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

Genauigkeit der Winkelmessung

In die Genauigkeit der Winkelmessung gehen folgende Hauptfaktoren ein:

  • polrad-spezifische Abweichungen, etwa die Pollänge oder die absolute Abweichung,
  • Montage-Toleranzen, wie die Lage des ICs zum Polrad oder auf der Platine,
  • Bauteil-Toleranzen wie die Verdrehung des Chips im Gehäuse oder Auswerte-Toleranzen.

Die absolute Winkelgenauigkeit bei Ferrit-Polrädern liegt bei 0,15°; aufgrund unsymmetrischer Magnetisierung kann die Pollänge um 1 % abweichen. Bei der Montage muss mit Toleranzen wie axialer, radialer oder tangentialer Verschiebung gerechnet werden. Unkritisch sind dabei alle Faktoren, die einen gleichbleibenden Einfluss auf die Flussdichte haben, da die Verstärkerregelung dies kompensiert.

Kritisch dagegen sind Montage-Toleranzen, die die Sinus- und Cosinus-Kurven unsymmetrisch machen, etwa durch eine Unwucht oder eine Neigung zur Parallelachse. Bei der Montage des Hall-Sensor- ICs auf der Platine kann es zu Verdrehungen oder Versatz beim Löten kommen. Dies trifft auch für den Chip im Gehäuse zu. Die maximalen Toleranzen liegen hier bei einem Versatz von max. ±0,2 mm zur Gehäusemitte und für die Drehung bei maximal ±3°. Bei der Platzierung des iC-ML ist zu berücksichtigen, dass sich die Hall-Sensoren 0,7 mm von der Chipmitte entfernt auf der Längsachse befinden.

Auswertung und Schnittstellen

Für einen flexiblen Einsatz in verschiedenen Anwendungen wurde der iC-ML für 28 verschiedene Betriebsarten ausgelegt. Diese werden mit drei Anschlüssen und einer nachgeschalteten „Tri State“-Eingangslogik ausgewählt. Die wesentlichen Optionen sind:

  • Inkremental-Betrieb (zwölf verschiedene Varianten mit ABSignal und Nullimpuls),
  • Zähl-Betrieb (binäre Up/Down-Zählung),
  • Analog-Betrieb Sinus/Cosinus,
  • Analog-Betrieb mit 180°-Sägezahn- und 360°-Dreiecksignal.

Bild 6 zeigt die einfache parallele Schnittstelle zu einem Mikrocontroller oder einer Steuerung. Nach dem Einschalten gibt der iC-ML die Anzahl von Taktimpulsen aus, die der absoluten Position der Magnetperiode entsprechen. Dies erfolgt in maximal 612 µs. Die Zeit ist durch den internen Messzyklus und den Taktgenerator auf dem Chip vorgegeben.

Das Signal „NCLR“ wird bei jeder Nullposition aktiv auf „Low“ gesetzt. Bei hochauflösenden inkrementalen Wegmessungen mit Polrad lässt sich das Signal zur Überlaufzählung einsetzen. Die Festlegung des Polrad-Nullpunktes kann entweder durch eine zweite Magnetspur mit einem weiteren iC-ML oder über einen Absolut-Winkel-Encoder auf der Achse erreicht werden. Hierfür kann z.B. der iC-MA mit einem Drehmagneten auf der Achse eingesetzt werden. Er liefert dann für die 360° mit einer 8-bit-Auflösung den Nullimpuls für das Gesamtsystem. Der iC-MA ist für Drehzahlen bis 60 000 U/min ausgelegt.

Für den iC-ML ist die Lineargeschwindigkeit mit maximal 5 m/s spezifiziert, dieser löst die 5,12 mm in 256 Schritten zu 20 µm auf. Für ein Polrad mit 30 Polpaaren und einem Umfang von 153,6 mm ergibt sich daraus die maximal zulässige Drehzahl von knapp 2000 U/min. Mit zunehmender Anzahl von Polpaaren nimmt diese umgekehrt proportional ab. Die absolute Genauigkeit wird im Wesentlichen bestimmt von den Toleranzen des Polrades, der Mechanik und durch den Aufbau.

 

Der Autor:

Dr. David Lin
studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Berlin und promovierte dort über GaAs-Solarzellen. Seit 2004 arbeitet er bei iCHaus in Bodenheim als Applikations- und Vertriebsingenieur und unterstützt Kunden für die Produktbereiche magnetische Sensoren, Leitungstreiber und IO-Bausteine.
david.lin@ichaus.de