gesponsertEin-Chip-Technik für Robotergelenke Magnetisches Absolut-Encoder-SoC der nächsten Generation

Das neue Absolut-Encoder-SoC iC-MUE von iC-Haus vereint Präzision, Flexibilität und Condition Monitoring. Eine integrierte On-Chip-Kalibrierung erleichtert die Inbetriebnahme im Feld.

Magnetische Positionssensoren sind aus der modernen Robotik nicht mehr wegzudenken. Ihre robuste, schmutzunempfindliche Abtastung, die kompakte Bauform zur effizienten Ausnutzung der Leiterplattenfläche und die nahtlose mechanische Integration sind starke Argumente für diese Encoder-Technologie. Seit vielen Jahren bedienen Unternehmen dieses Segment erfolgreich. Die Experten von iC-Haus haben die Bausteine der iC-MU-Serie entwickelt, die sich als Absolut-Encoder-Lösung speziell für die Hohlwellenabtastung (Off-Axis) branchenweit etabliert haben.

Die stetig steigenden Performance-Anforderungen in der Antriebstechnik verlangen jedoch nach immer leistungsfähigeren, integrierten Positionssensoren. Gleichzeitig verkürzen Trend-Applikationen wie kollaborative Roboter (Cobots) und humanoide Systeme die Entwicklungszyklen der Hardware-Hersteller massiv. Eine flexible Integration sowie die einfache Konfigurierbarkeit der Sensorkomponenten sind daher entscheidend, um Entwicklungszeiten (Time-to-Market) kurz zu halten und wettbewerbsfähig zu bleiben. Mit der jüngsten Erweiterung des magnetischen Encoder-Portfolios um den neuen iC-MUE adressiert iC-Haus dieses komplexe Anforderungsprofil.

Die Absolutposition nach dem Nonius-Prinzip

Wie die bereits verfügbare iC-MU-Serie setzt auch der neue iC-MUE zur Bestimmung der Absolutposition auf das bewährte Noniusprinzip. Dabei werden zwei inkrementelle magnetische Spuren simultan abgetastet. Konkret sind das auf der einen Seite die Master- und auf der anderen die Noniusspur (siehe Exkurs im Kasten). Die Anzahl der Polpaare auf diesen beiden Spuren unterscheidet sich exakt um den Wert eins (n und n-1). Aus der resultierenden Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen lässt sich innerhalb einer mechanischen Umdrehung (360 Grad) eine eindeutige Absolutposition berechnen. Der große messtechnische Vorteil: Diese exakte Position ist sofort nach dem Einschalten des Systems verfügbar (True-Absolute). Damit entfällt eine zeitraubende und wenig praktikable Referenzfahrt komplett.

Durch den Einsatz einer modernen SoC-Architektur (System-on-Chip) konnte der Funktionsumfang auf dem Silizium nun nochmals deutlich erweitert werden. Der iC-MUE profitiert dabei direkt von den langjährigen Praxiserfahrungen, die in zahllosen Applikationen mit dem Vorgänger gesammelt wurden. Für den Anwender resultiert dies in entscheidenden Vorteilen bei der Systemperformance und dem Hardware-Design-in. Der neue Chip bietet eine Winkelauflösung von bis zu 22 Bit. Diese hochpräzise Positionsinformation gibt der Baustein simultan über verschiedene etablierte Encoder-Schnittstellen wie BiSS, SPI, inkrementelles ABZ, UVW (für die Motorkommutierung) und analoges Sin/Cos aus. Die benötigte Ausgabeauflösung lässt sich dabei für jede Schnittstelle individuell programmieren. Insgesamt sind bis zu drei physikalische Interface-Ports parallel nutzbar. Der zusätzlich integrierte I²C-Slave kann optional als weiteres Controller-Interface genutzt werden, um beispielsweise Konfigurations- oder Diagnosedaten zu übertragen.

Maximale Freiheit beim Encoder-Design

Das Hall-Sensor-Array des iC-MUE ist für magnetische Pole mit einer Breite von 2 mm optimiert. Der Durchmesser der abgetasteten Codescheibe wird dabei direkt durch die Anzahl der magnetischen Pole auf der Masterspur definiert. Da sich die Polpaarzahl beim iC-MUE frei zwischen 8 und 64 wählen lässt, können Codescheiben mit einem Außendurchmesser von etwa 20 mm bis 85 mm realisiert werden. Diese große Anpassungsfähigkeit erleichtert insbesondere das Design integrierter Encodersysteme unter beengten Einbauverhältnissen und individuellen Anforderungen seitens der Anwendung. Ein typisches Anwendungsbeispiel hierfür sind kompakte Robotergelenke, bei denen zwei Codescheiben platzsparend konzentrisch ineinanderlaufend angeordnet werden. Die Vielseitigkeit des iC-MUE gewährt dem Hardware-Entwickler zudem völlige Freiheit bei der Auswahl der grundlegenden Abtastgeometrie. Das System arbeitet nahtlos mit axialen Codescheiben, radialen Poltrommeln sowie linearen Maßstäben (Magnetbändern) zusammen. Sogar noch größere Durchmesser oder absolute lineare Messlängen lassen sich realisieren, indem ein zweiter iC-MUE integriert und das System auf eine dreispurige Noniusabtastung erweitert wird.

Ein weiterer entscheidender Faktor für das mechanische Design sind die großzügigen Montagetoleranzen des Sensors. Mit Werten von bis zu ±0,5 mm in der X- und Y-Achse (radial und tangential), einem erlaubten Luftspalt von bis zu 1 mm zur Codescheibe sowie einer differentiellen magnetischen Abtastung zur effektiven Unterdrückung von Streufeldern garantiert das SoC einen unkomplizierten mechanischen Aufbau und einen äußerst robusten Betrieb im Feld.

Kalibrierung ohne externe Software

Mechanische Anbautoleranzen zwischen Sensor und Maßverkörperung (Magnetrad) sowie fertigungsbedingte Ungenauigkeiten der Maßverkörperung selbst führen in der Sensorik prinzipbedingt zu Signalfehlern. Um einen zuverlässigen Betrieb des Encodersystems und die bestmögliche Messgenauigkeit zu gewährleisten, müssen diese Abweichungen exakt kompensiert werden. Bei der Entwicklung des iC-MUE wurde deshalb größter Wert darauf gelegt, alle notwendigen Funktionen zur Kompensation von Signalfehlern direkt auf dem Chip zu integrieren. Diese automatischen Abgleichfunktionen stellen präzise Messergebnisse über den gesamten Arbeitsbereich sicher. Die Kalibrierung kann dabei flexibel ausgelöst werden: entweder über serielle Kommandos via BiSS/SPI oder ganz pragmatisch „auf Knopfdruck“ über einen Hardware-Pin. Letzteres ermöglicht eine Inbetriebnahme binnen weniger Sekunden direkt vor Ort.

Dieses Feature prädestiniert den Baustein insbesondere auch Kit-Encoder sind nicht das primäre Einsatzfeld. Eine zusätzliche externe Hardware- oder Software-Toolchain zur Erstinbetriebnahme ist dank des SoC-Konzepts nicht mehr erforderlich. Dieser On-Chip-Ansatz greift auch bei der Erweiterung des Systems: Externe Multiturn-Sensoren (wie beispielsweise der iC-PVL zur Zählung ganzer Umdrehungen) lassen sich nahtlos an das Absolut-Daten-Interface (ADI) des iC-MUE anschließen. Die oft komplexe Synchronisation zwischen dem internen Singleturn- und dem externen Multiturn-Sensor wird ebenfalls bequem per Software-Kommando oder auf Knopfdruck vom iC-MUE selbst übernommen. Die so zusammengesetzte, lückenlose Positionsinformation (Singleturn und Multiturn) gibt der Chip anschließend als fertig aufbereitetes Datenwort über die BiSS-, SSI- oder SPI-Schnittstelle an die Motorsteuerung aus.

Hohe Präzision durch interne Linearisierung

Trotz automatischer On-Chip-Kalibrierung verbleiben bei magnetischen Messsystemen systembedingt oft kleine Restfehler, die bei höchsten Genauigkeitsansprüchen eine weitere Optimierung erfordern. Typische Fehlerquellen im mechanischen Aufbau sind Exzentrizitäten (Rundlauffehler) der Maßverkörperung sowie Inhomogenitäten in der Magnetisierung des Materials. Auch hier überzeugt der iC-MUE durch ein außergewöhnlich starkes Feature-Set: Zusätzlich zur integrierten, langwelligen Exzentrizitätskorrektur bietet der Baustein eine interne Look-Up-Table (LUT) mit 512 Stützstellen. Sie bietet dem Anwender die Möglichkeit, die ausgegebenen Positionsdaten gegenüber einer hochpräzisen externen Referenz perfekt zu linearisieren.

Optional lässt sich zudem eine dynamische Analogkorrektur aktivieren. Diese kompensiert betriebsbedingte Signalfehler in Echtzeit – wie etwa temperaturabhängige Offsets – und gewährleistet so eine dauerhaft hohe Präzision. Damit kann der Baustein dauerhaft eine konstante Performance gewährleisten. Mit diesen tiefgreifenden Bordmitteln lässt sich typischerweise eine absolute Winkelgenauigkeit von weniger als 0,04° über den gesamten Arbeitsbereich erzielen. Das ist ein herausragender Wert für magnetische Encodersysteme, der so kompakten Off-Axis-Anwendungen völlig neue Wege eröffnet.

Vielseitigkeit trifft auf umfassende Diagnose

Seine enorme Funktionsdichte bietet der iC-MUE in einem kompakten QFN48-7x7-Gehäuse. Das SoC ist für den weiten industriellen Temperaturbereich von -40 bis 125 °C ausgelegt und unterstützt wahlweise Versorgungsspannungen von 3,3 oder 5 V. Durch eine flexible Parametrierung lässt sich der Baustein an unterschiedlichste Applikationen anpassen. Unabhängig von der verwendeten Maßverkörperung und der damit vorgegebenen Basisauflösung (Polpaarzahl) kann die Ausgabeauflösung für alle Datenschnittstellen völlig individuell programmiert werden. Der interne ABZ-Generator mit frei wählbarer Quadraturauflösung ist bei Encoder-Produkten von iC-Haus unter dem Begriff FlexCount^® bereits fest im Markt etabliert. Auch die Datenlänge (Bit-Auflösung) des Positionsworts für die seriellen Schnittstellen BiSS/SSI und SPI kann vom Anwender beliebig definiert werden. Zusätzlich steht parallel eine klassische analoge Sin/Cos-Schnittstelle zur Verfügung, welche die native Auflösung der Maßverkörperung liefert. Dieses Analogsignal wird über einen separaten Safety-Ready-Pfad direkt im Chip geroutet. Dadurch wird der Aufbau von sicherheitsgerichteten Encodern (Functional Safety) erheblich erleichtert.

Die einstellbare digitale Signalfilterung sorgt selbst in anspruchsvollen, hochdynamischen Anwendungen mit hohen Beschleunigungen für rauscharme, stabile Ausgangssignale. Sie sind die Grundvoraussetzung für eine souveräne und laufruhige Drehzahlregelung im Roboterarm. Um Systemausfälle proaktiv zu vermeiden, bietet der Sensor zudem ein integriertes Condition Monitoring direkt auf Chipebene. Der iC-MUE überwacht während des Betriebs kontinuierlich die Nonius-Phasenreserve, die für eine fehlerfreie Bestimmung der Absolutposition essenziell ist. Ein Absinken dieser Reserve, das beispielsweise durch Verschleiß oder vergrößertes mechanisches Spiel in der Welle verursacht wird, erkennt das System somit frühzeitig (Predictive Maintenance). Darüber hinaus gibt ein umfangreich parametrierbares Statusregister jederzeit präzise Auskunft über den Gesundheitszustand (Health Status) des Chips. Auftretende Fehler oder Warnungen können bedarfsgerecht auf die seriellen Schnittstellen gemappt oder verzögerungsfrei über einen dedizierten Error-Pin an den Host-Controller signalisiert werden.

Eine neue Leistungsklasse magnetischer Encoder

Das System-on-Chip (SoC) ist präzise, flexibel bei der Maßverkörperung und bietet einen hohen Design-In-Komfort. Dabei dringt der Baustein in Genauigkeitsbereiche vor, die bislang vergleichsweise empfindlichen optischen Systemen vorbehalten waren. Durch das magnetische Messprinzip ist der Baustein dabei unempfindlich gegenüber Verschmutzung und Vibrationen. Dank seines hochintegrierten Konzepts inklusive Look-Up-Table und Condition Monitoring eignet sich der iC-MUE für kompaktes, hochperformantes Positionsfeedback im stark wachsenden Zukunftsmarkt der Robotik und Antriebstechnik.

* Der Autor Patrick Stahl ist im Vertrieb und in der Applikation bei iC-Haus tätig.

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