Motorsteuerung in Industrieanwendungen
Punktsieg für duale induktive Positionssensoren
Das Herzstück vieler moderner Maschinen ist mindestens ein Motor. Dessen Leistung hängt maßgeblich von der präzisen Steuerung und Positionserfassung des Motors ab. Hier ist eine immer genauere Sensortechnik nötig. Doch welche Sensoren eignen sich eigentlich für den Einsatz in Industrieanwendungen?
Von Alessandro Maggioni, Senior Regional Marketing Manager EMEA bei Onsemi
Werfen wir zunächst einen Blick auf die Eigenschaften und die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Sensortechnologien zur Motor-Positionserfassung.
Encoder/Drehgeber
Magnetische und optische Encoder machen sich die Beziehung zwischen Positionsänderungen des Motors und seiner Drehzahl zunutze.
Es gibt verschiedene Arten magnetischer Encoder, die jedoch alle auf Variationen desselben Phänomens beruhen: Ein Motor ist stets mit einem oder mehreren Magneten ausgestattet. Wenn sich diese Magnete relativ zu einem Magnetdetektor bewegen, ändert sich das Magnetfeld proportional zu ihrer relativen Bewegung.
Die Auflösung der verschiedenen Arten magnetischer Encoder variiert und kann in einigen Fällen recht niedrig sein und nur ein paar hundert Impulse pro Umdrehung (PPR) betragen. Eine höhere Genauigkeit hängt von einer präzisen Fertigung ab. Größe und Gewicht variieren je nach Typ, und auch extreme Temperaturen können einen Einfluss ausüben. Ein Nachteil magnetischer Sensoren ist, dass sie in Anwendungen, die elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind, unzuverlässig oder gar unbrauchbar werden.
Optische Encoder hingegen erfassen Lichtimpulse. Ein einfacher Einsatz besteht darin, einen Motor mit einem scheibenförmigen Gitter auszustatten. Fotodioden erkennen Lichtimpulse auf oder durch das Gitter, während es sich dreht (die Folge der Lichtimpulse bildet den »Code«, daher der Begriff »optischer Encoder«). Diese Technik bestimmt sowohl die Drehzahl als auch die Position des Motors.
Optische Encoder sind unempfindlich gegenüber Magnetfeldern. Sie bieten eine hohe Auflösung und eine gute Genauigkeit, aber ihre Leistungsfähigkeit hängt von einer sorgfältigen Installation ab. Optische Encoder können leicht durch Umgebungseinflüsse wie Schmutz, Ruß oder sogar Feuchtigkeit beeinträchtigt werden. Auch extreme Temperaturschwankungen führen zu Problemen. Diese Sensoren unterstützen hohe Drehzahlen auf Kosten der Genauigkeit, die entsprechend mehr kostet.
Induktive Sensoren
Eine weitere Art von Sensoren, die in Verbindung mit Motoren verwendet wird, sind induktive Sensoren. Während Induktionssensoren tatsächlich auf Magneten basieren, messen sie keine Änderungen im Magnetfeld, sondern den Strom – anhand des induzierten Stroms. Der Magnetdetektor erfasst die Drehung von Zahnrädern. Wenn die Zähne des Zahnrads den Sensor passieren, entsteht ein variierender Fluss, der im Sensor eine proportionale Spannung induziert. Die Spannung lässt sich mit der Drehzahl und der Drehrichtung korrelieren.
Induktive Sensoren werden seit etwa einem Jahrhundert verwendet. Sie sind unempfindlich gegenüber Vibrationen, Temperaturschwankungen und Verschmutzungen. Mechanisch sind sie einfacher aufgebaut und daher zuverlässiger.
In den letzten zwei Jahrzehnten sind induktive Sensoren auf dem Automotive-Markt immer beliebter geworden. Die in der Automobilindustrie verwendeten induktiven Sensoren sind kostengünstig und zuverlässig – allerdings sind sie langsam und ungenau. Das war für die Anforderungen in dieser speziellen Anwendung hinreichend, aber induktive Sensoren könnten eine viel bessere Leistungsfähigkeit erzielen.
Duale induktive Drehsensoren
Ein dualer induktiver Drehsensor ist eine neue Variante des induktiven Sensors. Diese neuen Positionssensoren sind schnell und präzise. Der duale induktive Positionssensor NCS32100 von onsemi besteht aus zwei Leiterplatten. Die eine besteht aus einem Rotor mit zwei gedruckten Induktivitäten, die andere aus einem Stator mit gedruckten Induktivitäten und einem Encoder-IC.
Die Genauigkeit des Sensors ist besser als ±50 Bogensekunden (arcsec) für eine 38-mm-Version. Die volle Genauigkeit erreicht er bei 6000/min (er kann aber auch weit darüber hinaus bei Drehzahlen bis zu 100.000/min arbeiten). Der Sensor verfügt über einen 20-bit-Ausgang mit Single-Turn-Auflösung und einen 24-bit-Ausgang mit Multi-Turn-Auflösung.
Es handelt sich hierbei um einen Absolutwertgeber (im Gegensatz zu einem inkrementellen Encoder), das heißt Positionsdaten stehen auch dann zur Verfügung, wenn sich der Rotor nicht bewegt.
Das Standardmodul verfügt über einen Embedded-Mikrocontroller (MCU) mit Firmware. Der Controller ist eine programmierbare M0-Arm-MCU. Das Modul gibt Position und Drehzahl anstelle von analogen Rohsignalen aus. Seine flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten ermöglichen verschiedene induktive Sensormuster, und es bietet eine Vielzahl digitaler Ausgangsformate.
Der Ansatz ist mit einer reduzierten Anzahl von Komponenten mechanisch einfach. Nur eine minimale Zahl externer Bauelemente ist erforderlich (z. B. ein Bypass-Kondensator, ein Abstimmkondensator). Der Sensor ist Plug-and-Play-fähig, einfach zu kalibrieren und verfügt über eine Fehlerkorrektur/Diagnose, wodurch er einfach zu installieren und zu bedienen ist. Wie andere induktive Sensoren ist er robust, sicher und zuverlässig. Er wird in einem Standardmodul angeboten; das Grunddesign eignet sich auch für andere Konfigurationen.
Das integrierte Produkt ist für industrielle Anwendungen und Anforderungen ausgelegt. Der duale induktive Positionssensor kann überall dort zum Einsatz kommen, wo derzeit optische Drehgeber der mittleren und oberen Leistungsklasse verwendet werden, z. B. in der Robotik, in industriellen Antrieben, in Fabrikautomationssystemen und in zahlreichen Industriemaschinen.
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