Das Nonius-Prinzip der Interpolationsschaltung

Die neue Interpolationsschaltung iC-MNF kann man als elektronische Renaissance des Nonius-Prinzips verstehen: es werden zwei oder drei Messskalen ausgewertet und zu einem Positionswert verrechnet. Dabei mag die Maßverkörperung selbst magnetisch oder optisch sein, grob oder fein – die Auswertung bleibt gleich. Damit ergeben sich interessante Alternativen zu den etablierten Lösungen für lineare und rotative Positionsmessgeräte.

Im Verbund mit den optischen Nonius-Sensoren definiert der Interpolator iC-MNF die absolute Winkelposition über die Phasenlage dreier Sinussignale (Bild 4), an die jeweils geringere Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, als dies bei nur zwei Skalen der Fall wäre. Die Master-Spur liefert die Feinauflösung und ist verantwortlich für die absolute Systemgenauigkeit, während eine Nonius-Spur und eine Segment-Spur die Informationen zum Bestimmen des Intervalls liefern. Das schrittweise Berechnen erhöht die zulässige Toleranz für Signalfehler, sodass an die Maßverkörperung und die Encoder-Mechanik geringere Anforderungen gestellt sind.

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Zusatzfunktionen und Messtechnik-Werkzeuge

Der Schaltkreis iC-MNF verfügt in jedem Kanal über eine separat einstellbare Signalkonditionierung mit Sample-&-Hold-Stufe (in Bild 4 der Block AFE), die das aufbereitete Analogsignal für die anschließende sequentielle Digitalisierung festhält. Dafür steht ein hochgenauer SAR-A/D-Wandler zur Verfügung, der eine einstellbare Interpolationsauflösung von bis zu 14 Bit bietet und dafür nur noch etwa 2,3 µs benötigt.

Bereits im Analogpfad werden der Signal-Offset als Referenz für die Konditionierungsschaltung extrahiert sowie die Signalamplituden bewertet, um die Sensoranregung über den LED-Strom nachzuführen. Dadurch bleiben bei Raumtemperatur eingestellte Konditionierungsparameter im gesamten Einsatztemperaturbereich gültig – eine permanente automatische Korrekturrechnung ist nicht notwendig.

Dennoch bietet iC-MNF die Möglichkeit der automatischen Kalibrierung bereits On-Chip, hauptsächlich um die Inbetriebnahme lagerloser modularer Geber zu vereinfachen. Auch neue Anwendungsmöglichkeiten etwa in Embedded-Systemen sind denkbar, bei denen man nun eine Kalibrierung per Mikrocontroller direkt in der Applikation durchführen kann. Die On-Chip-Kalibrierung kompensiert unter anderem Restfehler und reduziert so insgesamt den Aufwand für die Inbetriebnahme auf ein Minimum.

Der nichtlineare SAR-A/D-Wandler verwendet die Tangensfunktion und wertet die Sinus- und Cosinussignale gleichzeitig aus. Ein frequenzabhängiger Winkelfehler, den ein Regler als Geschwindigkeitsfehler interpretieren würde, entsteht hierbei nicht. Zum Berechnen hochaufgelöster Winkelpositionen sind 2- und 3-Spur-Nonius-Berechnungen konfigurierbar, für Auflösungen bis zu 26 Bit, was 0,02 Winkelsekunden bezogen auf 360° entspricht.

Der nur 7 mm x 7 mm große QFN-Baustein integriert neben einer SPI-Schnittstelle zur einfachen Anbindung an Mikrocontroller einen Fail-safe-RS422-Transceiver für BiSS C und SSI, sodass sich der iC-MNF direkt mit entsprechenden Steuerungen verknüpfen lässt. Zur Überwachung und Diagnose verarbeitet der IC nun noch genauere Statusinformationen und hat beispielsweise auch einen integrierten Temperatursensor. Bei vielen Anwendungen ist ein externer Temperatursensor verzichtbar.

Darüber hinaus kann der iC-MNF aufgrund seiner Multiturn-Schnittstelle, die sowohl SSI als auch BiSS unterstützt, Positionsdaten eines Multiturn-Sensors auswerten und zur Nonius-Position kombinieren. Zur Auswertung der Sektor-Information der iC-PNH-Bausteine kennt die Multiturn-Schnittstelle eine spezielle Betriebsart zur 2-Bit-Gray-Code-Auswertung. Die I/O-Pins sind so ausgelegt, dass sich der IC direkt mit 3,3-V-Mikrocontrollern nutzen lässt.

Weil volldifferenzielle Messtechnik mit einer Auflösung von 16 Bit keine Grundfunktion aktueller Oszilloskope ist, bietet iC-Haus mit dem Analysewerkzeug SinCosYzer2 eine elegante Lösung zur Kalibrierung und Verifikation von Sinus-Gebern (beinhaltet unter anderem FFT-Messungen, siehe Bild 3).

Die erreichbare Interpolationsgenauigkeit unter Berücksichtigung primärer Signalfehler kann hiermit vorausbestimmt werden, wobei Farbbalken die Fehlerquelle identifizieren und so den Benutzer beim manuellen Signalabgleich unterstützen. Optionale Software-Module erlauben es, das Tool bis hin zur vollautomatischen Geber-Kalibrierung auszubauen, mit Benutzerführung und Statistik-Datenbank.

Fazit: Mit den neuen Nonius-Sensoren und Interpolationsbausteinen sind Messsysteme mit skalierbarer Leistungsfähigkeit möglich, die hohe integrale Genauigkeit für Winkelgeber oder sehr hohe Auflösungen mit guter differenzieller Genauigkeit für digitales Motor-Feedback bieten können.

Für die Abtastung der Positionsinformation, repräsentiert durch die Phasenlage weniger Signale, genügt ein relativ kleiner optischer Sensor – was die Ausleuchtung vereinfacht, weniger Energie benötigt und Platz spart. Die Lösung reduziert die Systemkosten und erschließt neue Anwendungen.

iC-Haus ist Referent und Aussteller auf dem Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2019 (25. bis 27. März 2019).

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* Dipl.-Ing. Joachim Quasdorf ist Applikationsspezialist für Encoder und u.a. verantwortlich für die technische Kundenbetreuung bei iC-Haus, Bodenheim.

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