iC-Haus stellt auf der SPS 2023 in Nürnberg seine jüngsten Innovationen aus dem Bereich hochauflösender optischer Encoder vor (Halle 4A, Stand 146). Die nächste Generation der iC-PNE Sensor-Serie ist ein besonderes Highlight.
Industrielle Antriebssteuerungen erfordern eine sehr schnelle und präzise Rückmeldung des Servomotor-Rotorwinkels für einen bestmöglichen Lastausgleich. Dies ist der Bereich, in dem hochauflösende optische Encoder ins Spiel kommen, die mehrere Nonius-Spuren abtasten, um eine hervorragende Auflösung zu erreichen.
Die neueste iC-PNE Sensor-Serie ist „blue ready“ und kann von einer LED-Beleuchtung im Nah-UV-Bereich profitieren, um besonders klirrarme Sinussignale mit 2.048 Zyklen pro Umdrehung auszugeben – für eine quasi latenzfreie direkte Rückgabe an den Antriebsegler. Gleichzeitig verbessern die kontraststarken Signale die Genauigkeit der Interpolationsschaltung iC-MNF, die auch die Nonius-Berechnung übernimmt. Diese Aufgabe vereinfacht iC-PNE durch zusätzliche Sektor-Detektoren, die einen komplementären Gray-Code ablesen. Dies reduziert die Nonius-Skala auf Winkelsegmente, die zugunsten der Betriebssicherheit mit einer viel höheren Fehlertoleranz ausgewertet werden können. Weil die Sektor-Detektoren schon ab 1,8 V autonom arbeiten, bei kleiner Stromaufnahme, kann optional ein batteriegestützter Umdrehungszähler per MCU implementiert werden.
Hohe Auflösung bei minimalem Bauraum
Den optischen Sensoren der iC-PNE Serie genügt eine kleine Sensorfläche von nur 1,9 mm x 3,3 mm, um Drehgeber-Codescheiben abzutasten und Sinussignale in bester „HiFi-Qualität“ zu erzeugen. Die Auswertung übernehmen Interpolations-ICs mit Nonius-Berechnung, vor allem der schnelle S&H-Wandler iC-MNF, der Winkelauflösungen bis 25 Bit erlaubt.
Im Vergleich mit konventionellen Absolutgeber-Sensoren lesen iC-PNE Sensoren nur drei inkrementelle Nonius-Spuren sowie einen 4-Bit Gray-Code, was Bauraum einspart und die Ausleuchtung vereinfacht. Durch die kleine Abtastfläche und die hohe Empfindlichkeit der Sensoren reduziert sich der Energiebedarf für die Beleuchtung zugunsten der LED-Lebensdauer. Die Phased-Arrays können mit einer blauen LED eingesetzt werden, beispielsweise der iC-TL46, was Verzerrungen minimiert und den Signalkontrast erhöht; für Bausteine die nur 512 Perioden pro Umdrehung ablesen, passen auch für Encoder übliche IR-LEDs (z.B. iC-TL85).
Die Photostromsignale werden durch ein neues rauscharmes Verstärkerdesign in niederohmige und störfeste Ausgangsspannungen gewandelt. Durch eine hohe Transimpedanz-Verstärkung von typisch 1 MOhm genügt bereits eine Beleuchtungsstärke um 2 mW/cm² um Ausgangssignale von mehreren hundert Millivolt für den nachfolgenden Interpolationsbaustein zur Verfügung zu stellen. Die iC-PNE Bausteine sind verfügbar für Codescheiben von 26 mm, 33 mm oder 39 mm und funktionieren ab 4,1 V über –40 °C bis 125 °C. Das verwendete optoQFN-Gehäuse baut sehr flach und spart aufgrund der Kantenlänge von nur 5 x 5 mm wertvolle Platinenfläche.
Nonius-Auswertung
Vergleichbar zum Messschieber, dessen Skalenprinzip der französische Mathematiker Pierre Vernier bereits im 17. Jahrhundert vorgestellt hat, erhöht auch iC-PNE die Ablesegenauigkeit durch mehrere Skalen. Dabei ist die absolute Positionsinformation in der relativen Phasenlage der Signale zueinander enthalten. Dies erfordert eine besondere Art der Auswertung, die der Encoder-Interpolator iC-MNF mit einer Interpolationstiefe von 14 Bit beherrscht.
iC-MNF verfügt in jedem Kanal über eine separat einstellbare Signalkonditionierung mit Sample-and-Hold-Stufe, die das aufbereitete Analogsignal für die anschließende sequenzielle Digitalisierung festhält. Dafür steht ein hochgenauer SAR-A/D-Wandler zur Verfügung, der bis zu 14 Bit pro Sinusperiode auflöst. Der nichtlineare A/D-Wandler verwendet die Tangens-Funktion und wertet Sinus und Cosinus simultan aus. Zur Berechnung der Winkelposition sind 2- und 3-Spur-Nonius-Skalen konfigurierbar, die Auflösungen bis 25 Bit ermöglichen (0.04 Winkelsekunden aus 360 Grad).
Der im QFN48 nur 7×7 mm große Wandler ist auf Kabelseite gegen Verpolung und Falschanschluss geschützt und beinhaltet den RS422-Transceiver für die serielle Datenschnittstelle. Die Ausgabe erfolgt im SSI- oder BiSS-Protokoll mit Taktraten von bis zu 10 Mbit/s. Alle Hauptfunktionen des Chips sind überwacht und für Alarmmeldungen konfigurierbar. Typische Sensorfehler, wie beispielsweise Signalverlust durch Drahtbruch, Kurzschluss, Verschmutzung oder Alterung, werden erkannt und der Steuerung gemeldet.
Ein batteriebetriebener Multiturn, als Software-Lösung auf der MCU, kann das System optional komplettieren. Aufgrund des kleinen Formfaktors und der geringen Zusatzkosten ist dies eine interessante Alternative für modulare Geber, wie beispielsweise in Robotik-Anwendungen.
Text- und Bildquelle: iC-Haus
