Sensormodule

Höhere Auflösung und noch bessere Performance für Zahnsensormodule

Höhere Auflösung und noch bessere Performance für Zahnsensormodule

Die Sensormodulfamilie EBx7811 mit verschiedenen Optionen der Ausgangsschnittstellen und Auswahl an verschiedenen Sensoren für die optimale Anpassung an die Encoder-Zahnstruktur gibt es bei Sensitec schon recht lange im Portfolio. Nun erhält sie eine Überarbeitung in der Signalverarbeitung und wird noch leistungsfähiger. Auch das Zusatztool FOCUS-Box, für die automatische Nachkalibrierung der relevanten Sensorparameter in der Applikation, sorgt für weniger Aufwand beim Einbau und eine höhere Genauigkeit bei der Drehzahl- oder Positionsmessung.

Die magnetoresistive Technologie wird bei Sensitec seit Beginn als Kerntechnologie eingesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt. Ein Team aus Chip- und Systementwicklern konstruieren stetig neue Sensorprodukte für Anwendungen im Bereich Automobil, Industrie und Medizintechnik. Der magnetoresistive Effekt kann hierbei nicht nur mit einer typischen magnetischen Maßverkörperung, die beispielsweise abwechselnd mit Nord- und Südpolen kodiert ist, betrieben werden, sondern das Prinzip kann so verschoben werden, dass ein Magnet bei dem Sensorelement positioniert wird und eine weichmagnetische Zahnstruktur dieses Magnetfeld verändert. Wird die Konstellation zwischen Magnet, Chip-, bzw. Chipposition und Zahnstruktur korrekt ausgelegt, erzeugt dies am Sensorausgang ein Sinus- und Cosinussignal, so dass bei der Bewegung pro Zahnstruktur jeweils eine Signalperiode erzeugt wird.

Dieses Prinzip ist aber nicht neu und wird schon lange in Systemen eingesetzt. Auch in der Produktfamilie EBx7811, die neben der ideal abgestimmten Sensor-Magnet-Anordnung eine weitere Signalkonditionierung und -weiterverarbeitung zu einer standardisierten Schnittstelle bietet.

Die Sensorsignale werden hier bezüglich Amplitude, Offset und Phase innerhalb der Fertigung bei Sensitec abgeglichen, so dass eine möglichst ideale Signalqualität an einer Zahnstruktur entsteht. Hierbei spielt die Form der Zahnstruktur nur eine untergeordnete Rolle. Wichtig ist eine gleichmäßige, periodische Struktur mit beispielsweise einer Teilung von 2 mm. Das Sensorelement ist so ausgeführt, dass die Gradienten der Zahnstruktur, die eine Verformung der Feldlinien des im Sensormodul integrierten Magneten erzeugen, zu einem sinus- beziehungsweise cosinusförmigen Signal am Ausgang des Sensors führen.

Die Vorteile dieses Messprinzips mit einer rein mechanischen Zahnstruktur als Maßverkörperung sind vielfältig. So kann als Maßverkörperung ein bereits vorhandenes Maschinenelement wie z.B. ein Zahnrad verwendet werden, oder eine Zahnstruktur kann in Form von Bohrungen auf eine Welle aufgebracht werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der mechanischen Robustheit, so können Fliehkräfte bei hohen Drehzahlen einem Zahnrad weniger anhaben als einer Maßverkörperung mit aufgebrachter magnetischer Schicht aus beispielsweise kunststoffgebundenem Hartferrit, der die magnetische Codierung trägt. Weiterhin kann eine Zahnstruktur auch mit minimaler zusätzlicher Masse in ein System eingebracht werden, was ein Vorteil für ein schnell drehendes oder bewegendes bzw. dynamisches System darstellt.

Neben den vielen Vorteilen bei einer solchen Encoderlösung gibt es leider auch Einschränkungen, die zu einem erhöhten Aufwand in der Montage und Justage des Sensormoduls führen. Der Arbeitsabstand zwischen Sensor und Zahnstruktur ist abhängig von dem Maß der Zahnteilung, so dass der Sensor mit nur wenig Toleranz auf einen Abstand von einem Viertel der Zahnteilung justiert werden sollte. Abweichungen zu einer idealen Justage führen zu einem Einfluss auf die Sensorparameter und auch eine nicht optimale Zahnstruktur beeinflusst leicht die Signalform und Signalqualität. Im Ergebnis bedeutet das, dass es recht schwierig bis fast unmöglich ist in der Endanwendung die gleiche Performance des Sensorsystems zu erhalten wie bei dem Endabgleich am Endprüfplatz nach dem Herstellprozess.

Hierfür wurde als Lösung nun ein neues Werkzeug bestehend aus einer Elektronikbox und einer PC-Software entwickelt, welches es dem Endanwender ermöglicht, das Sensormodul nach der Montage  in der Anwendung unter Berücksichtigungen der Einbaubedingungen erneut abzugleichen. Die von der Montage beeinflussten Sensorparameter werden in diesem Abgleichprozess erneut ermittelt und im integrierten Speicher des Sensormodul hinterlegt. Justage Toleranzen des Einbaus und der Einfluss der Zahnstruktur werden so größtenteils kompensiert.

Die Montage erfordert nicht die höchste Präzision und kann somit in kürzerer Zeit durchgeführt werden. Der Abgleich selbst wird in nur wenigen Sekunden durchlaufen und es erfordert nur eine gleichförmige Drehung der Welle während des Prozesses. Hierbei muss der Endanwender keine komplizierten Parameter ermitteln und bewerten, denn der Abgleich geschieht vollautomatisch durch das Tool und wird mit einer einfachen und anschaulichen Visualisierung am Bildschirm dargestellt. Der Abgleichprozess sowie das Abgleichergebnis werden zudem in einer Datei inklusive aller Parameter protokolliert. So kann auch eine Dokumentation des Sensoreinbaus, beispielsweise während des Produktionsprozesses oder einem Serviceeinsatz, durchgeführt werden.

Mit der mitgelieferten PC-Software (GUI) werden die Sensorsignale in einer Lissajous-Figur anschaulich mit einem Zielkorridor dargestellt – eine Bewertung der Einbausituation kann damit umgehend erfolgen. Bei einem Abgleichprozess werden die Signale zudem vor und nach dem Abgleich im Vergleich angezeigt. Zusätzlich werden auch die Abgleichparameter innerhalb des möglichen Abgleichbereichs dargestellt. Dies kann als weiterer Indikator dienen und genutzt werden. Sollte der Abgleich zwar möglich sein, sich aber bereits an den Grenzen des abgleichbaren Bereichs befinden, kann der Anwender ggf. eine Nach-Justage in Betracht ziehen, um das System von einem Grenzbereich der Abgleichparameter in einen stabileren Bereich zu bringen. Weiterhin ist für das Abgleichtool eine offene Schnittstelle (API) geplant, so dass die Elektronikbox in die Produktionsumgebung beim Endkunden in dessen eigener Software-Anwenderoberfläche eingebunden werden kann.

Schaut man auf typische Anwendungen, wo sich das Zahnsensorprinzip besonders gut eignet – auch aus dem Grund, dass es auch einige oben erläuterte Rahmenbedingungen gibt, die Nachteile bei dem Sensorprinzip mit sich bringen – zeigen sich Applikationen mit schnellen Bewegungen und hohen Drehzahlen mit wenig Führungs- bzw.- Lagespiel als sehr geeignet. Im Bereich Hochfrequenzspindel wird das Sensormodul daher gerne eingesetzt, um auch bei sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten eine zuverlässige Drehzahlregelung zu gewährleisten.

Hier zeigt sich auch der Vorteil einer wenig ausgeprägten und flach ausgeführten Zahnstruktur, denn eine gröbere Struktur verursacht bei hohen Drehzahlen eine extreme Geräuschentwicklung sowie einen zusätzlichen Temperatureintrag in das System. Auch für Anwendungen bei denen aggressive Medien in der Umgebung des Encoders durch beispielsweise Schmieröle oder Lagerfette auftreten können, bietet sich die berührungslose Zahnsensormesslösung an. Magnetische Maßverkörperungen, die oftmals auf Kunststoff- oder Elastomermaterial basieren, können durch die aggressiven Medien beeinflusst oder zerstört werden. Eine robuste und rein aus einem ferromagnetischen Metall bestehende Maßverkörperung bietet hier deutliche Vorteile.

Die magnetoresistive Lösung zeichnet sich vor Allem durch eine sehr gute Signalperformance in Bezug auf Auflösung, Genauigkeit und Dynamik aus. Verschiedene Sensortypen, angepasst an verschiedene Zahnteillungen, stehen zur Verfügung. Eine Version mit einer digitale Quadraturschnittstelle mit frei einstellbarer Auflösung und eine analoge Version mit einer Standardschnittstelle mit 1 Vss sind verfügbar und decken einen breiten Bereich der Anforderungen ab. Zusammen mit dem Abgleichtool „Focus“ können Zahnsensor-Encoderlösungen schnell und zuverlässig realisiert werden.

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