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SP S IPC DRIVES 2016 I SPE C IAL Der Lückenschließer Neuer Kit-Encoder als Alternative zu Resolvern und optischer Abtasttechnik Dr. Michael Löken Auf der SPS IPC Drives in Nürnberg geht ein magnetisches Positionsgeber-Kit-System für Servomotoren an den Start, das mit einer Auflösung von 17 Bit und hoher Robustheit aufwartet. Die neuen Kit-Encoder schließen die Performance-Lücke zu aufwendigeren optischen Abtastsystemen. Zugleich liefern sie den Herstellern von Drehstrommotoren eine leistungsstarke Alternative zu klassischen Resolvern, die über eine analoge Schnittstelle verfügen und nur eine einzelne Umdrehung erfassen können. D ie technologische Basis der neuen Einbau-Kits, die sich ohne großen Aufwand mit ein paar Handgriffen in Servomotoren montieren lassen, bilden die hochauflösenden magnetischen Anbau-Drehgeber der Ixarc-Serie des Sensorherstellers Posital. Sie sind seit 2013 auf dem Markt und haben sich aufgrund der 16-Bit-Auflösung und einer Genauigkeit von 0,09° rasch als Alternative zu den bei Präzisionseinsätzen traditionell gesetzten Sensoren mit Optoelektronik etabliert. Während bei optischen Drehgebern die Winkelmessung mithilfe einer Codescheibe und einem optischen Chip erfolgt und die Erfassung der Anzahl von Umdrehungen (Multiturn) durch ein optisch abgetastetes Getriebe, vereinzelt auch durch Batteriegepufferte Systeme, stattfindet, zeichnen sich die magnetischen Ixarc-Geber durch bestechende Einfachheit aus. Neue Alternative bei Motor-Feedback Bei den Drehgebern messen Hall-Sensoren und ein Permanentmagnet die Winkelposition der Welle. Leistungsstarke 32-Bit-Mikrocontroller – gepaart mit intelligenter SignalverDr. Michael Löken ist Leiter Forschung & Entwicklung bei der Fraba/Posital GmbH in Köln 38 antriebstechnik 11/2016 arbeitung – ebneten den Weg zu magnetischen Absolutwertgebern, die auf einem hohen Niveau operieren. Die Fähigkeit, mehrere Umdrehungen (Multiturn) auch bei Unterbrechung der externen Spannungsversorgung zu erfassen, wurde den Gebern mithilfe der von Posital weltweit vermarkteten „Wiegand-Wire“-Technologie antrainiert. Der speziell gefertigte magnetische Draht wirkt als Energy-HarvestingSystem. Er erzeugt, unabhängig von der Geschwindigkeit einer Drehbewegung, energiereiche Spannungsimpulse und versorgt so die Zählelektronik für Multi-TurnDrehgeber energieautark – und das völlig batterielos. Entscheidend für den Durchbruch der magnetischen Ixarc-Sensoren waren Filtertechniken und aufwändige mathematische Algorithmen, die von Positals firmeneigenem IT-Team für die Hightech-Chips entwickelt wurden. Erst sie sorgten für eine präzise Kalibrierung und garantierten die Genauigkeit der magnetischen 16-Bit-Encoder-Serie. Mit einer Updaterate der Position von weniger als 32 µs Zykluszeit arbeiten sie in Echtzeit und sind für zeitkritische Messaufgaben wie Motor-Feedback geeignet. „Was wir bei den Anbaudrehgebern mit großem Engagement und viel Aufwand entwickelt haben, können wir jetzt als Kit beziehungsweise Bausatz-Lösung auch Motorherstellern problemlos an die Hand geben“, so Christian Leeser, Mehrheitsgesellschafter und CEO der Fraba-Gruppe, zu der auch Posital gehört. „Mit unseren Kits schaffen wir ein völlig neues Produkt, das zwischen den marktgängigen Resolvern und den optischen Abtastsystemen positioniert ist.“ Durch neue Filteralgorithmen bei der Signalverarbeitung wurden die Latenzzeiten noch einmal im Verhältnis zu den Anbaugebern reduziert, sodass auch bei hochdynamischen Motoranwendungen eine präzise Motorsteuerung möglich ist. Die magnetischen Motor-Feedback-Kits sind etwas teurer als die leistungsschwächeren Resolver. Diese Systeme verfügen i. d. R. über eine Performance (bis zu 23-Bit-Auflösung), die in der praktischen Anwendung häufig nicht benötigt wird – aber bezahlt werden muss. Leistungsstarker 32-Bit-Mikroprozessor Die neuen Kit-Encoder von Posital kombinieren Präzision, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit. Verfügbar sind sie in zwei Ausführungen: Als absolute multiturnfähige Sensorsysteme warten sie mit einer elektronischen Auflösung von 17 Bit bzw. bei der MultiturnPositionsmessung mit einem Bereich von mehr als einer Millionen Umdrehungen auf. Eine zweite Variante bietet eine kombinierte Ausgabe von Inkremental- und Kommutierungssignalen (UVW) mit bis zu 16 384 Impulsen pro Umdrehung (PPR). Zu den Komponenten der neuen Kit-Encoder gehören ein Elektronikpaket, das auf einer kompakten Platine (Durchmesser: 35 mm) untergebracht ist, sowie ein kleiner Permanentmagnet, der am Ende der Motorwelle befestigt werden kann. Das Elektronikpaket umfasst vier HallSensoren, einen leistungsstarken 32-BitMikroprozessor und einen energie-autark über das Wiegand-System betriebenen Rotationszähler. Das Energy-HarvestingSystem basiert auf dem bereits seit 2005 bewährten Wiegand-Effekt und macht komplexe Getriebesysteme, wie sie oft bei optischen Motor-Feedback-Kits verbaut sind, und Batterien überflüssig. Dies sorgt für Wartungsfreiheit der magnetischen Kit-Encoder. Weniger staub- und feuchtigkeitsanfällig Da die kontaktfreie Messtechnik von Posital – anders als optische Systeme mit Codescheiben und aufwendigen Getrieben – über keine beweglichen Teile verfügt, erweist sie sich als stoß- und vibrationsresistent. Während eine Vielzahl der marktüblichen optischen Einbau-Kits mit pro-prietären Schnittstellen aufwarten, die eine direkte Abhängigkeit des Motorkunden vom Drehgeberhersteller erzeugen, hat Posital bei der Auslegung der Kit-Encoder bewusst einen anderen Weg eingeschlagen. Die neuen Einbausätze sind mit verschiedenen herstellerneutralen Kommunikationsschnittstellen wie BISS oder SSI für absolute Messungen sowie UVW und ABZ für Kommutierungs- und Inkrementalgeber erhältlich. Zusätzlich können Protokolle 01 Platine mit Hall-Sensoren und 32-Bit-Mikrochip 02 Die Abbildung zeigt einen Kit-Steuerkasten auf Basis der RS 485-Schnittstelle implementiert werden. Während optische Kit-Encoder üblicherweise reinraumähnliche Montagebedingungen erfordern, sind Magnet-Encoder von Posital weniger staub- und feuchtigkeitsanfällig. Problemlos können sie daher unter normalen Fabrikbedingungen montiert werden. Eine integrierte automatische Kalibrierungsfunktion macht den Einsatz komplexer Technik überflüssig: Beim elektronischen Produkttest kann der Encoder an einen kleinen Kit-Steuerkasten angeschlossen werden. Beim Rotieren der Welle korrigiert das automatische Kalibrierungssystem kleine Fehlausrichtungen von Welle und Elektronikpaket. Mit dem Kit-Steuerkasten lassen sich außerdem wichtige Leistungsparameter wie die gewünschte Impulsanzahl pro Umdrehung programmieren, ohne die mechanischen oder elektronischen Komponenten ändern zu müssen. Dies vergrößert zusätzlich das Einsatzspektrum der Inkremental-Encoder. Die integrierte Software der neuen KitEncoder, die für einen Temperaturbereich von - 40 bis + 105 °C ausgelegt sind, überwacht zudem den Zustand des Elektronikpakets und sendet während der kompletten Einsatz- bzw. Lebenszeit des Encoders diagnostische Signale. www.posital.com Besonderheiten der magnetischen Kit-Encoder auf einen Blick n Absolute Multiturn- und Inkrementalschnittstelle n Keine Verschleißteile wie Getriebe und Batterien/wartungsfrei n Keine beweglichen Bauteile und kompaktes Design n Staub- und feuchtigkeitsresistent n Hohe Stoß- und Vibrationsresistenz, robust n Einfache digitale und nicht-proprietäre serielle Schnittstellen n Preiswerter als absolute optische Gebersysteme bzw. verbesserte technische Performance im Vergleich zu gängigen Resolversystemen
