Einchip-Linear-Encoder mit Hallsensoren Wegsensor mit dem Funktionsprinzip eines magnetischen Drehgebers

Jetzt gibt es einen Linear-Encoder, der das Wirkprinzip des magnetischen Drehgebers mit Hallsensoren auf die Wegerfassung anwendet. Dieser Chip integriert neben den Hallelementen auch die digitale Signalverarbeitung, sodass in Kombination mit einer weiteren Komponente der Sensorhersteller ein kontaktloses Messsystem aufbauen kann.

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Die Erfassung linearer Bewegungen kann sehr aufwändig und teuer sein. Je nach gewünschter Genauigkeit und zu essender Wegstrecke kommen verschiedene Messverfahren zum Einsatz. Im einfachsten Fall ist dies ein Schiebepotenziometer, der einen variablen Widerstandswert proportional zur Wegstrecke liefert. Inkrementale oder absolute Linearmaßstäben erreichen Genauigkeiten von kleiner 1 µm bei Längen von mehreren Metern.

In einfachen Anwendungen wie Niveauregler, Hubmagneten, Sitzverstellung, Bewegungssensoren oder kontaktlosen Schiebeschaltern, gilt es jedoch Wegstrecken von einigen Millimetern bis einigen 100 cm möglichst kosten-günstig und kontaktlos zu erfassen. Magnetische Drehgeber auf Basis von Hallsensoren sind für rotierende Bewegungen bereits seit langem erfolgreich im Einsatz.

Das Messprinzip eines magnetischen Drehgebers beruht auf der Magnetfeldmessung eines diametral magnetisierten zylindrischen Permanentmagneten, welcher senkrecht über dem IC angeordnet wird. Die vier Hallsensoren sind für die Erfassung rotierende Magnetfelder jeweils als Sensorpaare orthogonal zueinander angeordnet und liefern entsprechende elektrische Sinus- und Cosinussignale, aus denen der Drehwinkel des Permanentmagneten eindeutig ermittelt werden kann.

Vier Hallsensoren in einer Linie

Für die lineare Wegmessung sind jetzt beim neuen Baustein iC-ML die vier Hallsensoren in einer Linie angeordnet und für einen magnetischen Polabstand von 2,56 mm ausgelegt. Der Schaltkreis gestattet die Verwendung eines entsprechenden Magnetbandes beliebiger Länge und garantiert eine fehlertolerante Montage, die den Assemblierungsaufwand verringert.

Bild 1 (siehe Aufmacher) zeigt die Anordnung des iC-ML schematisch in Bezug zum Magnetband. Die X-Koordinate liegt in der Bewegungsrichtung des abwechselnd nord-/südmagnetisierten Bandes und parallel zur Chipoberfläche. Die gezeigten Sinus- und Cosinussignale sind die elektrische Aus gangsspannungen im analogen Betriebsmodus.

Der Nullpunkt des Magnetband-Koordinatensystems wird auf den Mittelpunkt eines beliebigen Nordpols festgelegt. Mechanisch ist dann die Längsverschiebung des iC-ML anhand der Entfernung xd definiert, die zwischen dem äußersten linken Hallsensor und dem Nullpunkt des Magnetbandes besteht.

Bei Bewegung des Schaltkreises in X-Richtung ergibt sich der in Bild 1 gezeigte Signalverlauf an den Bausteinausgängen. Mit jeder Magnetperiode von 5,12 mm wird eine elektrische Signalperiode erzeugt. Innerhalb dieser Periode ist eine absolute Positionsbestimmung vorhanden.

Die Auswerteschaltung des Bausteins iC-ML beinhaltet den Hallsignalverstärker mit automatischer Verstärkungskontrolle, die Kompensation für Temperatur-, Magnetfeldstärke- und Versorgungsspannungsänderungen sowie einen A/D- und D/A-Wandler für digitalisierte und umgeformte analoge Ausgangssignale. Durch die differenzielle Magnetfeldauswertung ist die Schaltung auch unempfindlich gegen störende externe magnetische Gleichfelder. Der Abfall der Magnetfeldstärke unter eine verwertbare Grenze wird je nach Konfiguration des iC-ML als analoger Wert (GAIN) oder als digitales Signal (NERR) ausgegeben.

Programmierbare Betriebsarten

Die Signalverarbeitung des iC-ML unterstützt eine Auflösungsgenauigkeit von 20 µm bei einer Lineargeschwindigkeit bis zu 5 m/s. Zu den auf konstante Amplitude von 2 Vss geregelten Sinus- und Cosinussignalen stehen auch Digitalsignale in Form von Inkrementalimpulsen und ABZ-Quadratursignalen mit Auflösungen von 6 bzw. 7 und 8 Bit pro Magnetperiode zur Verfügung. Als weitere Option werden durch D/A-Rückwandlung hieraus periodische Signalformen wie Sägezahn-und Dreieckskurve generiert.

Die unterschiedlichen Betriebsarten lassen sich beim iC-ML über drei Eingänge mit Tri-State-Logik codieren. Die drei Zustände sind Low- und High-Pegel sowie der Vcc/2-Pegel, der sich bei einem offenen Eingang automatisch einstellt. Insgesamt sind 26 Betriebsarten mit den drei Eingängen wählbar. Die wichtigsten Betriebsarten sind: analoges Sinus- und Cosinussignal (einpolig oder differenziell), inkrementale A/B-Signale mit Nullimpuls, Zählimpulse für Up/Down-Binärzählung, analoges Sägezahn- oder Dreiecksignal mit einstellbarer Amplitude. Zusammen mit einem Magnetband als Maßverkörperung und dem iC-ML lässt sich ein komplettes Längenmesssystem herstellen.

Bild 2 zeigt beispielhaft den Anschluss des Messsystems an einen Mikrocontroller. Hierbei ist der iC-ML als Linearsensor konfiguriert und gibt die zu Bild 1 äquivalenten Analogsignale (PSIN, PCOS) aus, die jeweils auf den Bezugswert REF zu referenzieren sind. Das Signal GAIN stellt ein Maß für die verfügbare Magnetfeldstärke dar und ist zur Fehlerdetektion (beispielsweise ein fehlendes Magnetband oder in zu großem Abstand angeordnetes Magnetband) nutzbar.

Drei Kaskadierungsmodi

Die Übernahme des beschalteten Betriebsmodus erfolgt mit der Aktivierung des iC-ML über einen Low-Pegel am NEN-Eingang durch den Mikrocontroller. Mit den auf Masse verdrahteten Pins CFG1, CFG2 und CFG3 werden die zunächst neutralen I/O-Ports A, B, C und D des iC-ML als Ausgänge mit den dargestellten Eigenschaften konfiguriert.

Die Erfassung der linearen Position auf mehreren Kanälen oder Achsen unterstützt der iC-ML durch drei Kaskadierungsmodi. Hierbei werden mehrere Bausteine per Daisy Chain miteinander verbunden. Der NENO-Ausgang der ersten Stufe wird mit dem NEN-Eingang der nachfolgenden Stufe verbunden. Beim Mikrocontroller sind für die Ansteuerung nur vier Signalports zu reservieren: ein Kanal für den Takt, einer für das Daisy Chain und zwei für Datenleitungen.

Bild 3 zeigt die Schaltungsanordnung und das Zeitdiagramm für Taktung und Freigabe von drei kaskadierten Bausteinen, die jeweils nacheinander über den NEN-Eingang von der vorhergehenden Stufe aktiviert werden.

Es sind keine weiteren Bauteile für die Kaskadierung nötig. Gilt es im System sowohl rotierende als auch lineare Bewegungen zu erfassen, lassen sich mit dem iC-ML und dem iC-MA (für rotierende Wegerfassung) auch gemischte Systeme kaskadieren.

Bild 4 zeigt das Zeitdiagramm der Signale nach der Aktivierung eines iC-ML im Analogmodus durch den Mikrocontroller. Während der Ausgabe der Signale an den Busleitungen A und B erfasst der Mikrocomputer diese an den zwei getrennten Analogeingängen. In der gewählten Konfiguration sind dies im ers-ten Taktzyklus die PSIN- und PCOS-Signale, während im zweiten Takt das zugehörige Referenzsignal VREF sowie das GAIN-Signal zur Bewertung der Magnetfeldstärke ausgegeben wird.

Nach Aktivierung sind die Daten in jedem Taktzyklus nach typisch 150 µs stabil und geben das entsprechende elektrische Abbild der magnetischen Wegerfassung wider. Die Signalverläufe in Bild 4 zeigen die periodischen Analogsignale bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 5,12 m/s (bei Verwendung eines Magnetbandes mit einer Magnetperiode von 5,12 bzw. 2,56 mm magnetischem Polabstand).

Fit für den rauen Einsatz

Je nach gewählter Betriebskonfiguration sind von den in Bild 4 dargestellten analogen Signalen jeweils PSIN, NSIN, PCOS, NCOS oder PSIN, NSIN, VREF, GAIN an vier Ausgangspins permanent (Einzelbaustein, Bild 2) bzw. zwei Busleitungen über zwei Takte verteilt (Daisy-Chain-Anordnung, Bild 3) verfügbar.

Die gezeigte Systemkonfigurationen mit einem Mikrocontroller nach Bild 2 oder erweitert nach Bild 3 kommen in einfachen Sensorsystemen zum Einsatz, um lineare Ausschläge zu messen, seien es nun Längenausdehnungen, Vibrationen/Schwingungen, Flüssigkeitsniveaus, Verdrehungen, Hubbewegungen oder Positionsdaten. Aufgrund der kontaktlosen und verschleißfreien Signalerfassung sind die darauf aufbauenden Anwendungen bestens gerüstet für eine raue und mit extremen Temperaturschwankungen behaftete Umgebung.

*Dr. David Lin ist verantwortlich für Vertrieb & Applikationen bei iC-Haus GmbH, Bodenheim.

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