High-End-Servoantriebe Optische Nonius-Abtaster mit hoher Ortsauflösung

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Mit optischen Nonius-Abtastern verbessern sich die Sensoreigenschaften wie Signaljitter und Klirrfaktor. Hersteller iC-Haus hat eine Chip-Kombination entwickelt, mit dem ein hochauflösendes Servomotor-Feedback bis 25 Bit möglich ist.

Der Nonius ist ein etabliertes Messprinzip in der Positionssensorik. Aus dem Vergleich zweier gegeneinander versetzter Teilstriche einer Maßverkörperung wird eine absolute Positionsinformation gewonnen. Durch die Auswertung einer weiteren Spur kann die Auflösung innerhalb der Teilungsperiode weiter erhöht werden. Das Prinzip ist mit verschiedenen Sensortechnologien anwendbar. Nutzt man die Vorteile optischer Sensoren, lassen sich hochgenaue dreispurige Gebersysteme realisieren.

Aufgrund der feinen Teilungsstrukturen, der präzisen Signalerzeugung und der kompakten Bauform eignen sich diese Systeme als Feedback-Einheit in High-End-Servoantrieben. Mit der Serie iC-PNE definiert iC-Haus eine neue Leistungsklasse der Nonius-Abtastung.

Verbesserte Sensoreigenschaften wie Signaljitter und Klirrfaktor

Nach den Serien iC-PN und iC-PNH geht der Bodenheimer Spezialist für Encoder-System-on-Chip mit der Serie iC-PNE bereits in die dritte Generation optischer Nonius-Abtaster. Das weiterentwickelte optische Frontend verbessert wesentliche Sensoreigenschaften wie Signaljitter und Klirrfaktor. Die Empfangsdioden wurden speziell für das in hochauflösenden optischen Encodern verwendete blaue Licht entwickelt und auf die kurze Wellenlänge und geringe Eindringtiefe der Photonen optimiert.

Die geringe Beugung als physikalische Eigenschaft von kurzwelligem Licht sorgt zudem für eine besonders scharfe Abbildung der in eine Codescheibe eingearbeiteten Schlitzstrukturen. Dank rauscharmer Verstärkertechnik der neuesten Generation stehen die kontrastreichen Eingangssignale am Ausgang signaltreu und robust zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.

Zusätzliche Sektorerkennung für eine leichtere Montage der Nonius-Systeme

Nonius-Systeme mit hoher Ortsauflösung erfordern besonders präzise Montageprozesse. Je kleiner die Teilungsstrukturen auf der Codescheibe sind, desto feiner muss die Phasendifferenz der Spuren ausgewertet werden, um die Positionsinformation zuverlässig ermitteln zu können. Zusätzliche Ungenauigkeiten und Fehler, die insbesondere durch mechanische Dejustage von Sensor und Codescheibe gegenüber der idealen Ausrichtung entstehen, können diese hochgenauen Systeme nur begrenzt tolerieren. Die neue Sensorfamilie begegnet dieser Problematik mit einer zusätzlichen Sektorerkennung.

Auf einer Codescheibe wird eine Nonius-Kombination achtmal wiederholt und der jeweilige Winkelsektor durch einen 4-Bit-Gray-Code eindeutig identifiziert. Durch die verringerte Anzahl der Teilungsperioden innerhalb des Nonius erhöht sich die Phasenreserve, was gleichzeitig größere mechanische Toleranzen erlaubt. Mit dieser Technik können nun auch miniaturisierte Systeme mit 2.048 Teilungsperioden auf einer Codescheibe mit einem Durchmesser von 26 mm problemlos realisiert werden. Das oQFN-Gehäuse mit einer Fläche von 5 mm x 5 mm der Vorgängerserie bleibt dabei erhalten.

Winkelauflösung mit 25 Bit und Interpolatortechnik

Die Weiterverarbeitung der vom iC-PNE generierten Signale übernimmt der Companion-Chip iC-MNF. Dieser auf Nonius-Systeme spezialisierte Auswertebaustein verfügt über eine dedizierte Signalkonditionierung für bis zu drei differentielle Eingangssignale, sodass alle analogen Spuren des iC-PNE nochmals separat und individuell aufbereitet werden. Die so erreichte Signalqualität kommt dem nachgeschalteten Digitalisierungsprozess des Sample&Hold SAR-Wandlers zugute, der eine Sin/Cos-Signalperiode mit 14 Bit innerhalb von 3 μs auflöst.

Die als 4-Bit-Gray-Code vorliegende Sektorinformation wird von einem Mikrocontroller in ein kompatibles serielles Datenformat umgesetzt und an die Absolutdatenschnittstelle des iC-MNF übergeben. Aus der Kombination von Winkelsegment und sich darin wiederholendem Nonius ermittelt der Interpolator eine über den Vollkreis eindeutige Position mit einer Auflösung bis zu 25 Bit.

Für die Ausgabe steht dem Anwender eine verpolungssichere digitale Schnittstelle mit RS422-Leitungstreibern zur Verfügung. Darüber können die Datenprotokolle BiSS oder SSI mit Taktraten bis zu 10 MHz übertragen werden. Eine leistungsfähige und kurzschlussfeste analoge Schnittstelle zur Übertragung von differentiellen Sin/Cos-Signalen mit einer Spannung von 1 V_ss ist ebenfalls vorhanden.

Batteriegestützte Multiturn-Funktionalität ohne zusätzliche Sensorik

Die speziell für die Sektorerkennung entwickelten Digitaldioden arbeiten bereits ab einer Betriebsspannung von 1,8 V zuverlässig autark. Aufgrund der besonders geringen Leistungsaufnahme eignet sich die Gray-Code-Abtastung des iC-PNE zur Realisierung einer batteriegestützten Multiturn-Funktionalität. Dazu wird die Sende-LED durch eine Bootstrap-Schaltung auch bei niedrigen Spannungen kurzzeitig zum Blitzen gebracht. Das schmale Zeitfenster reicht aus, um die parallelen Signale des Gray-Codes zu erzeugen und von einem kostengünstigen Low-Power-Mikrocontroller auslesen zu lassen.

Anschließend wird die Information nichtflüchtig gespeichert und die gesamte Geberelektronik kann wieder in einen stromsparenden Sleep-Modus übergehen. Der Baustein iC-MNF bleibt komplett abgeschaltet, steuert aber eine verpolungssichere passive Batterieumschaltung zur Multiturn-Lösung bei. Mit dieser Systemarchitektur können Singleturn-Drehgeber mit 26 mm, 33 mm oder 39 mm Codescheibendurchmesser ohne zusätzliche Sensorik zu einem echten Multiturn-Drehgeber erweitert werden.

* Silvan Ettle arbeitet im Vertrieb und in der Applikation bei iC-Haus.

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