System-on-Chip-Vergleich Magnetisch vs. optisch

Die Winkelauflösung und Genauigkeit von magnetischen Positionsgebern mit Diametral-Magnet und zentrisch abtastendem Hall-Sensor-IC sind auf Grund der möglichen Interpolationstiefe und der verfügbaren Feldqualität begrenzt. Durch das Abtasten vieler Sinusperioden pro Umdrehung ist die Auflösung optischer Positionsgeber ungleich höher. Werden jedoch Polräder verwendet, lässt sich dieser Ansatz auch auf magnetische Systeme übertragen. Doch welches System ist besser?

Die Anforderungen, die an heutige absolute Positionssensoren bezüglich Messgenauigkeit, Baugröße und auch Kosten gestellt werden, unterscheiden sich oft deutlich. Vorteile ergeben sich nur dann, wenn passend zur gestellten Aufgabe eine geeignete Lösung gefunden wird. Die Klärung dieser Frage ist zeitaufwendig, weil neben der mechanischen Konstruktion besondere Sensoreigenschaften zu berücksichtigen sind, die ein Bauelemente-Datenblatt nicht widerspiegelt. Die Chipentwicklung integrierter Sensoren wiederum muss sich an der vorgegebenen Maßverkörperung orientieren oder entsprechende Anpassungsmöglichkeiten bieten.

Für optische Abtaster sind generell vorgesetzte Masken üblich, die das Fotodioden-Array geometrisch zuschneiden. Integrierte magnetische Hall-Encoder kennen diese Option jedoch nicht und müssen mit einem passenden Array aufwarten. Eine weitere Möglichkeit ist das Bestimmen der Maßverkörperung über das Chiplayout. Gefragt sind kleinere Abmessungen und hohe Leistung.

Zwei Drehgeber, zwei Systeme

In diesem Artikel werden der Hall-Chip iC-MU mit 18 bit Auflösung und der optische Abtaster iC-LNB im optoQFN-Gehäuse gegenübergestellt.

Der mehrkanalige optoelektronische Abtaster iC-LNB erfasst absolute Positionsdaten für lineare Wegmesssysteme oder Drehwinkelgeber (Bild 1). Die synchronisierte Abtastung eines 10-Bit-Binär-Codes zuzüglich einer analogen Signalspur, die per Echtzeit-Interpolation ausgewertet wird, ermöglicht eine hohe Winkelauflösung bei kleiner Codebreite. Die absolute und inkrementelle Ausgabeauflösung wird über die FlexCount-Arithmetik programmiert.

Die Codebreite beträgt 5,2 mm; so sind kleinere Code-Scheiben oder größere Hohlwellen-Durchmesser möglich. Als Lichtquelle dient die LED iC-SN85; die Beleuchtungsregelung und -überwachung übernimmt der Baustein selbst. Die Logikverarbeitung findet ebenfalls im iC-LNB statt; komplexere Aufgaben können vom bedienenden Mikrocontroller übernommen werden.

Als vollintegrierte Single-Chip-Lösung eignet sich der iC-MU zur Abtastung magnetischer Polscheiben, Polräder und Bänder für Motion-Control-Anwendungen wie für absolute Positionsgeber, Inkremental-Drehgeber und Kommutierungsgeber für kollektorlose Motoren (Bild 2).

Die Positionsdatenerfassung erfolgt in Echtzeit und wird sowohl über serielle Schnittstellen als auch als Inkrementalsignal weitergleitet. Auch hier ist mit Hilfe der FlexCount-Arithmetik die Impulszahl wählbar. Die passende magnetische Maßverkörperung des Hall-Sensors hat zwei Inkrementalspuren mit Polbreiten von ca. 1,28 mm. Die Polpaare sind auf einem magnetisierten Polymer oberhalb einer flachen Scheibe angeordnet; der Arbeitsabstand für eine planparallele Abtastung beträgt ca. 0,4 mm.

Der Baustein unterstützt Multi-Slave-Applikationen unter BiSS für eine Kettenschaltung mehrerer Positionsgeber mit taktsynchroner Datenerfassung. Gemessen werden in linearen Applikationen Wegstrecken von 40, 80 und 160 mm bei einer Positionsauflösung von etwa 160 nm. Für größere Distanzen können zwei Bausteine kaskadiert werden, wodurch sich die maximal mögliche absolute Wegstrecke um einen Faktor von 2 bis 64 verlängert.

Für beide Encoder wurden Sensorstrukturen gewählt, die ein kleines Bauelement ermöglichen, ohne dass dadurch Einbußen an der Messgenauigkeit entstehen (Bild 3). In den Bausteinen werden jedoch unterschiedliche Schaltungsansätze verfolgt, die dennoch gemeinsame Leistungsmerkmale bieten (Tabelle 1).

Neben der grundlegenden Systemwahl sind auch andere Entscheidungskriterien wie die Einsatzbedingungen und die geforderte Messgenauigkeit zu berücksichtigen. Die wichtigsten sensorspezifischen Parameter werden in Tabelle 2 gegenübergestellt.

  Optischer Positionsgeber iC-LNB Hall-Positionsgeber iC-MU
Auflösung
16/17/18 bit 18/19/20 bit
Kommutierungssignale über MCU UVW
Passende Polpaarzahl beliebig 1 bis 16
Max. Motordrehzahl (U/min) 12.000/6.000/3.000 24.000/12.000/6.000
Interpolation 8-bit-Vektor (80 ns) 2 x 12-bit-Vektor (160 ns)
ABZ-Ausgabe (CPR)

1 bis 16.384/32.768/ 65.536 FlexCount

1 bis 65.536 FlexCount
A/B-Flankenrate 80 ns 40 ns
Serielle Ausgabe Schieberegister, SSI, SPI BiSS, SSi, SPI
Sin-/Cos-Ausgabe (CPR) 1.024 16/32/64
Parallele Ausgabe 16 bit -
Controller-Schnittstelle SPI SPI
Konfiguration über MCU ext. EEPROM (I²C)
Versorgung 4 bis 5,5 V; ca. 15 mA 5 V; ca. 50 mA
Arbeitstemperatur - 40 bis  + 110 °C - 40 bis  + 110 °C
  Optische Abtastung
Magnetische Abtastung
Prinzip Codescheibe/Skala, Durchlichtanordnung Magnetband/Polrad/ Polscheibe gegenüber dem Sensor
Inkrementelle Genauigkeit der Maßverkörperung 100 mm bis 1 µm (Lithografieprozess) 5 bis 30 µm (Magnetisierungsprozess)
Anregung externe LED (Ptot ~ 20 mw)  
Typ. Signalpegel 30 nA bis1 µA 2 mV bei 20 kA/m, 10 mV bei 50 kA/m
Typ. Signalpegel Temperaturkoeffizient
-40 bis -80 % bei + 100 K Degradation des LED-Wirkungsgrads -60 % bei +100 K
Typ. Signal-Offset (bezogen auf die Signalamplitude)
50 % 25 bis 250 %
Signalfrequenz > 1 MHz möglich i.d.R. begrenzt auf < 50 kHz
Wesentliche Vorteile feiner Code, hohe Genauigkeit robust
Wesentliche Nachteile empfindlich für Kontamination, hohe Justageanforderungen grober Code, mittlere Genauigkeit

Bei fehlerfreier elektronischer Auswertung zeigen sich Pitch-Fehler der Maßverkörperung als absoluter Messfehler. Wird eine typische Magnetisierungsgenauigkeit von z.B. 15 µm mit einer Liniengenauigkeit einer optischen Code-Scheibe von z.B. 300 nm verglichen, ist der Unterschied deutlich. Mit Hilfe des Abtastradius kann auf den Winkelfehler umgerechnet werden: ca. 0,07° für das Magnetsystem; ca. 6,4 arcsec für das optische System - allerdings theoretisch. Es dominieren andere Fehlerquellen: Das optische System erreicht typisch 40 arcsec.

Die wesentlichen Vor- und Nachteile sind die Entscheidungskriterien für den Anwender. Hier spielt das Magnetsystem seine Stärken aus, darunter die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Staub, Öl und Feuchtigkeit, ein hoher Arbeitsabstand, der ein axiales Lagerspiel erlauben kann, und größere Anbautoleranzen, die wiederum die Montage erleichtern. Zudem ist eine flache Bauform möglich, weil das System ohne LED und Optik auskommt.

Für den Chip-Entwickler spielt das Sensorsignal bei der Schaltungsauslegung eine große Rolle. Der optische Sensor liest den Achsenwinkel über die durch die Code-Scheibe erzeugte Lichtverteilung und Intensität. Für einen guten Signalkontrast müssen Abbildungsfehler vermieden werden; geeignet sind daher spezielle Encoder-LEDs, die homogenes und kollimiertes Licht bieten. Erzeugt werden Fotoströme von ca. 200 nA, die bei einer Trans-impedanz von 1 MΩ immerhin Signalspannungen von 200 mV liefern.

Für den magnetischen Sensor sind die zum Chip vertikal verlaufenden Feldkomponenten interessant: Der Hall-Effekt liefert eine gerichtete Spannung - typischerweise wenige mV - in Abhängigkeit von der Ma-gnet-feldstärke in der Z-Richtung. Weil ein einzelnes Hall-Element nur den Abstand zum Magneten sieht, nehmen mehrere Elemente an verschiedenen Stellen das Z-Feld auf, so dass die Winkelinformation durch die Auswertung lokaler Gradienten ermittelt werden kann. Der Hall-Sensor muss das gekrümmte Nahfeld der magnetischen Maßverkörperung praktisch „fühlen“. Weil die Polarität der Hall-Spannung der Feldrichtung folgt, ist der magnetische Nordpol vom Südpol unterscheidbar und so eine absolute Winkelbestimmung innerhalb eines Polpaares möglich.

Aus dem Magnetfeld des Polrads können die Hall-Elemente aber bestenfalls 10 mV erzeugen. Um die Auflösung des optischen Systems zu erreichen, muss die Signalbandbreite eingeschränkt werden. Aus Gründen der Signalkonditionierung erfolgt die Auswertung der Hall-Elemente ohnehin mit einer festgelegten Abtastfrequenz und Filterung. Der Hall-Sensor verhält sich wie ein analoger Tiefpass mit einer Eckfrequenz von ca. 20 kHz. In der Praxis spielt die längere Signallaufzeit jedoch keine Rolle.

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