Magnetik auf dem Vormarsch

Technik Sensorik

Magnetsensoren – Als jüngsten Zuwachs in seinem strikt modular aufgebauten Sortiment präsentiert Posital einen hochauflösenden magnetischen Geber mit CANopen-Interface, der in Handling- und Kransystemen die nahtlose Substitution optischer Sensoren erlaubt.

17. August 2016

Lange galten optische Drehgeber als Nonplusultra, was Genauigkeit und Auflösung angeht. Die Winkelmessung innerhalb einer Umdrehung erfolgt hier mittels Codescheibe und einem optischen Chip zur Bewegungserkennung, während die Erfassung der Anzahl von Umdrehungen per Multiturn-Verfahren durch ein optisch abgetastetes Getriebe, vereinzelt auch durch Batterie-gepufferte Systeme, stattfindet.

Erst die Weiterentwicklung der magnetischen Sensorzellen und immer leistungsstärkere Mikrocontroller – gepaart mit intelligenter Signalverarbeitung – ebneten den Weg zu magnetischen Absolutwertgebern, die auf höchstem Niveau operieren können. Problemlos erreichen aktuelle magnetische Drehgeber eine Auflösung von 16 Bit bei einer Genauigkeit von 0,09 Grad – und damit Werte, mit denen früher nur optische Geber aufwarten konnten.

Kostengünstige Alternative

Dank ihrer Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeit, Schmutz und Vibrationen, aber auch aufgrund der deutlich kompakteren Bauweise bieten sich die neuen, hochpräzisen magnetischen Encoder in immer mehr Anwendungen als kostengünstige Alternative zu klassischen optischen Drehgebern an.

Ein sehr aktives Unternehmen bei diesem Systemwechsel ist das Kölner Unternehmen Posital, das schon vor Jahren mit der Suche nach Alternativen für die absolute Positionserfassung begonnen hatte. Kostengünstige magnetische Single-Turn-Drehgeber, bei denen ein Hall-Sensor und ein Permanentmagnet die Winkelposition der Welle messen, waren bereits aus dem Bereich der Automobiltechnik bekannt. Allerdings fehlte diesen Drehgebern die Fähigkeit, mehrere Umdrehungen auch bei Unterbrechung der externen Spannungsversorgung zu erfassen.

Gelöst wurde dieses Problem dank einer Wiegand-Sensorik, die unabhängig von der Geschwindigkeit einer Drehbewegung energiereiche Spannungsimpulse erzeugt und so die Zählelektronik für Multiturn-Drehgeber energieautark versorgt – und das batterielos. Vereinfacht betrachtet sind in dem speziell gefertigten magnetischen Wiegand-Draht viele kleine Magnete enthalten, die bei Erreichen einer bestimmten Magnetfeldstärke schlagartig umkippen und einen Energieimpuls erzeugen. Dieser Impuls wird durch eine um den Draht angeordnete Spule verstärkt. Vergleichen kann man dieses Energy-Harvesting-System mit einem Fahrraddynamo – mit dem Unterschied, dass der Impuls bei beliebigen Geschwindigkeiten zur Verfügung steht.

Ein weiteres Kernstück der hochgenauen magnetischen Ixarc-Serie ist die intelligente Verarbeitung der über den Hall-Sensor bereitgestellten analogen Signale durch einen leistungsstarken 32-Bit-Mikroprozessor. Posital hat diese Entwicklung vor gut drei Jahren gestartet und zu einem modularen Baukasten mit mittlerweile fast 290.000 Varianten ausgebaut.

Erst komplexe Filtertechniken und aufwendige mathematische Algorithmen, die vom firmeneigenen IT-Team für die Hightech-Chips entwickelt wurden, sorgen für eine präzise Kalibrierung und garantieren die Genauigkeit der neuen magnetischen 16-Bit-Encoder-Serie. Mit einer Updaterate der Position von weniger als 100 Mikrosekunden Zykluszeit arbeiten sie in Echtzeit – und sind so bestens für zeitkritische Messaufgaben wie Motorfeedback oder hochdynamische Positionieraufgaben geeignet.

Alle Busse an Bord

Entscheidend für den Markterfolg ist, dass die magnetischen Drehgeber von Posital alle marktgängigen Schnittstellen abdecken. »Hier sind wir in den letzten zwei Jahren in die Vollen gegangen – und bieten mit Analog, Profibus, DeviceNet, J1939, Interbus, EtherCAT, Ethernet/IP, ProfiNet, Powerlink, Modbus+Ethernet, TCP sowie der synchron-seriellen Schnittstelle SSI die wichtigsten Interfaces an,« sagt Christian Leeser, Mehrheitsgesellschafter und CEO von Posital und der Holding Fraba. »Eine der letzten Lücken schließen wir aktuell mit einer Serie von magnetischen Ixarc-Drehgebern mit CANopen-Schnittstellen, die vor allem für Einsätze in der Krantechnik und in Handling-Systemen ausgelegt sind.«

Konzipiert sind die neuen CANopen-Drehgeber für eine Auflösung von bis zu 16 Bit und eine Genauigkeit von maximal 14 Bit. Eine Besonderheit der Geräte ist die sogenannte Auto-Baud-Einstellung. Anwender müssen den Geber nicht mehr konfigurieren, bevor sie ihn an das Bus-Netzwerk anschließen. Das Gerät erkennt selbstständig die Baudrate am Bus – also die Kommunikationsgeschwindigkeit, die von der Steuerung vorgegeben wird – und stellt sich automatisch darauf ein.

Verfügbar ist der neue CANopen-Geber mit zwei radial angeordneten robusten Steckern, die den Verdrahtungsaufwand in Feldbusnetzen mit einer Linienstruktur reduzieren. Durch den Wegfall unnötiger T-Koppler lassen sich Installationszeit und Kosten spürbar einsparen.

Eine im M12-Anschlußstecker integrierte LED dient zur Anzeige von Netzwerk- beziehungsweise Gerätestatus und erleichtert die Inbetriebnahme. Verfügbar sind die neuen Drehgeber auch mit einer Anschlusshaube. Eine spezielle Hauben-Variante, deren Footprint identisch zu bereits installierten Opto-Sensoren ist, eignet sich sehr gut für die komplette Substitution von optischen Geräten in bestehenden Anlagen. Plug and play lautet hier die Devise.

Auf einen Blick

Das Produktangebot von Posital besteht aus über einer Million Drehgebern, Neigungs- und Linear-sensoren für die industrielle Bewegungskontrolle. Bewusst verzichtet das Unternehmen auf Kataloge mit vorgefertigten Produkten. Produziert wird ausschließlich auf Bestellung – und nach Vorgaben des jeweiligen Kunden. Mass Customization lautet das Credo. Die Konfiguration erfolgt online über einen interaktiven Produktfinder. In wenigen Minuten findet der Anwender exakt den Sensor, der für seine Applikation passt.

Erschienen in Ausgabe: 06/2016