Drehgeber für sichere Aufgaben Absolutwertabtaster ermittelt Positionen sicher und zuverlässig

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iC-Haus GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

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DMB Technics AG

Neben hoher Positionsauflösung und einem kompakten Formfaktor sollen zukunftssichere Drehgeber-Systeme sicherheitsrelevante Aufgaben erfüllen. Dabei ist die Positionsinformation zuverlässig und sicher zu erfassen. Die Serie iC-RB ist dazu mit zwei unabhängigen Sensorpfaden ausgestattet.

Kollaboratives Arbeiten liegt im Trend. Dabei greifen Arbeitsschritte von Mensch und Maschine nahtlos ineinander oder ergänzen sich sogar. Ein Beispiel ist die Zusammenarbeit mit Cobots. Im Betrieb lässt sich physische Berührung zwischen Mensch und Maschine ohne zusätzliche Schutzeinrichtungen, beispielsweise Sicherheitskäfige oder Lichtgitter, nicht vermeiden. Ohne diese schützenden Zusatzmaßnahmen kann bei laufender Maschine Lebensgefahr für alle sich in unmittelbarer Nähe aufhaltenden Personen bestehen.

Gleichzeitig sind Stillstandszeiten nur bedingt vereinbar mit den kollaborativen Arbeitsabläufen. Die Lösung: Bewegungen und Kräfte der Maschinen zuverlässig überwachen, sicher steuern und bei Bedarf kontrolliert reduzieren. Für die sichere Regelung von Antrieben sind entsprechend zertifizierte Safety-Drehgeber eine Schlüsselkomponente.

Die in einen Antrieb integrierten Sicherheitsfunktionen, beispielsweise sicher begrenzte Geschwindigkeit (Safe Limited Speed – SLS), erfordern eine hohe Zuverlässigkeit des Motor-Feedback-Systems. Die optischen Positionssensoren der Serie iC-RB nutzen dafür zwei vollständig unabhängige Sensorpfade.

Sicherer Drehgeber bis SIL 3 / PLe mit einer Sensorkomponente

Die fotosensitiven Flächen der Chips erfassen die Projektion der von einer blauen LED durchstrahlten Codescheibe an zwei unterschiedlichen Stellen. Die Schaltungsteile der beiden Kanäle sind durch einen in den Halbleiter-Chip eingearbeiteten Graben elektrisch voneinander isoliert und werden separat mit Spannung versorgt. Aufgrund der echten Redundanz stellt das System-on-Chip zwei für einen Kreuzvergleich notwendige unabhängige Positionsworte bereit.

Die Entwicklung von sicheren Drehgebern bis SIL 3 / PLe ist so mit nur einer Sensorkomponente möglich. Auf einem Codescheibendurchmesser von wahlweise 26,5 mm oder 42,5 mm ist ein Pseudo-Random-Code (PRC) sowie eine Inkrementalspur mit 1.024 äquidistanten Linien appliziert.

Die optische Projektion des PRC wird vom Sensor in eine eindeutige 10-Bit-Winkelinformation übersetzt. Die auf die kurze Wellenlänge des blauen Lichts optimierten Phased-Array-Fotostrukturen erzeugen aus dem alternierenden Hell-Dunkel-Wechsel der Inkrementalspur klirrarme Sin/Cos-Signale, welche mittels integrierter Interpolation die Auflösung der Absolutposition weiter erhöhen. Im Control Channel erhöht ein hochperformanter Sample-and-Hold SAR-Wandler die Positionsauflösung auf 24 Bit. Somit stehen über 16 Mio.

Winkelwerte pro Umdrehung zur Regelung des Antriebs zur Verfügung. Das bis zu 15 Bit breite Datenwort des Safety Channels ist zukunftssicher dimensioniert und liefert die ausschließlich für den Positionsvergleich benötigte redundante Information.

Positionsworte sicher im „Black Channel“ übertragen

Die von beiden Kanälen der Serie iC-RB bereitgestellten Positionsworte können sicher über einen „Black Channel“ im BiSS-Safety-Protokoll zum steuerungsseitigen BiSS-Master übertragen werden. BiSS Safety ist ein vom TÜV Rheinland für sicherheitskritische Anwendungen nach IEC 61508 bis SIL3 zertifizierte Profildefinition für die etablierte Encoder-Schnittstelle BiSS C. Mit der modernen One-Cable-Technology (OTC) BiSS-Line können BiSS-Safety konforme Daten-Frames dank Forward Error Correction (FEC) sogar über bis zu 100 Meter Kabelstrecke übertragen werden.

In einer Safety-Steuerung oder einem entsprechenden Regler können die empfangenen Daten dann auf Plausibilität geprüft werden. Der zu berücksichtigende architekturbedingte Positions-Offset der beiden Kanäle zueinander kann bereits im Chip angeglichen werden, sollten zwei wertgleiche Positionswörter zur Verrechnung in der Steuerung benötigt werden. Beide Positionsinformationen werden vom Sensor mit einem 16-Bit (Safety Channel) oder 6-Bit (Control Channel) CRC geschützt übertragen.

Dank des integrierten 14-Bit S&H-SAR-Wandlers eignet sich der Signalpfad des Control Channels hervorragend für den Ein-Kanal-Betrieb als hochauflösender Absolutwertgeber, unabhängig von Anforderungen aus dem Bereich der funktionalen Sicherheit.

Zusätzliche Companion-Chips sind nicht notwendig, sodass das Encoder-Design auf Basis des 7 mm x 5 mm x 1 mm großen oQFN-Gehäuses besonders kompakt sein kann. Die iC-RB Bausteine verfügen zudem über zwei voneinander unabhängige Multiturn-Schnittstellen, die Positionsdaten von ebenfalls redundanten Multiturn-Sensoren einlesen und in den zur Steuerung übertragenen BiSS-Datenstrom integrieren können. Anstelle der anspruchsvollen Multiturn-Architektur können beide Sensorpfade die vollen Umdrehungen aber auch eigenständig verfolgen, wenn der batteriegestützte on-Chip Multiturn-Zähler aktiviert wird.

Absolutwertgeber für Mehrkanal-Encoder-Systeme

Dank seiner Vielseitigkeit sind die Sensoren aus der Serie iC-RB eine ideale Plattform für kompakte hochauflösende Absolutwertgeber, mit der sich Singleturn-Safety-Drehgeber einfach umsetzen lassen und optional, um redundante Multiturn-Pfade ergänzt werden können. Als eine Ein-Chip-Lösung sind die auf demselben Halbleitersubstrat integrierten optischen Sensorelemente bereits optimal zueinander ausgerichtet. Das vereinfacht die Fertigung eines Mehrkanal-Encoder-Systems deutlich.

* Silvan Ettle ist Vertriebs- und Applikationsingenieur für Encoder-Systeme bei iC-Haus.

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