Schaltungstipp Winkel und lineare Position mit AMR-Sensoren messen

In diesem Schaltungstipp wird die kontaktlose, anisotrope Messung eines Winkels mittels AMR-Sensoren erklärt. Das Verfahren ist geeignet für hohe Geschwindigkeiten und Genauigkeiten bei der Winkelmessung.

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ROHM Semiconductor GmbH

MEV Elektronik Service GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Analog Devices

In der Antriebstechnik, besonders im Bereich der Automatisierung, sind genaue Drehzahlerfassung, Positions- und Winkelbestimmung immer gefragt. Im heutigen Schaltungstipp geht es deshalb um eine kontaktlose, anisotrope (richtungsabhängige) Messung eines Winkels mit Hilfe von AMR-Sensoren (Anisotroper MagnetoResistiver Effekt). Dieses Verfahren eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen es auf hohe Geschwindigkeit, Genauigkeit und ein kontaktloses Verfahren zur Winkel- und Positionsbestimmung ankommt.

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Der ADA4571 von Analog Devices ist ein erstes Derivat aus der aktuellen Sensorfamilie. Dieser Baustein besteht aus zwei Sensorelementen (AMR-Sensorbrücken), die jeweils wie eine Wheatstone-Brücke aufgebaut sind. Beide Brücken sind um 45° gegeneinander versetzt angeordnet und bestehen aus Mu-Metall-Sensorelementen (eine weichmagnetische Eisen-Nickel-Legierung). Über diesem Sensor wird nun ein Dipol-Magnet zur Erfassung des Winkels positioniert, dies kann z.B. Neodym (NdFeB) oder Samarium-Cobalt (SmCo) sein. Durch die Position des Magnetfelds wird in den Brücken je eine Spannung erzeugt, die einen Sinus- und einen Cosinusverlauf hat.

Diese Spannungen werden intern durch einen Instrumentenverstärker aufbereitet und können direkt einem A/D-Wandler zugeführt werden. Da die Brücken ratiometrisch betrieben werden, kann die Versorgung des Sensors dem Eingangsbereich des A/D-Wandlers entsprechen. Das rotierende Magnetfeld liefert nun in x-y-Richtung zwei Spannungen mit der doppelten Frequenz des Winkels, da der Sensor nicht die Richtung der Feldlinien detektieren kann, sondern nur den Winkel.

Dies liegt am Prinzip des Sensors: der Widerstand des Sensorelements ist am größten, wenn die Richtung der Magnetfeldlinien parallel zum Stromfluss ist. Soll eine absolute Position erkannt werden hat man verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist zu erkennen, in welchem der beiden 180°-Bereiche der Magnet steht (z.B. mit einem Index). Ein großer Vorteil des AMR-Sensors ist die Tatsache, dass in z-Richtung der Abstand des Sensors zum Magnetfeld keine große Rolle spielt (Luftspalt), solange die Feldstärke groß genug ist (mindestens 25 kA/m, ein Standard Magnet SmCo oder NdFeB hat ca. 1500 kA/m).

Messen der linearen Position

Die Messung einer linearen Position kann mit dem Sensor (oder 2 Sensoren) ebenso erfolgen. Nutzt man einen Sensor und einen linearen Magneten mit abwechselnd Nord- und Südpol, so kann eine relative Positionsbestimmung erfolgen. Um eine absolute Positionsbestimmung zu bekommen, können 2 Sensoren parallel angeordnet werden und 2 lineare Magneten abgetastet werden, deren Polzahlen unterschiedlich ist (z.B. 13 und 14 Pole). Dieses Verfahren lässt sich auch auf die Winkelbestimmung anwenden, wenn 2 Ringmagnete mit entsprechenden Polzahlen benutzt werden und die Sensoren nicht in der Drehachse angebracht werden sondern am Umfang.

Bild 2 zeigt die Anordnung für die lineare Wegmessung mit linearen Magneten unterschiedlicher Polzahl. Beide Sensoren liefern je eine Sinus- und Cosinusspannung, die dem A/D-Wandler zugeführt wird.

Im Controller wird dann jeweils der arctan2 gebildet, der als Ergebnis einen linearen Verlauf ausgibt, der jeweils für ein Polpaar gilt. Zieht man nun das Sensorsignal 1 vom Sensorsignal 2 ab, erhält man den absoluten Wert über die gesamte Strecke (vereinfachte Darstellung). Für diese Anwendung besitzen einige Controller schon eine unterstützende Hardware, eine sogenannte CORDIC-Einheit.

Auswertung der Signale

Die Auswertung der Sinus- und Cosinussignale übernimmt ein A/D-Wandler mit einer Auflösung von 12 Bit und einer Wandlungsrate von je 1 MSample/s. Beide Signale müssen simultan gewandelt werden, da sonst die Genauigkeit verloren geht. Mit dieser Konfiguration ergibt sich bei einer Auflösung von 1° eine Drehzahl von 2778 Umdrehungen pro Sekunde, das entspricht etwa 165.000 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend können höhere Auflösungen erreicht werden, wenn die maximale Drehzahl reduziert wird.

* Thomas Tzscheetzsch arbeitet als Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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