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Sensoren und Signalverarbeitung auf dem Chip integriert: Hochauflösende Dreh-und Winkelmessung mit Hall-Sensoren

Die Verwendung von linearen Hall-Sensoren/Drehgebern mit Polrädern bietet neue Möglichkeiten für einen kostengünstigen Aufbau von hochauflösenden Winkel- und Wegmess-Systemen. Die Kombination von Hallsensoren für lineare und rotierende Bewegungen ergänzen sich hier ideal für Absolut-Messungen und ermöglichen Winkelauflösungen von 0,05 Grad und weniger.

Inkrementale Weg- und Winkelmessung haben ein weites Anwendungsfeld in Industrie und Automation. Heute sind hier überwiegend optische Messsysteme im Einsatz. Wegen der gegebenen Baugrößen und Kosten wird jedoch oft der Wunsch nach Alternativen wach. Neben dem Druck, die Auflösung ständig zu verbessern, wachsen auch gleichzeitig die Forderungen nach mehr Robustheit und höheren Betriebstemperaturen. Die Anwender setzen dabei verstärkt auf magnetische Messverfahren. Der Hall-Effekt wird im Automobil- und Messgeräte-Bereich häufig genutzt. Meist handelt es sich dabei um einzelne Hall-Sensoren, die als Schalter, Pulsgeber oder Sensoren arbeiten.

Durch die Integration von Hall-Sensoren und Encoder auf einem Chip ist der Aufbau kostengünstiger Systeme möglich. Die Verwendung von mehreren Hall-Sensoren auf einem Chip ermöglicht eine störsichere Signalverarbeitung und die Darstellung der Winkel- und Weginformation als Sinus- und Cosinus-Sensor-Signale.

Für rotierende Systeme eignen sich hier integrierte Drehgeber-ICs wie der iC-MA. Hier sind alle Funktionen zur Erfassung und Auswertung eines außerhalb des Bauelements angeordneten Permanentmagneten verfügbar. Neu ist die Anwendung von integrierten Hall-Sensoren mit Encoder für lineare Wegmess- Systeme. Beim iC-ML wurden alle Funktionen zusammen mit den Hall-Sensoren auf einem Chip integriert. Anstelle eines einzelnen Permanentmagneten wird ein Magnetband verwendet, das eine periodische Magnetisierung als Maßverkörperung erhält.

Anordnung der Hall-Sensoren für Winkel- bzw. Wegmessung Bildquelle: © iC-Haus

Bild 1. Anordnung der Hall-Sensoren für Winkel- bzw. Wegmessung. Die Hall-Sensoren für den Winkelmess-Sensor iC-MA (a) sind kreisförmig, die des Linearweg-Sensor-ICs iC-ML (b) linear angeordnet.

Linear oder rotierend – oder beides?

Während der Anwender mit diskreten, einzelnen Hall-Sensoren die Einbaulage festlegen kann, ist bei einer integrierten Lösung die geometrische Anordnung der Hall-Sensoren vorgegeben (Bild 1).

Zur Erfassung einer rotierende Bewegung wird ein diametral magnetisierter Permanent-Magnet verwendet; dieser erzeugt in der Sensor- Ebene ein Magnetfeld, das periodisch mit der Rotation variiert. Daher liegen die Sensoren auf einem Kreis verteilt; durch Differenzbildung der Signale von jeweils gegenüberliegenden Hall- Sensoren ergeben sich Sinus- und Cosinus-Komponenten des einwirkenden Magnetfeldes. So sind beim iC-MA (Chip-Größe 1,94 mm × 2,74 mm) die Hall-Sensoren kreisförmig auf einem Durchmesser von 2 mm angeordnet.

Ebenso wie bei der rotatorischen Magnetfeld-Erfassung die Winkellage der Hall-Sensoren im 90°-Abstand die Aufspaltung in Sinus- und Cosinus-Komponenten des Magnetfeldsignals erlaubt, legt der Sensor-Abstand bei einer linearen Anordnung die Periode des Magnetbandes fest.

Beim iC-ML entspricht der Sensor-Abstand von 1,28 mm einer 90°-Phasenverschiebung des magnetischen Signals, sofern ein entsprechendes Magnetband mit einer magnetischen Periode von 5,12 mm (2,56 mm Polabstand) verwendet wird. Der Polabstand bestimmt im Wesentlichen auch die Chipgröße von 4,4 mm Länge und 1,9 mm Breite. Die Hall- Sensoren sind entlang der Längsseite des Chips mit einem Abstand von 0,7 mm von der Mitte angebracht. Innerhalb einer magnetischen Periode ist die Rotations- bzw. Positionsbestimmung absolut. Der iC-MA und der iC-ML erlauben neben der analogen Signalausgabe Inkrementalsignale mit Auflösungen von 6, 7 und 8 bit pro Periode.

Bei linearen Systemen kann zur Bestimmung der Absolut-Position über mehrere Magnetperioden hinweg alternativ eine weitere Magnetspur eingerichtet werden, auf der sich im einfachsten Fall eine Nullpunktmarkierung befindet, die mit einem diskreten Hall-Sensor erfasst wird. Nachteilig ist, dass nach einem Systemausfall beim Wiedereinschalten der Nullpunkt wieder angefahren werden muss. Ist hingegen die Magnetspur als Noniusspur ausgeführt, d.h. mit geringfügig längerer Polteilung ausgestattet, so kann mit einem zweiten iC-ML und einem Nonius- Auswertebaustein iC-MN eine Absolut-Positionserfassung eingerichtet werden.