Sensor-Integration Winkelsensoren für die Motorsteuerung: Optisch, induktiv und magnetisch im Vergleich

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ALLEGRO Microsystems, Inc.

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Für einen effizienten Betrieb benötigen moderne Motorregler die exakte Rotorposition in Echtzeit. Doch welche Sensortechnologie eignet sich? Dieser Beitrag vergleicht klassische Resolver und Encoder mit modernen magnetischen sowie induktiven Sensor-ICs und zeigt, worauf Hardware-Entwickler bei der Systemintegration achten sollten.

Im Betrieb erzeugt der Wechselrichter ein rotierendes Magnetfeld, das durch gezieltes Bestromen der Motorwicklungen die Rotorbewegung antreibt. Voraussetzung für einen optimalen Wirkungsgrad ist jedoch die präzise Kenntnis der exakten Rotorposition in Echtzeit. Nur so lassen sich Stromamplitude und Phasenlage passgenau regeln.

Zwar bieten sensorlose Regelverfahren, wie auf Basis der elektromotorischen Gegenkraft (Back-EMF), in bestimmten Drehzahlbereichen durchaus Vorteile. Bei sehr langsamen Bewegungen oder hochdynamischen Anfahrvorgängen stoßen sie jedoch an ihre Grenzen, da das benötigte EMF-Signal hierfür zu schwach ausfällt. In solchen anspruchsvollen Szenarien sind dedizierte Positionssensoren unverzichtbar.

Der Beitrag stellt die verschiedenen Technologien zur Rotorlageerfassung systematisch gegenüber: von klassischen optischen und kapazitiven Verfahren über induktive Resolver bis hin zu modernen magnetischen und induktiven Winkelsensoren, wie sie heute für hochdynamische Industrieanwendungen konzipiert werden.

Den typischen Aufbau einer BLDC-Motorsteuerung mit integrierter Rotorlageerfassung zeigt Bild 1. Die Auswahl eines geeigneten Sensors erfordert hierbei stets fundiertes Wissen über die spezifische Applikation sowie über die zugrunde liegenden Sensortechnologien. Zu den wichtigsten Auswahlkriterien zählen:

• Messgenauigkeit und Auflösung

• Drehzahlbereich der Anwendung

• Mechanische Toleranzen bei Montage und Luftspalt

• Thermische Stabilität im gesamten Betriebstemperaturbereich

• Empfindlichkeit gegenüber Störgrößen (zum Beispiel externe Magnetfelder)

• Abmessungen, Kosten und Integrationsaufwand

• Signalverarbeitung im Regler oder Mikrocontroller

Verschiedene Sensorprinzipien im Vergleich

Optische Encoder bestehen im Wesentlichen aus einer LED, einem Fotodetektor und einer Codierscheibe mit abwechselnd transparenten und undurchlässigen Segmenten (Bild 3). Diese Codescheibe unterbricht den Lichtstrahl periodisch, sodass der Detektor daraus präzise Winkelinformationen ableiten kann.

In der Praxis haben sich zwei Hauptvarianten etabliert:

• Absolute Encoder: Sie liefern meist einen Gray-Code-Ausgang, der bereits direkt nach dem Einschalten eine eindeutige Position übermittelt.

• Inkrementale Encoder: Sie nutzen mehrere Spuren, um sowohl die Drehrichtung als auch die Nullposition zu erkennen.

Trotz ihrer hohen Auflösung und extrem schnellen Reaktionszeiten weisen optische Encoder in der industriellen Praxis einen gravierenden Nachteil auf: Sie sind äußerst empfindlich gegenüber Staub, Schmutz, Schockbelastung und Vibrationen. Diese Anfälligkeit und ihre teils begrenzte Lebensdauer machen sie für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen oft weniger geeignet.

Kapazitive Encoder nutzen drei scheibenförmig angeordnete Elektroden – Sender, Modulator und Empfänger – und werten die Veränderung der Kapazität aus (Bild 4). Die aktuelle Rotorposition beeinflusst dabei das elektrische Feld und moduliert so das Messsignal. Durch den Einsatz mehrerer modulierter Spuren ist auch hier eine absolute Winkelmessung möglich.

Kapazitive Sensoren bieten eine vergleichbare Genauigkeit wie optische Encoder und sind deutlich robuster gegenüber Schmutz. Ihr Nachteil: Sie reagieren empfindlicher auf elektromagnetische Störungen (EMI). Zudem ist ihre Integration in das Gesamtsystem meist teurer und aufwendiger.

Induktive Resolver: Klassische Resolver basieren auf dem Prinzip rotierender Transformatoren. Ein rotierender Eisenkern koppelt dabei eine Primärwicklung (Erregerspule) mit zwei um 90 Grad versetzten Sekundärwicklungen (Bild 5). Wird ein hochfrequentes AC-Signal an die Primärwicklung angelegt, induziert dies ein amplitudenmoduliertes Signal in den Sekundärspulen.

Die exakte Winkelinformation wird anschließend über den Arcustangens aus dem Spannungsverhältnis der beiden Signale berechnet. Resolver gelten als extrem robust und temperaturbeständig. Sie sind jedoch vergleichsweise groß, schwer und teuer. Außerdem ist ihre Auflösung im Vergleich zu modernen Sensoren nur begrenzt.

Induktive Sensoren und magnetische Positionssensoren

Moderne induktive Sensoren, wie die Modelle A17802 und A17803 von Allegro MicroSystems, setzen auf Leiterbahnstrukturen auf einer Leiterplatte (PCB) anstelle dicker, gewickelter Spulen. Ein Sender erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das durch ein rotierendes metallisches Target moduliert wird (Bild 6). Zwei um 90 Grad versetzte Empfängerspulen generieren daraufhin Sinus- und Kosinussignale, aus denen der Sensorchip den Winkel exakt berechnet.

Diese Sensoren bieten eine hervorragende Temperaturstabilität und sind völlig unempfindlich gegenüber Vibrationen sowie externen magnetischen Streufeldern. Ihr größter Pluspunkt: Sie lassen sich extrem platzsparend und kosteneffizient in bestehende Systeme integrieren.

Magnetische Positionssensoren detektieren die Position eines rotierenden Permanentmagneten. Grundsätzlich lassen sich drei Haupttypen unterscheiden:

• Latches: Diese Schalter reagieren auf bestimmte Feldstärken sowie Polaritätswechsel und eignen sich ideal für eine grobe Rotorlageerkennung (Bild 7a).

• Winkelsensoren: Sie erfassen kontinuierlich die Ausrichtung eines Dipolmagneten. Das ist eine essenzielle Voraussetzung für die feldorientierte Regelung (FOC) von Antrieben (Bild 7b).

• Linearsensoren: Sie messen die absolute Magnetfeldstärke entlang einer definierten Achse.

Das Portfolio von Allegro MicroSystems umfasst in diesem Bereich sowohl bewährte Hall-Effekt-basierte Sensoren (A1330, AAS33001, A33230) als auch hochmoderne TMR-basierte Lösungen (Tunnel Magnetoresistance, z. B. CT310, A33110). Letztere zeichnen sich durch eine noch höhere Messauflösung, deutlich reduzierte Signalstörungen (Jitter) und einen optimierten Energieverbrauch aus.

Montage, Systemintegration und Signalausgabe

Winkelsensoren lassen sich je nach mechanischen Gegebenheiten der Applikation in zwei Grundkonfigurationen verbauen:

• On-Axis: Der Sensor sitzt exakt auf der Drehachse, direkt gegenüber dem Magneten. Dieses Setup erzeugt ein symmetrisches, homogenes Magnetfeld, was die Signalverarbeitung im Sensor massiv vereinfacht. Die Messung erfolgt direkt und hochpräzise und erfordert in der Regel keine aufwendige Kalibrierung.

• Off-Axis: Ist eine direkte axiale Montage mechanisch nicht möglich, beispielsweise bei durchgehenden Wellen, wird der Sensor seitlich zur Achse angebracht. Dies geschieht oft in Kombination mit einem Ringmagneten. Diese Anordnung erzeugt jedoch ein nichtlineares Feldprofil. Für eine präzise Winkelbestimmung sind daher zwingend mehrpunktkalibrierte Kompensationen im System erforderlich (Bild 7).

Moderne Sensor-ICs bieten dem Hardware-Entwickler eine breite Auswahl an Ausgangsformaten, die zu den Performance-Anforderungen und der gewählten Steuerungstopologie passen. Zu den wichtigsten zählen:

• Analog: Die gemessene Position wird als einfache proportionale Spannung (zum Beispiel 0 bis 5 V) ausgegeben. Diese Schnittstelle eignet sich hervorragend für niederfrequente Applikationen, erfordert jedoch einen A/D-Wandler im Mikrocontroller.

• PWM (Pulsweitenmodulation): Die Winkelposition wird über das Tastverhältnis (Duty Cycle) eines digitalen Signals kodiert. Die großen Vorteile dieser Methode sind ihre hohe EMV-Robustheit und die extrem einfache Dekodierung im Controller.

• Sin/Cos (Sinus/Kosinus): Zwei phasenverschobene analoge Signale repräsentieren die Winkelinformation. Der Mikrocontroller berechnet den exakten Winkel anschließend über die Arcustangens-Funktion. Diese Methode ist besonders kosteneffizient und flexibel.

• ABI: Ein klassisches Inkrementalprotokoll mit einer A- und einer B-Spur (90 Grad phasenversetzt pro elektrischem Zyklus) sowie einem Indexsignal (Z). Es ist ideal für hochdynamische Anwendungen. Der einzige Nachteil: Die absolute Winkelposition ist dem System erst nach dem Passieren des Z-Pulses bekannt.

• UVW: Drei diskrete Ausgänge simulieren hierbei klassische Hall-Sensoren, was diese Variante perfekt für die einfache, trapezförmige BLDC-Ansteuerung macht.

Darüber hinaus unterstützen viele moderne Sensoren dedizierte digitale Kommunikationsschnittstellen wie SPI, UART, I²C oder SENT. Über diese lassen sich neben der reinen Positionserfassung auch umfassende Diagnose- und Parametrierfunktionen im System realisieren.

Wichtige Kalibrier- und Designparameter

Für die optimale Integration eines Sensors in ein BLDC- oder PMSM-System und die anschließende Auswertung im Mikrocontroller sind folgende Parameter entscheidend:

• Genauigkeit: Für eine effiziente feldorientierte Regelung (FOC) ist eine absolute Winkelauflösung von < 1° essenziell.

• Montagetyp: Ob On-Axis, Off-Axis oder klassisch mit drei Latches – die mechanische Integration beeinflusst das Feldprofil und damit direkt die Signalqualität.

• Polpaarzahl des Motors: Der elektrische Winkel ergibt sich durch die Multiplikation des mechanischen Winkels mit der Anzahl der Polpaare. Ein kritischer Faktor: Auch mechanische Toleranzen, Sensorfehler oder Rauschen werden bei dieser Umrechnung entsprechend vervielfacht.

• Absolutwinkelerfassung: Moderne Sensoren ermöglichen eine einfache softwareseitige Justage des Nullpunkts. Das ist zwingend nötig, um unvermeidbare mechanische Montageabweichungen in der Fertigung (HVM) zu kompensieren.

• Drehzahlbereich: Bei sehr hohen Drehzahlen kann die interne Systemlatenz (Verarbeitungszeit des Sensors und des Reglers) zu dynamischen Winkelfehlern führen. Diese Phasenverschiebung lässt sich jedoch durch eine prädiktive Vorsteuerung (Feed-forward) und intelligente Softwarekompensation im Regler korrigieren.

Fazit und Ausblick

Die präzise Erfassung der absoluten Rotorposition ist heute ein zentraler Baustein jeder modernen Motorregelung – insbesondere bei leistungsstarken BLDC- und PMSM-Antrieben, wo Effizienz und Dynamik gefordert sind. Während klassische Resolver sowie optische und kapazitive Encoder diesen Markt lange Zeit dominierten, gewinnen heute vor allem kompakte magnetische und induktive Sensor-ICs an Bedeutung.

Diese modernen Halbleiterlösungen bieten dem Hardware-Entwickler gleich mehrere entscheidende Vorteile:

• Hohe Genauigkeit und Robustheit auch unter extremen Umweltbedingungen (Temperatur, Schmutz oder Vibration).

• Kosteneffizienz und Designflexibilität, insbesondere durch die direkte Integration auf Leiterplatten (PCB).

• Vielseitige Ausgangsprotokolle zur nahtlosen Anbindung an moderne Regler und Mikrocontroller.

• Reduzierter Platzbedarf bei gleichzeitig massiv steigender Funktionsdichte.

Integrierte Winkelsensoren, wie sie Allegro MicroSystems entwickelt, liefern präzise, hochaufgelöste Positionsdaten in einem einzigen Baustein und ersetzen damit zunehmend diskrete Latch-Kombinationen. Sie bilden die zwingende Voraussetzung für eine leistungsfähige, feldorientierte Regelung (FOC) in Echtzeit, senken gleichzeitig den System- und Entwicklungsaufwand und verbessern die Energieeffizienz des gesamten Antriebs signifikant.

Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Hall- und TMR-Technologie sowie hochintegrierter induktiver Ansätze ist zu erwarten, dass die Positionssensorik der Zukunft noch kleiner, schneller und smarter wird. Features wie integrierte Selbstdiagnose, programmierbare Filter und dedizierte Sicherheitsfunktionen (etwa nach ASIL/ISO 26262) werden künftig zum Standard gehören. (heh)

Vom Motor zum System

Motorsteuerungen auf Energieeffizienz trimmen

* Ranjit Farakate und Dr. Shashank Wekhande arbeiten bei Allegro Microsystems.

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