Magnetfeld? Kein Problem

Er ist klein, genau und robust. Vor Einflüssen wie Magnetfeldern, Staub oder Öl ist der induktive Mikro-Drehgeber Mile-Encoder sicher, und mehr als 6 mm Durchmesser werden dafür nicht gebraucht. Entwickelt hat den Encoder die Maxon Motor AG aus dem schweizerischen Sachseln, um speziellen Anforderungen zum Beispiel in der Medizintechnik oder Robotik gerecht zu werden.

Ausgangspunkt für die Entwicklung war die Erkenntnis, dass bisher für Kleinmotoren verfügbare Dreh- und Weggeber zwar höchst präzise sind, aber immer Nachteile mit sich bringen. Mit optischen Drehgebern beispielsweise lassen sich Präzisionen im Nanometerbereich erlangen. Allerdings sind sie sehr empfindlich gegen alles, was den Lichtstrahl stört: Staub, Wasser und Öl sowie deren Dämpfe, Smog oder auch Reif. Die daraus entstehenden Herausforderungen sind zwar lösbar, erfordern aber kostentreibende Abdichtungsmaßnahmen.

Magnetische Encoder für industrielle Anwendungen wiederum kommen mit Schmutz und Wasser gut zurecht, sind aber sehr empfindlich gegenüber Magnetfeldern. Sowohl bei magnetoresistiven (MR) wie auch bei Hall-Sensor-basierten Encodern gibt es dafür Kompensationsmaßnahmen, mit denen homogene Gleichfelder korrigiert werden können. Allerdings greifen diese bei stark inhomogenen Wechselfeldern, wie sie in der direkten Umgebung der Motorzuleitungen auftreten, zu kurz.

Mit kapazitiven oder induktiven Sensoren könnte man diesem Dilemma ausweichen. Solche Encoder sind bei größeren Motoren bekannt, waren aber bisher nicht in Kleinstmotoren realisiert worden. Daher hat Maxon Motor den stark miniaturisierten Induktivgeber entwickelt: Maxon’s Inductive Little Encoder, kurz Mile genannt.

Seine kompakte Bauweise prädestiniert den Sensor für Anwendungen mit beschränkten Platzverhältnissen und der Forderung nach einem präzise geregelten Antrieb. Kombiniert mit Maxon-Motoren kann deren Leistungsdichte voll ausgeschöpft werden und wird nicht durch einen womöglich über den Rand des Motordurchmessers hinausragenden Encoder zunichte gemacht.

Die Miniaturisierung verlangt insbesondere von 3D-Antrieben eine kompakte Bauform, damit die Bewegungen sich nicht gegenseitig einschränken. Dies gilt für Kameraverstellungen in optischen Systemen wie auch für Miniroboter und medizinische Geräte. In batteriebetriebenen Geräten wirkt sich die geringere Stromaufnahme des Mile-Encoders gegenüber einer optischen Lösung vorteilhaft aus. Wenn nur die beschränkte elektrische Leistung einer Batterie zur Verfügung steht, ist es sinnvoll, Mile-Encoder mit eisenlosen Maxon-Motoren zu kombinieren, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.

Induktive Encoder beruhen darauf, dass sich die Induktivität von einer oder mehreren Spulen ändert, wenn sich anderes Material nähert. Beispielsweise könnte ein halbkreisförmiger Eisenkern, der die Maßverkörperung darstellt, an einer Spule vorbeigeführt werden, die dann ihre Induktivität messbar ändert. Trotz aller Maßnahmen zur Signalverbesserung haben einfache induktive Encoder aber Nachteile: Weil ein Weicheisenkern je nach Temperatur anders reagiert, sind Kompensationsmaßnahmen erforderlich. Auch externe Magnetfelder können die Messung beeinflussen. Ohne Zusatzmaßnahmen sind eisen- oder ferrithaltige Encoder nicht für feine Auflösungen geeignet. Präzisere Induktiv encoder sind deshalb eisenlos, und der Kontrast wird mit Wirbelströmen erzeugt. So arbeitet auch der Mile-Encoder: die Maßverkörperung besteht aus nicht magnetischem, gut leitendem Metall wie Kupfer oder Aluminium. Wird eine solche Struktur mit einem Hochfrequenzfeld bestrahlt, kann das Feld nicht weit eindringen. Die induzierten Wirbelströme bilden ein Gegenfeld, und so bleibt das Feld an der Oberfläche stehen (Skin-Effekt). Auf diese Art wird ein Kontrast zwischen Luft und Metall erzeugt.

Damit die nötige Metallfläche nicht zu dick ausfällt und auch bei einem stark miniaturisierten System genug Signal bleibt, wurde eine Anregungsfrequenz im MHz-Bereich gewählt. Dies erlaubt einerseits den Einsatz von dünnen Kupferschichten – 100 µm sind ausreichend –, andererseits operiert das System jenseits der üblichen Pulsweitenmodulations-Frequenzen (PWM) und lässt sich damit selbst von sehr starken PWM-Signalen nur unwesentlich stören.

Systemtemperatur und der Abstand der Zielscheibe sind zwei weitere unerwünschte Größen. Um ihre Einflüsse stark zu reduzieren, wurde ein doppelt differentieller Aufbau gewählt. Das System verhält sich damit wie ein Resolver, also ein Geber, dessen zwei Wechselstromsignale einen Vektor (mit dessen Winkel als Nutzgrösse) bilden. Da es sich bei diesem Resolver-Prinzip um einen Single-turn-Absolutencoder handelt, ist es möglich, mit den gewonnenen Informationen weiteren Nutzen zu generieren. Hierzu zählen ein frei programmierbarer Index, in Einerschritten wählbare Pulszahl und einstellbare Kommutierungssignale für elektronisch kommutierte Motoren, oder ganz einfach die digitale Übermittlung des gemessenen Drehwinkels im SSI Protokoll.

Max Erick Busse-Grawitz R&D Manger Encoders and Sensors bei Maxon Motor in Sachseln