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DER KONSTRUKTEUR 7-8/2021

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DER KONSTRUKTEUR 7-8/2021

XXX ELEKTROTECHNIK /

XXX ELEKTROTECHNIK / INDUSTRIEELEKTRONIK 02 01 TITELSTORY PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Posital löste dieses Problem mithilfe einer Wiegand-Sensorik, die als cleveres Energy-Harvesting-System ausgelegt ist. Herzstück des winzigen Wiegand-Sensors, der auf eine Fingerkuppe passt, ist ein magnetischer Draht aus einem speziell behandelten Vicalloy – mit sehr ungewöhnlichen Eigenschaften. Der nur 15 mm lange haarfeine Wiegand-Draht, der sich entlang einer Richtung magnetisiert, ist eingebettet in eine Kupferspule und reagiert auf das Magnetfeld des rotierenden Permanentmagnets. Kommt es hier zu Richtungswechseln erzeugt der Wiegand- Draht energiereiche Spannungsimpulse – und das direkt und unabhängig von der Geschwindigkeit einer Drehbewegung. Der so erzeugte Impuls liefert mit 190 nJ genug Energie, um den Rotationszähler und die dazu gehörige Elektronik zu aktivieren – und Bewegungen der nachlaufenden Welle auch im stromlosen Zustand lückenlos zu erfassen. Dieses bestens bewährte Prinzip der Wiegand-Sensoren, von denen Posital jährlich rund eine Million Exemplare als SMD-bestückbare Bauteile fertigt, garantiert absolute Multiturn-Positionsmessungen – ganz ohne wartungsanfällige Batterien und sperrige Getriebe. INNOVATIVE ALGORITHMEN ALS SCHLÜSSEL ZUM ERFOLG Der Clou der hochgenauen magnetischen Ixarc-Serie, die Posital Ende 2013 für den Anbaudrehgeber-Bereich gestartet und zu einem modularen „Mass Customization“-Baukasten mit mehreren Hunderttausend einsatzspezifischen Varianten entwickelt hat, ist die intelligente Verarbeitung der über die Sensorik bereitgestellten magnetischen Signale. Ausgewertet werden die Singleturn- Signale der vier Hall-Sensoren sowie die Multiturn-Daten aus dem Wiegand-System in einem leistungsstarken 32-Bit-Mikroprozessor. Während die Evolution immer dynamischerer Mikro- Chips den Weg in diese Richtung ebnete, war es am Ende die auf der Hardware hinterlegte Software, die den Durchbruch in Sachen Präzision brachte. „Erst ausgeklü gelte und von unserem F&E-Team in Eigenregie entwickelte Algorithmen und Filtertechnologien kitzelten aus den verrauschten Signalen der Hall-Sensoren die enorm hohe Präzision bzw. Genauigkeit hervor, mit der wir direkt zu den optischen Systemen aufschließen konnten“, fasst Jörg Paulus, Europa-Chef von Posital, eine Entwicklung zusammen, an deren Ende die Datentiefe sowie die präzise Kalibrierung der magnetischen Ixarc-Serie standen. Mit einer Updaterate der Position von weniger als 100 µs Zykluszeit arbeiten die magnetischen Absolut-Drehgeber in Echtzeit – und sind so bestens für zeitkritische Anwendungen wie hochdynamische Positionieraufgaben gerüstet. KITS FÜR INTEGRIERTES MOTORFEEDBACK Die Resonanz auf die Ixarc-Anbaudrehgeber war so positiv, dass Posital rasch entschied, das Know-how auch für den boomenden Motorfeedback-Markt zu nutzen. Ende 2016 fiel der Startschuss für die magnetischen Kit-Encoder, deren kompaktes Elektronikpaket auf einer Platine von gerade 36 mm Durchmesser verbaut ist. Aus dem Stand eröffneten die magnetischen 36‘er-Kits den Herstellern von Servo-Motoren (und später auch Schrittmotoren) ganz neue Möglichkeiten. Sie schlossen die Lücke zwischen klassischen Resolvern, die auf Singleturn beschränkt sind und in der Grundausstattung lediglich analoge DIE 22-MM-KITS MACHTEN DEN WEG FREI FÜR MULTITURN- FEEDBACK IN KLEIN- UND KLEINSTMOTOREN Schnittstellen bieten, und den deutlich aufwändigeren und teureren optischen Systemen – und setzen die technologische Wachablösung auch in diesem Segment fort. „Wenn man bedenkt, dass in vielen Servomotoren die optischen Feedback-Systeme bis zu 50 % der Gesamtkosten ausmachen, erschließt sich einem schnell der Vorteil der deutlich preiswerteren magnetischen Kits“, so das Resümee von Paulus. Als Plus erwies sich auch bei den 36er-Kits die kontaktfreie Messtechnik der Magnetik. Die Kits verfügen – anders als optische Systeme mit Codescheiben und Getrieben – über keine beweglichen Teile, was sie stoß- und vibrationsresistent macht. Während optische Einbausätze reinraumähnliche Montagebedingungen erfordern, sind magnetische Kits unempfindlich gegen Schmutz und Feuchtigkeit. Sie können unter normalen Fabrikbedingungen und selbst in nicht ESD-geschützten Bereichen montiert werden. Installation und Inbetriebnahme sind ein Kinderspiel: Ein paar Schrauben reichen – und das System, bestehend aus dem Elektronikpaket und einem kleinem am Ende der 12 DER KONSTRUKTEUR 2021/07-08 www.derkonstrukteur.de

XXX 04 03 05 Motorwelle befestigten Permanentmagnet, ist einsatzbereit. Stark ist auch die integrierte elektronische Kalibrierfunktion, die das Feedback-System optimal auf die Performance des jeweiligen Motors einstellt. Es genügt, die Motorwelle drei Sekunden lang mit konstanter Geschwindigkeit zu drehen. Dabei werden die für jedes System individuellen Eigenheiten erfasst und in der Software hinterlegt. ES GEHT NOCH KLEINER „Was wir auf Basis unserer Ixarc-Anbaudrehgeber den Usern von Servo-Motoren schon länger anbieten können, haben wir jüngst auch für das wachsende Segment der Miniantriebe adaptiert und praktisch umgesetzt“, so Paulus. Ende 2020 erfolgte der Start der 22-mm-Kits, die als laut Anbieter weltweit kleinste Kit Encoder den Weg frei machten für Multiturn-Feedback in Klein- und Kleinstmotoren. Da für dieses Segment eine schlankbauende Technologie zur Überwachung der nachlaufenden Welle im stromlosen Zustand komplett fehlte, waren Kleinstmotoren bislang allenfalls mit Inkremental-Systemen ausgestattet. Lästige und teure Referenzfahrten waren die Folge. Genau hier punkten die neuen Mini-Kits, die wie ihr großer Bruder, das 36-mm-Kit, für eine lückenlose und exakte Erfassung der Positionswerte sorgen – auch ohne externe Power. Tatsächlich war die Verkleinerung des Einbauraums um zwei Drittel – bei gleicher Performance – der entscheidende Schlüssel für den Start der 22-mm-Serie. Um dieses Ziel zu erreichen, waren Überstunden im Aachner F&E-Zentrum und Anpassungen an vielen Parametern notwendig. So sorgten etwa die geschickte Platzierung zentraler Bauteile wie der Hall-Sensoren oder des 32-Bit-Mikroprozessors sowie überarbeitete Stecker-Designs für ein deutlich kompakteres Elektronikpaket. Die härteste Nuss war, das detektierbare Magnetfeld für den Wiegand-Sensor auf die re- 01 Größenvergleich optischer vs. magnetischer 16-Bit- Anbaudrehgeber: Reduktion von Größe und Gewicht um bis zu 50 % – erzielt vor allem durch Wegfall der bei optischen Drehgebern notwendigen Getriebesysteme für Multiturn-Einsätze 02 Elektronikpaket als Herzstück der magnetischen Präzisionsgeber von Posital 03 Die 36-er-Kit-Encoder lassen sich schnell und einfach in einem Servomotor montieren 04 Der Wiegand-Sensor, der als cleveres Energy-Harvesting- System ausgelegt ist 05 Kleiner Bruder: Beim 22-mm-Kit wurde der Einbauraum um zwei Drittel gegenüber dem 36-mm-Kit reduziert duzierte Größe des Mini-Kits einzustellen. „Meistern konnten wir diese Aufgabe nur, weil wir uns schon lange dem Wiegand- Effekt – von der Forschung bis zur Fertigung verschrieben haben“, so Paulus. „Als reiner Komponenten-Zukäufer hätten wir das definitiv nicht geschafft.“ Vor Anlauf der Serienproduktion erhielten die Mini-Kits in Beta-Tests mit namhaften Motorherstellern den letzten Schliff. „Ich habe selten eine so rasante Nachfrage erlebt“, so Paulus. „Es ist, als hätte der Markt buchstäblich auf unsere Minis – als Game- Changer – gewartet.“ Bilder: Posital www.posital.com Unbenannt-2 1 www.derkonstrukteur.de DER KONSTRUKTEUR 10.12.2020 2021/07-08 10:40:33 13

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