Bits und Bytes ersetzen Zahnräder

Der Trend, durch Mikroelektronik und Software Geräte in ihren Abmessungen ¿einzudampfen¿ sowie Mechanik zu substituieren, zeigt sich besonders deutlich bei den ¿Sinnesorganen¿ der Automatisierung, den Sensoren und Messwertaufnehmern. Schon seit Jahren reduzieren beispielsweise die Hersteller von Näherungsschaltern die Durchmesser und pferchen gleichzeitig immer größere Funktionsdichten in die winzigen Gehäuse. Der Siegeszug der Bildverarbeitung basiert zum einen auf den billigeren und kleineren Kameras, zeigt aber zum anderen, welchen riesigen Anteil die Software an den aktuellen und künftigen Entwicklungen hat. Dies gilt auch für viele Bereiche der Antriebstechnik, wo ein paar Programmzeilen ganze ¿Mechanik-Gebirge¿ ersetzen können.

Als besonders eindrucksvolles Beispiel mögen hier die Veränderungen an Multiturn Absolut Drehgebern dienen. Hierbei mussten sich die Entwickler häufig zusätzliche Tricks einfallen lassen, um die gewünschten Funktionen in Elektronik zu ¿gießen¿. Derartige Geber zählen zusätzlich zu den Segmenten (Inkrementen) der optischen Teilungen auch die Umdrehungen und können so über eine begrenzte Zahl von Umdrehungen (Multiturn) die absolute Position ausgeben. Alle Drehgeberhersteller hatten bei der Entwicklung von absoluten Systemen zur Erfassung der Umdrehungen ausschließlich mechanische Getriebe und mehrere optische Abtasteinheiten eingesetzt.

Elektronik statt Getriebe

Als IVO 1990 eigene Multiturn Absolutgeber entwickelte, wurde nach einer Lösung gesucht, den aufwändigen Einsatz von Zahnrädern und verschiedenen Impulsscheiben zu vermeiden. Die jahrzehntelangen Erfahrungen, bei elektronischen Zählern Impulse lange zu speichern und Impulszählungen ohne externe Versorgungsspannung über Jahre sicher zu ermöglichen, führte zum ¿Touch-less-encoder-Prinzip¿. Parallel zu der Codescheibe für den Singleturn-Bereich erzeugt ein Magnetring auf der Geberwelle in zwei zusätzlichen Reedschaltern auf der Leiterplatte zwei um 90 Grad versetzte Impulse. Eine integrierte Speicherzelle ermöglicht es, die Drehung der Welle in beiden Richtungen auch im spannungslosem Zustand zu erfassen.

Durch geeignete Magnetschalter mit sehr geringer Stromaufnahme und die geringe Zählfrequenz, weil nur Positionsveränderungen erfasst werden, die eine Drehung der Geberwelle um mehr als 360 Grad ergeben, ist eine Batterie-Lebensdauer von über 20 Jahren möglich.

Selbstverständlich müssen die Daten der Codescheibe (Singleturn) und die Impulse des Magnetgebers (Multiturn) miteinander zur absoluten Position verrechnet werden. Das übernimmt im vorliegenden Fall ein spezieller Mikroelektronik-Chip, der gleich noch etliche andere Aufgaben erledigen kann.

Unter dem Strich brachte diese Entwicklung immerhin 30 Prozent geringere Kosten gegenüber einer ¿Getriebelösung¿. Weitaus gravierender wirkt sich aber in der Praxis die deutlich kürzere Bautiefe sowie die enorm hohe Festigkeit gegen Schock und Vibrationen bis zu 200 Gramm aus. Erst durch dieses Prinzip wurde auch der Einsatz durchgehender Hohlwellen mit ihren Vorteilen bei der einfachen Montage möglich.

Sichere, überwachte Batterien

In der Branche besteht allerdings eine gewisse Skepsis gegen die Haltbarkeit der eingesetzten Batterien insbesondere in großen Anlagen wie Papiermaschinen, wo ein vorzeitiger Ausfall zu riesigen Problemen und Kosten führen würde, wie der ¿Drehgeber-Papst Theo W. Kessler¿ von TWK in Düsseldorf anmerkt. Dem hält IVO-Marketingleiter Heinrich Greiner 20 Jahre Erfahrung bei Batteriezellen entgegen. ¿Bisher sind Batterien nur ausgefallen, wenn extreme mechanische Belastungen die Batterien losgerissen haben, obwohl diese besonders gesichert sind. Solche Belastungen würden Geber mit Getriebe allerdings nicht überstehen. Während ein Getriebegeber bei Ausfällen einfach stehen bleibt, geben die getriebelosen Absoluten bereits sechs Monate vor dem Kapazitätsverlust der Batterie ein Warnsignal aus, sodass ein Wechsel langfristig in die Routine-Wartungsarbeiten eingeplant werden kann.¿

Diese Drehgeber arbeiten mit einer Auflösung von 29 Bit, wobei 13 Bit für die Winkelinformation und 16 Bit für die Umdrehungszahl verwendet werden. Es können pro Umdrehung 8192 Winkelschritte aufgelöst werden. Im Multiturnbereich lassen sich 65 536 Umdrehungen erfassen. Für Anwendungen, die höhere Genauigkeit und hohe Datenraten bei geringerer mechanischer Belastung erfordern, bieten sich Multiturns an, die bereits im Singleturn-Bereich mit einer Auflösung von 18 Bit arbeiten und eine Genauigkeit von 0,005 Grad erlauben. Damit sind sie für die meisten industriellen Einsatzbereiche geradezu prädestiniert, zumal sie sich mit unterschiedlichen Feldbus-Hauben kombinieren und so problemlos in die verschiedensten Automatisierungslösungen einbinden lassen.

Dies ist ein erstes Beispiel, wie Mikroelektronik-Schaltkreise mit höherer Leistungsdichte die Mechanik ersetzen können. Erst vor kurzem stellte das Unternehmen seine weitere Neuentwicklung ¿Magtivo¿ vor. Bei diesem neuen Konzept reduziert sich der Singleturnbereich auf winzige Sensorelemente. Die Codescheiben entfallen komplett, der Multiturnbereich wird noch wesentlich kompakter. An Stelle der Optik und des Magnetrings sitzt hier am Wellenenden nur noch ein kleiner Kreuzmagnet. Die Gegenseite bildet ein wenige Millimeter großer Chip als Sensor. Zwar sind nicht die extrem hohen Auflösungen des optischen Abtastprinzips möglich, aber die sind auch für viele Anwendungen gar nicht erforderlich. Dafür ergibt dieses Verfahren noch robustere, kompaktere Geber, wie die folgende Darstellung zeigt.

Magnetisch noch robuster

Die optische Abtastung im Singleturn-Bereich erlaubt einerseits eine hohe Genauigkeit, ist andererseits aber vom Prinzip her relativ empfindlich. Das kann sich bei extremen Umgebungsbedingungen als Schwachstelle erweisen.

Für Heavy-Duty-Anwendungen bedienten sich die Entwickler bei IVO deshalb eines neuartigen magnetischen Abtastprinzips. Dieses robuste Verfahren erreicht eine absolute Genauigkeit von 10 Bit und wird sowohl im Single- wie im Multiturn-Bereich eingesetzt. Den Schlüssel zu dieser revolutionären, magnetischen Drehgebertechnik lieferte ein spezieller Hallsensor, bei dem im Prinzip vier Sensorelemente eingearbeitet sind. Kombiniert mit einer ausgeklügelten Auswertung ergeben sich dadurch für die Drehgebertechnik ganz neue Möglichkeiten. Das Verfahren besticht durch seinen einfachen Aufbau. Auf der sich drehenden Welle ist ein Magnet angebracht, mit dessen Hilfe der Sensor die Winkelpositionen innerhalb einer Umdrehung erfasst. Zum Zählen der Umdrehung sind auf der gleichen Platine zwei zusätzliche Empfänger-Sensoren installiert. Um die Sensoren für den Singleturn- und für den Multiturn-Bereich anzusprechen, reicht also nur ein Magnet aus. Ganz ohne Nachteile bleibt auch dieses Prinzip nicht: Damit lassen sich ¿ wenigstens bisher ¿ keine Geber mit Hohlwelle bauen.

Da es keine optischen Elemente gibt, können derartige Geber komplett vergossen werden. Das bringt vor allem in rauen Einsatzbereichen Vorteile. So lässt sich die Schutzart IP67 problemlos realisieren. Anwendungen im Ex-Bereich sind auf Grund des geringen Strombedarfs ebenfalls möglich. Da sich das magnetische System naturgemäß nicht von Fremdlicht beeinflussen lässt, kann man bei einigen Applikationen ganz auf ein Gehäuse verzichten und den Geber direkt in die Anwendung integrieren. Neben der weit verbreiteten Gehäusegröße mit 58 Millimetern Durchmesser, die hier etwa zwölf Millimeter kürzer als bei den optischen Versionen baut, werden auch Baureihen mit wesentlich kleinerem Gehäusedurchmesser von 42 Millimetern angeboten.

Typische Anwendungen dafür finden sich bei Windkraftanlagen im Offshore-Bereich aber auch Pressen und Stanzen oder Anlagen der Lebensmittelindustrie, die der täglichen Reinigung mit dem Dampfstrahl widerstehen müssen.

Die magnetische Abtastung reduziert die Abmessungen des Gebersystems sehr drastisch, erfordert aber einen erheblichen Aufwand an Signalverarbeitung, um zu brauchbaren Auflösungen zu kommen. Die wird meistens zusammen mit den erforderlichen Hall-Sensoren in einem kundenspezifischen Schaltkreis (ASIC) integriert. Solche robusten Gebersysteme in Schutzart IP64/IP67 gibt es auch von anderen Anbietern.

Bernhard Siegmund

Links: http://www.twk.de, http://www.ivo.de