antriebstechnik 9/2022

DREHGEBER TITEL 01

DREHGEBER TITEL 01 Drehgeber wandeln eine Rotationsbewegung in ein Signal um. Dabei kommen verschiedene Messsysteme zum Einsatz. Seit den 1970er Jahren 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 erfasst wird. Erst die Weiterentwicklung magnetischer Sensorzellen (Hall- Sensoren) und das Aufkommen immer leistungsstärkerer Mikrocontroller, gepaart mit Rechenpower und cleverer Signalverarbeitung, ebneten in den letzten gut zehn Jahren den Weg zu magnetischen Absolutgebern. Problemlos erreichen sie eine Auflösung von 17 Bit bei einer Genauigkeit von 0,09 °. Diese Werte waren bis dahin optischen Gebern vorbehalten. Dank ihrer Robustheit, ihrer kompakten Bauweise und den niedrigen Kosten sind die hochpräzisen magnetischen Encoder längst eine feste Größe in immer mehr High Performance-Applikationen. RECHENPOWER ALS GAMECHANGER 01 Die Wiegand Sensoren generieren Impulse aus einem sich verändernden magnetischen Feld, die zum Energy Harvesting genutzt werden 02 Durch Wegfall des bei optischen Drehgebern für die Multiturnerfassung notwendigen Getriebesystems lässt sich die Größe und das Gewicht beim 16-Bit Absolutwertgeber der magnetischen IXARC-Serie um bis zu 50 Prozent reduzieren 03 Integriertes Motorfeedback: Mit wenigen Handgriffen und ein paar Schrauben sind die 36 mm-Kits schnell und sicher in einem Servomotor montiert Preiswerte magnetische Singleturn-Geber, bei denen ein Hall- Sensor und ein Permanentmagnet die Winkelposition der Welle messen, waren zuerst aus der Automobiltechnik bekannt. Diesen magnetischen Gebern fehlte noch die Fähigkeit, mehrere Umdrehungen auch bei Unterbrechung der externen Spannungsversorgung zu erfassen. Dieses Problem löste Posital mit Hilfe einer Wiegand-Sensorik, die als Energy Harvesting-System ausgelegt ist. Herzstück des winzigen Wiegand Sensors, der auf eine Fingerkuppe passt, ist ein haarfeiner Draht aus einem speziell behandelten Vicalloy, der über außergewöhnliche ferromagnetischen Eigenschaften verfügt. Der in eine Kupferspule eingebettete 15 mm kurze Wiegand- Draht, der sich entlang einer Richtung magnetisiert, reagiert auf das sich verändernde Magnetfeld des auf der Welle rotierenden Permanentmagnets. Jede Rotation quittiert der Wiegand-Draht mit einem abrupten Polaritätswechsel, der einen Spannungsimpuls auslöst – und das unabhängig von der Geschwindigkeit der Drehbewegung. Der Impuls erzeugt mit 190 nJ genug Energie, um den elektronischen Rotationszähler zu aktivieren und Bewegungen der Welle auch im stromlosen Zustand zu erfassen. Die bestens bewährten Wiegand-Sensoren, von denen Posital jährlich mehrere Hunderttausend Exemplare als SMD-bestückbare Bauteile fertigt, garantieren absolute Multiturn-Erfassung, ganz ohne wartungsintensive Batterien oder sperrige optische Getriebe. Ende 2013 startete Posital die hochgenaue magnetische IXARC-Serie für den Anbaudrehgeber-Bereich und entwickelte sie zu einem modularen Baukasten-System mit mehreren Hunderttausend einsatzspezifischen Varianten. Die Besonderheit bei IXARC ist die intelligente Verarbeitung der über die Sensorik bereitgestellten magnetischen Signale. Ausgewertet werden die Singleturn-Signale der vier Hall-Sensoren sowie die Multiturn- Daten aus dem Wiegand-System in einem leistungsstarken 32-Bit-Mikroprozessor. Immer kompaktere und leistungsfähigere Mikro-Chips ebneten den Weg, doch am Ende war es die auf der Hardware hinterlegte Software, die den Durchbruch in Sachen Präzision brachte. Neben der Rechenpower kitzelten die vom Posital-F&E-Team in Eigenregie entwickelten Algorithmen und Filtertechnologien aus den Basissignalen der magnetischen Hall- Sensoren die enorm hohe Genauigkeit hervor, die für Präzisionseinsätze notwendig ist. Mit einer Updaterate der Position von weniger als 100 µs Zykluszeit arbeiten die magnetischen Absolut- Geber in Echtzeit und sind so bestens für zeitkritische Anwendungen wie hochdynamische Positionieraufgaben gerüstet. MAGNETISCHE KITS FÜR MOTORFEEDBACK Die IXARC-Anbaudrehgeber waren erfolgreich und so entschied Posital, das erarbeitete Know-how auch für den boomenden Motorfeedback-Markt zu adaptieren. Ende 2016 fiel der Startschuss für die ersten magnetischen Encoder, die sich als einbaufertige Montage-Kits unmittelbar in Elektromotoren integrieren ließen. Gelauncht wurde eine Kit Encoder-Baureihe, deren kompaktes Elektronikpaket (mit Hall-Sensoren, Mikrocontroller und Wiegand-Sensor für den energieautarken Multiturn-Betrieb) auf einer Platine von nur 36 mm Durchmesser verbaut ist. Die 36er- Kits eröffneten den Herstellern von Servo- und Schrittmotoren neue Möglichkeiten: Die kompakten Kits schlossen die Lücke zwischen klassischen Resolvern, die auf Singleturn beschränkt sind und den deutlich aufwändigeren und teureren optischen Systemen. Rasch vollzogen immer mehr OEMs den Switch von optischen zu magnetischen Kit-Lösungen. Kosten waren dabei 12 antriebstechnik 2022/09 www.antriebstechnik.de

TITEL DREHGEBER 02 03 ein entscheidender Faktor, denn optische Feedback-Systeme in Servomotoren können bis zu 50 % der Gesamtkosten ausmachen. Wie bei den IXARC-Anbaudrehgebern erweist sich auch bei den 36er-Kits die kontaktfreie magnetische Messtechnik als echtes Plus. Die Kits verfügen, anders als optische Systeme mit Codescheiben und Getrieben, über keine mechanisch bewegten Teile, was sie vibrations- und stoßresistent macht. Während optische Einbausätze reinraumähnliche Montagebedingungen erfordern, sind magnetische Kits unempfindlich gegen Schmutz und Feuchtigkeit. Sie können unter normalen Fabrikbedingungen montiert werden. Ein paar Schrauben reichen – und das System, bestehend aus dem Elektronikpaket und einem kleinen, am Ende der Motorwelle befestigten Permanentmagnet, ist einsatzbereit. Der integrierten elektronischen Kalibrierfunktion genügt es, die Motorwelle drei Sekunden lang mit konstanter Geschwindigkeit zu drehen. Dabei werden die für jedes System individuellen Parameter erfasst und in der Software hinterlegt. WELTWEIT KLEINSTER MULTITURN-ENCODER Posital sorgte mit weiteren Miniaturisierungen dafür, das magnetische Know-how auch für das wachsende Segment der Miniantriebe nutzbar zu machen. Ende 2020 erfolgte der Start der 22 mm-Kits, die als weltweit kleinste Kit Encoder den Weg ebneten für Multiturn-Feedback in Kleinstmotoren. In diesem Segment fehlte eine schlankbauende Technologie zur Überwachung der nachlaufenden Welle im stromlosen Zustand komplett. Kleinstantriebe waren allenfalls mit Inkremental-Systemen ausgestattet, die auf Referenzfahrten angewiesen waren. Hier punkten die Mini- Kits, die wie ihr großer Bruder, das 36 mm-Kit, für eine lückenlose Erfassung der Positionswerte sorgen, ganz ohne Batterien. Schlüssel für den Erfolg der Mini-Kits war die Verkleinerung des Einbauraums um zwei Drittel (bei gleicher Performance) gegen über der 36 mm-Serie. Um dieses Ziel zu erreichen waren intensive Anpassungen und Updates notwendig. Eine geschickte Platzierung der Hall-Sensoren, des 32-Bit-Mikroprozessors und ein neues Stecker- und Platinendesign sorgten für ein deutlich kompakteres Elektronikpaket. Die größte Herausforderung war, das detektierbare Magnetfeld für den Wiegand Sensor auf die reduzierte Größe des Mini-Kits einzustellen. Das gelang auch dank der großen Erfahrung, die Posital sich in Jahren der Forschung und Fertigung mit der Wiegand-Technik erworben hat. Die Multiturn-Kits für Miniantriebe, deren Beta-Tests bei namhaften Motorherstellern liefen, werden aktuell in Aachen gefertigt. Dort sind die F&E-Aktivitäten von Posital gebündelt und auch das Kompetenz-Zentrum für Wiegand-Technologie ist dort ansässig. Die Nachfrage nach den Mini-Kits ist so stark, dass der Switch von einer halb- auf eine vollautomatische Fertigung ge- plant wird. Ins Spiel kommt dabei das neue Werk in Malaysia, das seit Frühjahr 2022 in Betrieb ist und auf die skalierbare Fertigung von Serienprodukten in hoher Stückzahl ausgelegt ist. Bilder: Posital www.posital.de DIE IDEE „Moderne Magnetik hat sich als neuer Standard bei Encodern für Single- wie Multiturn-Einsätze durchgesetzt. Dem Anwender beschert der Switch von Optik zu Magnetik mehrere Vorteile, darunter hohe Robustheit, kleinere Baugröße und geringere Kosten. Für eine echte Win-Win-Situation in magnetischen Multiturn-Encodern sorgt die energieautarke Wiegand-Technik, die Batterien und Getriebe obsolet macht. Was State-of-the-Art-Magnetik leisten kann, hat sich beim Launch der 22 mm-Kit Encoder gezeigt, die OEMs die Möglichkeit einräumt, ihre Kleinstantriebe erstmalig mit voll umfänglicher Multiturn-Überwachung anzubieten.“ Jörg Paulus, General Manager, Europe, Posital GmbH, Köln www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2022/09 13