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ren Seite werden für industrielle Anwen-dungen in rauen Umgebungsbedingun-gen magnetische Encoder angeboten. Je nach Aufbau kommen sie mit Schmutz und Wasser gut zurecht. Aber beim Mo-toreinbau kommt ihr größter Schwach-punkt zu Tage: Sie sind empfindlich auf Magnet felder. Um dem Dilemma der op-tisch/magnetischen Systeme aus dem

Dipl. El.-Ing. Max Erick Busse- Grawitz ist R&D Manager für Encoder and Sensoren bei Maxon Motor in der Schweiz.

Die Encodertechnologien müssen immer kleiner, robuster und genauer werden und sicher vor Einflüssen wie EMV, Staub oder Öl sein. Zudem wird gefordert, dass sie über frei programmierbare Indexpulse und integrierte Kommutierungssignale verfügen. Ein neuer 6 mm großer Mikro-Encoder ist geradezu prädesti-niert für Anwendungen in beschränkten Platzverhältnissen und der Anforderung präziser geregelter An-triebe.

Weg zu gehen, müssen andere Prinzi-pien in Erwägung gezogen werden, z.B. kapazitiv oder induktiv. Solche Encoder sind bei größeren Motoren schon im Ein-satz, aber bisher noch nicht in Kleinst-motoren. Aus diesem Grund hat Maxon Motor in die Entwicklung von stark mi-niaturisierten Induktivgebern investiert. Das Resultat ist der Mile-Encoder (Ma-xon’s Inductive Little Encoder), der kleinste induktive Drehgeber. Er ist ideal für Anwendungsgebiete in der Medizin-

technik, in der Robotik oder in Indus-trieanwendungen mit rauen Um-

gebungen.

Funktionsprinzipien induktiver Encoder Das Prinzip der induktiven En-coder beruht darauf, dass sich die Induktivität von einer oder mehreren Spulen in Abhängig-keit von zugebrachtem Materi-al ändert. Beispielsweise könn-te ein halbkreisförmiger Eisen-kern, der die Maßverkörperung darstellt, an einer Spule vor -beigeführt werden, die dann ihre Induktivität ändert. Diese könnte zum Beispiel als Reso-nanzfrequenz eines LC Oszilla-tors ausgemessen werden. Andere Implementationen se-

hen differenzielle Aufbauten vor oder messen statt der Induktivität

(die stark abstandsabhängig ist) die Gegeninduktivität einer Mehrspu-

Mikro-Drehgeber für Anwendungen mit beschränkten Platzverhältnissen

Klein, robust und genau

� Mit optischen Drehgebern lassen sich heute Präzisionen im Nanometer-Be-reich erreichen. Allerdings sind sie sehr empfindlich gegen alles, was den Licht-strahl stört: Staub, Wasser- und Öl und deren Dämpfe, Smog und Reif. Dies in den Griff zu bekommen ist durchaus lös-bar, doch es erfordert kostentreibende Abdichtungsmaßnahmen. Auf der ande-

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de eine Anregungsfrequenz im MHz Be-reich gewählt. Diese Frequenz ermög-licht einerseits den Einsatz von dünnen Kupferschichten (100 μm sind ausrei-chend), andererseits operiert das System jenseits der übli chen Pulsweiten-Modu-lations-Frequenzen (PWM) und lässt sich damit selbst von sehr starken PWM-Sig-nalen nur unwesentlich stören.

Spannungen heben sich auf Um die Abhängigkeiten von den wich-tigsten ungewollten Einflussgrößen Sys-temtemperatur und Abstand der Ziel-scheibe zu reduzieren, wurde ein dop-pelt differenzieller Aufbau gewählt. Die Anregungsspule wird mit einem sym-metrischen Signal gespiesen. Sie bildet mit den innenliegenden Spulen einen Transformator. Die beiden innen liegen-den Spulenpaare sind antiseriell ver-schaltet. Da der Aufbau symmetrisch ist, heben sich die zu erwartenden Span-nungen der Einzelspulen auf – keine Ziel-scheibe, kein Signal. Wird jetzt eine Ziel-scheibe (im Bild semitransparent einge-zeichnet) auf den Aufbau gelegt, die die Spulen nur teilweise abdeckt, wird sich an den Eingängen der Differenzverstär-ker eine messbare Spannung einstellen. Je nachdem, wie die Zielscheibe steht, werden die Amplitude und die Phase dieser Spannung variieren. Das System verhält sich damit wie ein Resolver. Das Signal wird demoduliert, gefiltert und verarbeitet. Idealerweise würde es aus-reichen, dass der Winkel der Zielscheibe ermittelt wird, indem der Arcustangens aus dem Sinus- und dem Cosinussignal gebildet wird. Allerdings würden dann

lenanordnung. Trotz aller Maßnahmen zur Signalverbesserung haben diese Encoder Nachteile. So erfordert die Temperaturabhängigkeit des ver -wendeten Weicheisens/Ferrits Kom -pensationsmaßnahmen. Externe Mag-netfelder können die Permeabilität des verwendeten Materials schon weit unter der Sättigungsgrenze ändern. Eisen- oder ferrithaltige induktive En -coder sind zwar robuster gegen Magnet-felder als magnetische Encoder, aber bei starken Feldern steigen auch induktive Encoder aus oder ändern ihre Eigen-schaften. Sie sind von daher ohne Zu-satzmaßnahmen nicht für feine Inter-polation geeignet. Aus diesem Grund sind präzisere Induk tivencoder eisenlos. Der Kontrast wird mit Wirbelströmen erzeugt.

Wirbelstrombasiert und induktiv Beim neuen induktiven Encoder wird der Kontrast mit Wirbelströmen erzeugt. Die Maßverkörperung besteht aus einer Struktur aus nicht magnetischem, gut leitendem Metall, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Wird eine solche Struk-tur mit einem Hochfrequenzfeld be-strahlt, wird das Feld nicht weit eindrin-gen können. Die durch das Feld induzier-ten Wirbelströme bilden ein Gegenfeld und so bleibt das Feld an der Oberfläche stehen (Skin-Effekt); die Feldlinien müs-sen sich einen anderen Weg suchen. Auf diese Art wird ein Kontrast zwischen Luft und Metall erzeugt. Damit die nötige Metallfläche nicht zu dick ausfällt, und damit auch bei einem stark miniaturi-sierten System genug Signal bleibt, wur-

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Funktionsprinzip des induktiven Encoders

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Interpolationsfehler aus Montagetole-ranzen – Ausrichtung der Zielscheibe auf die Mitte des Sensors, Exzentrizität der Zielscheibe – resultieren. Um diese zu korrigieren, ist in jedem der Sensoren eine programmierbare Wertetabelle (Look-Up-Table, LUT) abgelegt. Da es sich bei diesem Resolver-Prinzip um einen single-turn Absolutencoder handelt, ist es möglich, mit den gewon-nenen Informationen weiteren Nutzen zu generieren. Hierzu zählen ein frei pro-grammierbarer Index, in Einerschritten wählbare Pulszahl und einstellbare Kommutierungssignale für elektronisch kommutierte Motoren. Weiter ist es möglich, statt der Inkrementalsignale Absolutwerte über ein synchron-seriel-les Interface (SSI) zu erhalten. Das Ganze ist in einem 3,2 x 2,7 x 0,4 mm kleinen Chip enthalten, der mit Flip-Chip-Technologie auf einen Flexprint aufgebracht wird. Ein solcher Encoder passt in einen 6 mm Motor. Weitere Kombinationen mit größeren Motoren sind angedacht.

Miniaturisierung verlangt Kompaktheit Durch die kompakte Bauweise ist der Encoder prädestiniert für alle Anwen-dungen mit beschränkten Platzver -hältnissen und der Forderung nach ei-nem präzise geregelten Antrieb. Die hohe Leistungsdichte der Motoren des Schweizer Antriebsspezialisten kann so voll ausgeschöpft werden und wird nicht durch einen unförmigen, womög-lich über den Rand des Motordurch -messer hinausragenden Encoder zu -nichte gemacht. Enge Platzverhältnisse herrschen beispielsweise in Bestü-ckungsautomaten für Leiterplatten, bei denen elektronische Bauteile mit Ab-messungen unter 1 mm ergriffen, trans-portiert und positioniert werden müs-sen. Die Zuführgeräte (Feeder) sitzen eng nebeneinander. Die Antriebe für die Gurtenbänder dürfen im Durchmesser nur wenige Millimeter und keinesfalls hervorragende Teile aufweisen. Bei den kleinen Abmessung der Bauteile ist beim Vorschub höchste Präzision ge-fragt. Ganz ähnlich verhält es sich im Bestückungskopf selbst, der die elek -

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tronischen Komponenten mit höchster Präzision positioniert und ausgerichtet montiert. Das zunehmende Miniaturisieren ver-langt insbesondere von 3D-Antrieben eine kompakte Bauform, damit die Bewegungen sich nicht gegenseitig einschränken. Dies gilt sowohl für Ka -meraverstellungen in optischen Sys -temen als auch für Miniroboter und

medizinische Geräte. Auch in hoch-dynamischen sechsfüßigen Bearbei-tungstischen, bei welchen die Antriebe in die sechs Beine einbebaut sind. Die durch den MR-Encoder erreichbare hohe Auflösung der Bewegung und die schlanke Bauform erweitern dadurch die Bewegungsamplitude bei steigen -der Präzision. Wenn nur eine beschränk-te elektrische Leistung zur Verfügung

steht, z.B. durch eine Solarzelle, ist der Encoder eine ideale Kombination mit eisenlosen Motoren, die einen extrem hohen Wirkungsgrad ausweisen.

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Einbausituation mit einem eisenlosen Kleinstmotor

INTERVIEW: 5 FRAGEN AN MAXON MOTOR

Kompakt in jeder Hinsicht

IEE: Wie verteilt sich der Umsatz von Maxon Motor und wie wird sich das Ge-schäft in den nächsten Jahren ent-wickeln? Wie hoch ist das F&E Budget von Maxon? Bucheli: Maxon Motor hat 2008 einen konsolidierten Umsatz von 298 Mio. Schweizer Franken erwirtschaftet. 10 % davon mit Elektronik und Encodern, mit steigender Tendenz. Rund ein Drittel der Produktionsleistung geht in die Medi-zintechnik. Die Ausgaben für F&E betra-gen über 6 %. Ein Wert der sich im inter-nationalen Vergleich durchaus sehen lassen darf. Das Geschäft harzt auf Grund der welt-weiten Krise auch bei uns. Wir arbeiten aber intensiv an neuen Projekten, die es glücklicherweise auch heute noch gibt. IEE: Welche neuen Technologien aus dem Bereich Antriebstechnik/Motion Control/Istwertgeber kann man 2009/10 erwarten? Bucheli: Neben dem induktiven Encoder stellt Maxon eine neue Getriebetech-

nologie vor. Das Koaxdrive KD 32 ist ein neues geräuscharmes Getriebe, das Maßstäbe im Bereich Laufruhe und Dreh-moment setzt. Es vereint zwei bewährte Getriebetechnologien und ist eine Kom-bination aus Schnecken- und Planeten-getriebe. Als Erweiterung der digitalen Positio -niersteuerungen EPOS präsentieren wir noch eine OEM-Version. Das auf 544,5 x 28,2 mm miniaturisierte Modul 36/2 dient zur Ansteuerung bürstenbehafte-ter DC- sowie bürstenloser EC-Motoren. IEE: Ist der Mile-Encoder auch für größere Motoren angedacht und wenn ja, bis wann kann dies realisiert werden? Busse-Grawitz: Der Encoder ist grund-sätzlich nach oben skalierbar. Die genaue Roll-Out Strategie wollen wir noch nicht bekannt geben. IEE: Ist der Encoder auch bei Motoren an-derer Hersteller einsetzbar? Busse-Grawitz: Grundsätzlich ja. IEE: Stichwort Energieeffizienz: Welche Tipps können Sie den Anwendern geben,

um Ihre Anlagen/Maschinen energieef-fizient auszulegen? Busse-Grawitz: Wichtig sind unter an-derem Wirkungsgrad, Trägheits-moment, Leistungsdichte, und die Re-gelparameter. Der Wirkungsgrad von Motor und Getriebe geht direkt in die Energiebilanz ein. Bei vielen zyklischen Anwendungen spielt das Trägheits-moment eine dominante Rolle. Vor al-lem wenn der Motor mit einem Getrie-be eingesetzt wird, tritt das Lastmo-ment hinter dem Trägheitsmoment zu-rück und viel Energie geht in die Be- und Entschleunigung des Motors. Sobald der Motor selbst bewegt wird (Motor als Teil eines End-Effektors), spielt auch die Leistungsdichte eine Rolle. Nicht zuletzt kann die Wahl der Regelparameter da-rüber entscheiden, ob der Motor ständig zittert und damit warm wird oder ob er ruhig bleibt. Wer gleichzeitig hart re-geln, aber wenig Zitterbewegungen will, braucht einen schnellen, hochauf-gelösten Encoder.