Genauigkeit per Software

Fraba-Chef Leeser zu innovativem Drehgeber

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Galten bislang optische Drehgeber als besonders genau messend und magnetische als robust aber weniger genau, will die Fraba Gruppe dies nun mit magnetischen Drehgebern als Einbau-Kit ändern. Im Interview mit elektro AUTOMATION erläutert Christian Leeser, Vorstand der Fraba B.V. in Heerlen, wie sich Genauigkeit berechnen lässt und wie Herstellungs- und Montageaufwand dadurch sinken.

Interview: Michael Corban, Chefredakteur, elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: Herr Leeser, können Sie uns kurz erläutern, wie Sie mit Ihren magnetischen Kit-Encodern die Lücke zwischen magnetischen und optischen Drehgebern füllen wollen?
Leeser: Wir wollen mit den magnetischen Kit-Encodern den Fertigungs- und vor allem Montageaufwand senken, gleichzeitig aber die Genauigkeit magnetischer Systeme deutlich steigern. Unser Ziel ist, eine technologische Alternative zu optischen Drehgebern zu etablieren. Bei diesen erfolgt die Analog-Digital-Wandlung über eine Glas- oder Kunststoffscheibe – die erreichbare Genauigkeit ist also geprägt durch die zugrundeliegende mechanische Genauigkeit –, hinzu kommen naturgemäß sehr hohe Anforderungen an die Sauberkeit vor allem in der Montage. Bei vergleichbarer Genauigkeit hier etwas Neues zu entwickeln, ist zugegeben anspruchsvoll – aber wir wollen eben weg von der nur sehr aufwendig zu realisierenden mechanischen Genauigkeit und den Einbau mittels einer automatischen Kalibrierung erleichtern. Das gelingt uns mit der Magnetik und aufgrund des Moore‘schen Gesetzes, demzufolge die Rechenleistung beständig steigt.
elektro AUTOMATION: Das ist ein interessanter Punkt – welche Rolle spielt hier die Rechenleistung?
Leeser: Das wirklich Spannende findet in der Software statt – sie macht rund 90 Prozent der Kit-Encoder aus. Die Messung selbst erfolgt klassisch mittels eines auf der Motorwelle befestigten, mitrotierenden Permanentmagneten und einem Hall-Sensor-ASIC auf der sehr kompakten Platine. Entscheidend ist: Beim Einbau genügt es, die Motorwelle drei Sekunden lang mit konstanter Geschwindigkeit zu drehen – damit können wir die für jedes System individuellen Eigenheiten beschreiben und in der Software hinterlegen. Und das übrigens ohne komplexe Zusatzgeräte für die Montage: Die Logik steckt im Produkt selbst, in der Software. In den Auswerte-Algorithmen steckt unser eigentliches Know-how.
elektro AUTOMATION: Und mittels dieser Auswertung des Messsignals gelingt es Ihnen, eine über die Genauigkeit herkömmlicher magnetischer Drehgeber hinausgehende Genauigkeit zu erreichen?
Leeser: Exakt – und je höher die verfügbare Rechenleistung ist, desto exakter wird das Ergebnis. Das ist der Grund, warum für uns das Moore‘sche Gesetz von Vorteil ist. Mit den Mikroprozessoren, die es vor vier Jahren gab, hätten wir die Leistung der Kit-Encoder noch nicht realisieren können. Im Grunde genommen steckt ja heute in solch winzigen Chips ein zu Zeiten meines Studiums noch raumfüllender Mainframe. Klar ist damit aber auch: Die weiter steigende Leistungsfähigkeit der Elektronik spielt uns in die Hand – und erlaubt es uns, beständig näher an die Performance optischer Drehgeber heranzurücken. Betonen möchte ich dabei aber noch einmal: Im Gegensatz zu optischen Drehgebern ist unser Produktionsprozess sehr einfach und auch der Motorhersteller kann die Kit-Encoder sehr einfach montieren – die Präzision wird über das dreisekündige Referenzdrehen und unsere Software erreicht. Das genügt, um aus dem erfassten analogen Signal des Magnetfeldes sehr genaue schnelle digitale Werte zu ermitteln. Berechnete Genauigkeit ist viel einfacher zu erreichen.
elektro AUTOMATION: Könnten Sie den Rechengang etwas genauer erläutern – hier liegt ja der Kern der Neuerung?
Leeser: Der Algorithmus verarbeitet in sehr kurzer Zeit sehr viele Informationen. Dabei können wir zwischen unterschiedlichen Filtereigenschaften per Softwareeinstellung umschalten, um so je nach Anwendung die Anforderungen für hochdynamische Regelungen umsetzen zu können. Entscheidend ist, dass die Latenzzeiten im Bereich von wenigen Mikrosekunden bleiben.
elektro AUTOMATION: Sie nutzen auch den Wiegand-Effekt…
Leeser: …weil wir damit energieautark werden; eine wichtige Voraussetzung bei absoluten Sensoren. Hier muss ja sichergestellt sein, dass im Falle eines Stromausfalles ‚mitgezählt‘ und damit erfasst wird, ob sich die Motorwelle noch weitergedreht hat. Batteriesysteme sind hier naturgemäß mit Nachteilen verbunden, so dass sich die Wiegand-Wire-Technologie anbietet – die wir ja selbst anbieten. Der magnetische Draht wirkt als Energy-Harvesting-System und erzeugt, unabhängig von der Geschwindigkeit der Drehbewegung, Spannungsimpulse. Diese liefern genug Energie, um den Rotationszähler und die Elektronik zum Zählzeitpunkt kurzzeitig zu aktivieren. Das garantiert wartungsfreie absolute Multiturn-Positionsmessungen – ohne den Einsatz von Batterien.
elektro AUTOMATION: Welche Signale können die Kit-Encoder ausgeben?
Leeser: Es gibt am Markt ja schon genügend proprietäre Protokolle wie Endat oder Hiperface – hier wollten wir nicht ein weiteres ergänzen. Da sich unsere Kunden durch die Auswahl des Profils nicht auf einen Geberhersteller festlegen sollen, sind wir im Moment mit Biss und Biss-Line am Start. Biss ist ja Open Source und mit dem Biss-Line-Protokoll wird die Ein-Kabel-Technologie ähnlich offen unterstützt, bei der Motor- und Sensorkabel zusammengeführt werden.
elektro AUTOMATION: Wie sieht generell Ihre weitere Road-Map aus?
Leeser: Naheliegend ist, die Technologie der für den Einbau im Motor bestimmten Kit-Encoder auch der Anbaugeber-Welt zu erschließen. Der springende Punkt ist eben auch hier, dass die Intelligenz für das automatisierte Kalibrieren im Produkt selbst steckt, was die Anforderung an die Fertigungsmittel deutlich senkt. Hier hoffen wir, mit der neuen Technologie etwas bewegen zu können. Die zahlreichen Anfragen anlässlich der SPS IPC Drives 2016 ermutigen uns, hier weiter voran zu gehen. Mit Blick auf die Marktuntersuchungen ist darüber hinaus klar, dass insbesondere der Bereich der integrierten Motorfeedbacksysteme an Bedeutung zulegen wird, und damit das Thema der Miniaturisierung für uns spannend bleibt. Denkt man nur an die sogenannten ‚Cobots‘ und damit verbunden das Volumen an kleineren Motoren, tut sich hier ein riesiger Markt auf. Bezüglich der Miniaturisierung ist übrigens nicht der Rechenchip das Problem, der ist schon klein genug. Problematischer wird es, die Wiegand-Wire-Technologie weiter zu miniaturisieren – aber daran arbeiten wir bereits.
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