolationsfaktor, d.h. die Anzahl Inkrementalimpulse pro Periode des Arcustangens, in vier Stufen (4x, 8x, 16x, 32x) individuell konfigurierbar. Dadurch ergeben sich vier verfügbare Encoderauflösungen pro Motordurchmesser. Für den EC 90 flat sind sogar zwei Varianten der Zielscheibe erhältlich, so dass außer der üblichen Reihe „binärer“ Auflösungen auch eine „dezimale“ Variante mit bis zu 6 400 Impulsen pro Umdrehung zur Verfügung steht.


Die Ausgangssignale stehen differentiell zur Verfügung. Bei den kleineren Flachmotoren (EC 45 flat, EC 60 flat) beträgt der maximale Ausgangsstrom pro Kanal 4 mA – beim EC 90 flat wurde zusätzlich ein RS422 Line Driver realisiert, so dass hier Ströme bis 20 mA pro Kanal zulässig sind.


Der MILE-Sensor ist in einem 3,2 x 2.7 x 0,4 mm kleinen Chip enthalten. Für den Einsatz in Flachmotoren wird der Chip in ein SMD-Gehäuse eingebaut, so dass die Leiterplatten in Standardprozessen bestückbar sind.

 

Einsatz, wo der Platz knapp ist


Die kompakte Bauweise des MILE-Encoders prädestiniert den Sensor für alle Anwendungen mit beschränkten Platzverhältnissen und der Forderung nach einem präzise geregelten Antrieb. Dies trifft zu auf Anwendungen aus der Robotik (Gelenkarme), bei optischen Messsystemen (Rotationslaser), in Antrieben für Schiebetüren oder in der Industrieautomation. Besonders hervorzuheben ist, dass die magnetfeld- und schmutzunempfindliche MILE-Technologie im Flachmotor ohne weitere Schutzmaßnahmen eingesetzt werden kann. Dabei sind die erreichbaren Auflösungen und in vielen Fällen auch die Genauigkeit vergleichbar mit konkurrierenden optischen oder magnetischen Technologien – die sich aber nicht so tief und ohne Bauraumerhöhung in den Flachmotor integrieren lassen.

www.maxonmotor.com

 

Beitrag aus [me] 3/2015

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