Optische Phased Arrays
Encoder für verbesserte Servo-Rückkopplung
Industrielle Antriebssteuerungen erfordern eine schnelle und präzise Rückmeldung des Servomotor-Rotorwinkels, vor allem für den optimalen Lastausgleich. Hier setzen die hochauflösenden optischen Encoder von IC-Haus an. Sie tasten mehrere Nonius-Spuren ab und gewährleisten so eine hohe Auflösung.
Die neue iC-PNE Sensor-Serie von IC-Haus ist „blue ready“ und kann von einer LED-Beleuchtung im Nah-UV-Bereich profitieren, um besonders klirrarme Sinussignale mit 2048 Zyklen pro Umdrehung auszugeben – für eine quasi latenzfreie direkte Rückgabe an den Antriebsegler. Gleichzeitig verbessern die kontraststarken Signale die Genauigkeit der Interpolationsschaltung iC-MNF, die auch die Nonius-Berechnung übernimmt. Diese Aufgabe vereinfacht der iC-PNE durch zusätzliche Sektor-Detektoren, die einen komplementären Gray Code ablesen. Das reduziert die Nonius-Skala auf Winkelsegmente, die zugunsten der Betriebssicherheit mit einer viel höheren Fehlertoleranz ausgewertet werden können. Weil die Sektor-Detektoren schon ab 1,8 V autonom arbeiten, bei geringer Stromaufnahme, kann optional ein batteriegestützter Umdrehungszähler per MCU implementiert werden.
Hohe Auflösung bei minimalem Bauraum
Den optischen Sensoren der iC-PNE-Serie genügt eine kleine Sensorfläche von nur
1,9 mm x 3,3 mm, um Drehgeber-Codescheiben abzutasten und Sinussignale in bester Qualität zu erzeugen. Die Auswertung übernehmen Interpolations-ICs mit Nonius-Berechnung, vor allem der schnelle Wandler iC-MNF, der extreme Winkelauflösungen bis 25 bit erlaubt. Im Vergleich mit konventionellen Absolutgeber-Sensoren lesen iC-PNE-Sensoren nur drei inkrementelle Nonius-Spuren sowie einen 4-bit-Gray-Code, was Bauraum einspart und die Ausleuchtung vereinfacht. Durch die kleine Abtastfläche und die hohe Empfindlichkeit der Sensoren reduziert sich der Energiebedarf für die Beleuchtung zugunsten der LED-Lebensdauer.
Die Phased-Arrays können mit einer blauen LED wie etwa der iC-TL46 eingesetzt werden, was Verzerrungen minimiert und den Signalkontrast erhöht; für Bausteine, die nur 512 Perioden pro Umdrehung ablesen, passen auch Encoder-übliche IR-LEDs (z.B. iC-TL85).
Die Photostromsignale werden durch ein neues rauscharmes Verstärkerdesign in niederohmige und störfeste Ausgangsspannungen gewandelt. Durch eine hohe Transimpedanz-Verstärkung von typisch 1 MOhm genügt bereits eine Beleuchtungsstärke um 2 mW/cm2, um Ausgangssignale von mehreren hundert Millivolt für den nachfolgenden Interpolationsbaustein zur Verfügung zu stellen.
Die iC-PNE-Bausteine sind verfügbar für Codescheiben von 26 mm, 33 mm oder 39 mm und funktionieren ab 4,1 V über Temperaturen von -40 bis +125 °C.
Das optoQFN-Gehäuse ist sehr flach und spart aufgrund der Kantenlänge von nur 5 x 5 mm wertvolle Platinenfläche.
Nonius-Auswertung
Vergleichbar zum Messschieber, dessen Skalenprinzip der französische Mathematiker Pierre Vernier bereits im 17. Jahrhundert vorgestellt hat, erhöht auch iC-PNE die Ablesegenauigkeit durch mehrere Skalen. Dabei ist die absolute Positionsinformation in der relativen Phasenlage der Signale zueinander enthalten. Dies erfordert eine besondere Art der Auswertung, die der Encoder-Interpolator iC-MNF mit einer Interpolationstiefe von 14 bit beherrscht.
Der iC-MNF verfügt in jedem Kanal über eine separat einstellbare Signalkonditionierung mit Sample-&-Hold-Stufe, die das aufbereitete Analogsignal für die anschließende sequenzielle Digitalisierung festhält. Dafür steht ein hochgenauer SAR-A/D-Wandler zur Verfügung, der bis zu 14 bit pro Sinusperiode auflöst. Der nichtlineare A/D-Wandler verwendet die Tangens-Funktion und wertet Sinus und Cosinus simultan aus. Zur Berechnung der Winkelposition sind 2- und 3-Spur-Nonius-Skalen konfigurierbar, die Auflösungen bis 25 bit ermöglichen (0.04 Winkelsekunden aus 360 Grad).
Der im QFN48-Gehäuse nur 7x7 mm große Wandler ist auf Kabelseite gegen Verpolung und Falschanschluss geschützt und beinhaltet den RS422-Transceiver für die serielle Datenschnittstelle. Die Ausgabe erfolgt im SSI- oder BiSS-Protokoll mit Taktraten von bis zu 10 Mbit/s. Alle Hauptfunktionen des Chips sind überwacht und für Alarmmeldungen konfigurierbar. Typische Sensorfehler, wie beispielsweise Signalverlust durch Drahtbruch, Kurzschluss, Verschmutzung oder Alterung, werden erkannt und der Steuerung gemeldet.
Ein batteriebetriebener Multiturn, als Software-Lösung auf der MCU, kann das System optional komplettieren. Aufgrund des kleinen Formfaktors und der geringen Zusatzkosten ist dies eine interessante Alternative für modulare Geber, beispielsweise in Robotik-Anwendungen.
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