Für magnetische Weg- und Winkelgeber
Mit hochintegriertem Sin/Dig-Wandler zur Höchstleistung
Magnetische Weg- und Winkelgeber arbeiten oft mit groben Teilungen, was höhere Anforderungen an die Signalqualität und Interpolationselektronik stellt. Der iC-NQE von iC-Haus ergänzt XMR-Sensoren um eine schnelle, präzise Sinus/Digital-Wandlung mit integrierten Systemfunktionen in kompakter Bauform.
Lineare Wegmesssysteme und Winkelgeber verwenden genaue magneto-resistive Messbrücken (XMR) oder strukturierte Photodioden-Arrays (PDA), die die Winkel- oder Weginformation kodiert in einem 90˚ versetzten Sinus- und Cosinus-Signal anliefern. Der Messwertumformer, ein als Interpolator bezeichneter nichtlinearer A/D-Wandler, verantwortet die Umsetzung dieser Sinus-/Cosinus-Signale in Winkelschritte, die dann entweder inkrementell, als sogenanntes Quadratursignal mit Richtungsinformation, oder als absolutes Datenwort herausgegeben werden, das den Phasenwinkel des Sinussignals repräsentiert.
Für gute Messergebnisse ist eine qualitativ hochwertige Vorverstärkung nötig, die den Wandler möglichst voll aussteuert. Das analoge Frontend (AFE) muss dabei differentielle Signale von 30 mV (AMR-Sensor) bis 3 V (TMR, für optische Sensoren bis 500 mV) rauscharm und driftfrei aufbereiten. Passend zur gestiegenen Qualität der Sensoren (Bild 1) sind analoge Signalkorrekturen im Sub-%-Bereich gewünscht, will man keine KI mit digitalen Korrekturrechnungen beschäftigen. Eine diskrete analoge Signalaufbereitung birgt aber Designrisiken, benötigt Platz und verursacht hohe Kosten – hierfür bietet der vollintegrierte iC-NQE von iC-Haus einen Ausweg.
Jobangebote+ passend zum Thema
Echtzeitwandlung mit minimaler Latenz
Zur Positionierung und Regelung von Motoren wird eine latenzarme Rückmeldung gewünscht; eine Domäne, die klassische Vektor-Nachlaufwandler seit vielen Jahren besetzten. Das Konzept (Bild 2) baut kompakt: Es gibt hauptsächlich einen präzisen Komparator, der einen Zähler aufwärts oder abwärts steuert. Der digitale Zählwert füttert einen oder mehrere D/A-Wandler, die analoge Winkelsignale zurückführen, die wiederum am Eingang gemischt und wieder dem Vergleicher zugeführt werden. Ist das System einmal eingeschwungen, enthält der Zähler den hoch aufgelösten Phasenwinkel und läuft Schritt für Schritt, beziehungsweise Bit für Bit, jeder Eingangsänderung mit einer wählbaren Folgerate hinterher – Sprünge sind nicht möglich.
Der Präzisionskomparator ist aufwendig gestaltet und es kommt der Genauigkeit zugute, dass sich ein restlicher Offsetfehler des Komparators auf alle Schaltpunkte gleichermaßen auswirkt, ähnlich einer Hysterese. Von Vorteil ist, dass inkrementelle Ausgabesignale quasi »analog jittern«, weil eine Takt-Rasterung erst sichtbar wird, wenn die einstellbare Begrenzung der maximalen Nachlaufrate greift – beispielsweise aufgrund einer Störung auf den Eingangssignalen. Die Latenz im Gesamtsystem wird im Wesentlichen von der Bandbreite der Eingangsverstärker bestimmt, abgesehen vom Störungsfall.
Alternativen für verschiedene Wandlungsaufgaben
Die möglichen Anwendungen für integrierte Interpolationsbausteine für Mess- und Regelanwendungen in der Automatisierungstechnik sind breit gefächert, daher kommen ebenfalls andere Wandlungskonzepte zum Einsatz (Tabelle 1).
Schnelle Flash-Wandler mit parallel arbeitenden Komparatoren (iC-NV) bedienen beispielsweise Ultraschall-Sensoren und optische Inkrementalgeber, Sample-&-Hold-SAR-Wandler eignen sich für höherfrequente Signale optischer Absolutwertgeber (z.B. iC-MR3), und digitale Signalprozessoren vereinfachen vorrangig die Kommissionierung magnetischer Geber auf Knopfdruck (z.B. iC-TW8). Bausteine mit serieller BiSS-Schnittstelle unterstützen Antriebsregler durch kurze Zykluszeiten.
Die Wandler-Entwicklung wurde mit der Verfügbarkeit neuerer CMOS-Prozesse vorangetrieben und technologische Möglichkeiten ausgeschöpft, bis hin zur dynamischen Fehlerkorrektur und einer automatischen Kalibrierung.
Messwertkorrektur bis ins Detail
Zurückblickend stieg die angebotene Wandlungsgenauigkeit um etwa 2 Bit pro Jahrzehnt, so dass inzwischen Skalenfehler oder mechanische Rundlauffehler in den Vordergrund treten und die Korrekturhilfen herausfordern. Zu beachten ist dabei, dass sich berechnete, dynamische Korrekturen zur langsamen Drift-Korrektur sehr gut eignen – also bei Änderungen über Temperatur oder Betriebsspannung des Sensors – und nebenbei das initiale Einmessen bei der Gerätekommissionierung erleichtern (Bild 3). Im Betrieb allerdings hinkt die Korrektur einer Fehlereingabe hinterher und greift nur anteilig ein, so dass mehrere Eingangsperioden für ein hundertprozentiges Auskorrigieren nötig sind. Das vermeidet zwar Messwertsprünge, erlaubt aber keine Korrektur einer lokalen Störung der Maßverkörperung, beispielsweise an der Nullstelle eines magnetischen Polrads.
Zur Linearisierung der Winkelmessung bietet der iC-NQE deshalb eine Tabellen-basierte Korrektur namens iCAL, die eine harmonische Sensorverzerrung, einen langwelligen Rundlauffehler und sogar eine lokale Fehlerspitze einer magnetischen Teilung ausgleichen kann.
Leistungsmerkmale und Schnittstellenvielfalt
Dank moderner CMOS-Technologie bietet der High-Performance-Mixed-Signal-Baustein iC-NQE beachtenswerte Verbesserungen an: eine achtfach höhere Genauigkeit und Auflösungen bis 16 Bit oder eine mindestens vierfach höhere Geschwindigkeit für industrieübliche Linearsysteme (Tabelle 2).
Hinzu kommt ein Füllhorn an Schnittstellen und nachgefragten Systemfunktionen. Beispielsweise verfügt der iC-NQE über diverse Diagnosen zur Signal- und Temperatur-Überwachung sowie zur Überwachung der Konfiguration im Betrieb. Für die Controller-Kommunikation im Embedded-System stehen serielle SPI- und I2C-Schnittstellen zur Verfügung; über letztere lässt sich auch ein externer Speicher für OEM- und Nutzerdaten anbinden.
Die bekannten iC-NQx-Bausteine bedienen vorrangig lineare Wegmesssysteme mit inkrementeller Ausgabe, aber auch Messtaster und IPC-Messkarten, die Signalperioden mitzählen. Für alle diese Anwendungen erlaubt der iC-NQE eine Performance-Aufrüstung; eine kompatible Variante mit 20-poligem TSSOP-Gehäuse ist vorgesehen.
Kompaktes Design mit integrierten Treibern
Eingesetzt im nur 5 mm x 5 mm großen 32-poligen QFN-Gehäuse sind für Neusysteme Platz- und Kosteneinsparungen möglich. Die integrierten Funktionen wurden um die nötigen Kabeltreiber für eine differenzielle RS-422-Ausgabe von ABZ oder UVW erweitert, sowie um den Transceiver zur seriellen BiSS/SSI-Kommunikation. Das spart Platz auf der Platine und ermöglicht einen kleineren Lesekopf (Bild 4).
Eine präzise Sin/Cos-Interpolation ist auch für absolut messende Positionsgeber eine wichtige Kernfunktion. Solche Systeme initialisieren sich in der Regel über einen Startwinkel, wofür der iC-NQE eine zusätzliche serielle Datenschnittstelle (ADI) anbietet, die anstelle der Nullsignal-Eingänge aktiv werden kann. Hierüber lässt sich ein Multiturnsensor auswerten, beispielsweise der Batterie-gestützte iC-PVL als magnetischer Pol- und Umdrehungszähler.
Die Positionswertausgabe erfolgt vorzugsweise über das BiSS Interface, passend zu bereits definierten Profilen, wahlweise inklusive Lebenszeichenzähler und langem 16-Bit-CRC. Ein Alleinstellungsmerkmal des iC-NQE ist die gleichzeitige Ausgabe stabilisierter Sin/Cos-Signale über eine kabeltaugliche 1-Vss-Schnittstelle für Kontrollzwecke oder zur Anbindung der Steuerung.
Fazit: Integration statt Aufwand
Möchte man die heute angebotene Messgenauigkeit moderner Sensoren adäquat umsetzen, steht der Elektronikentwickler vor einer großen Herausforderung. Eine Optimierung in möglichst allen Belangen – vor allem hinsichtlich der Auflösung, Wiederholbarkeit, Geschwindigkeit oder der Kabel-Schnittstelle – ist diskret kaum noch lösbar, zumal der verfügbare Bauraum meist begrenzt und der Kostendruck hoch ist. Für diese Aufgabe bietet sich der neue hochintegrierte Signalwandler iC-NQE an, mit programmierbaren Präzisionsverstärkern, die ohne externe Beschaltung auskommen, einer sehr schnellen Sinus-Digital-Wandlung, die optional gefiltert und korrigiert werden kann, und mit diversen seriellen Schnittstellen zur Positionsausgabe. Transparenz bis auf den Sensor ist durch die industrieübliche 1-V-Analogschnittstelle gegeben.
Lesen Sie mehr zum Thema
