Die Lösung adressiert gleichzeitig wesentliche Problemstellungen bei der Entwicklung von Positions-Encodern: flexibel in Auflösung und Einbauform, programmierbar bei den Schnittstellen, kompakt, einfach zu montieren und dabei hoch performant durch eine intelligente Signalaufbereitung. Der reflexive Absolut Encoder-iC auf nur einer Trägerplatine gegenüber der beweglichen Maßverkörperung verringert die notwendige Aufbauhöhe. Durch den linsenlosen Ansatz sind außerdem erhöhte Justagetoleranzen zulässig. Bis zu ±0,5mm (tangential), ±0,4mm (radial) und ±2° (Tilt) Toleranz sind möglich, ohne dass die Qualität der Ausgangssignale leidet. Der Abstand zwischen Sensor und Codescheibe darf dabei zwischen 1 und 2mm schwanken. Notwendige Signalkorrekturen nimmt der Encoder-iC automatisch und auf Wunsch auch kontinuierlich vor. Eine mögliche Exzentrizität der Maßverkörperung wird genauso ausgeglichen wie ein Höhenschlag der Codescheibe oder eine ungenaue Platzierung des Sensors selbst.
Vier Mio. Winkelwerte/Umdrehung
Die Kombination aus blauem Licht, optimierten Fotostrukturen auf dem Sensor und einer flexiblen Signalaufbereitung erlaubt Auflösungen von über vier Millionen Winkelwerten pro Umdrehung (22Bit) in Kleinstgebern mit 26mm Durchmesser. Die kurze Wellenlänge der auf dem Sensorchip direkt assemblierten blauen LED ermöglicht scharfe Abbildungen und verbessert gegenüber bisher verwendeten Wellenlängen (rot und IR) die Signalqualität. Der kompakte Aufbau in einem gemoldeten oQFN Gehäuse mit nur 5mm Kantenlänge ermöglicht standardisierte SMD-Montagetechniken und lässt sich in kleinste Bauräume, z.B. direkt in Mikromotoren integrieren. Dem Wunsch vieler Encoder-Hersteller, mit nur einer Plattform verschiedenste Auflösungen, Durchmesser und Schnittstellen bedienen zu können, kommt der iC-PZ durch seine vielfältigen Programmiermöglichkeiten nach. Aus fünf verfügbaren Ausgabeschnittstellen (Quadratursignale ABZ, analog Sin/Cos, UVW, SPI und BiSS/SSI) stehen dem Anwender drei simultan zur Verfügung. Die integrierte FlexCount Technologie erlaubt zudem beliebige Auflösungen für die AB Spur bis zur Maximalauflösung. Zusätzlich ermöglicht die zum Patent angemeldete FlexCode Technologie, mit nur zwei Chip-Varianten sämtliche Durchmesser von 16mm bis hin zu linearen Applikationen abzudecken. Der Schaltplan und das Chip-Gehäuse sowie die benötigten externen Komponenten sind für beide Varianten identisch und ermöglichen so eine kostengünstige Entwicklung von umfassenden Produktfamilien. Die technischen und wirtschaftlichen Vorteile können den klassischen optischen rotativen und linearen Encoderbau nachhaltig verändern.
Technologie und Design
Kern des Produktes ist ein Halbleiter-Chip, der in einer sub-µm CMOS Technologie gefertigt wird. Auf diesem SoC mit Analog-, Digital- und Sensor-Komponenten wird eine blau strahlende InGaN-LED direkt montiert und zu einem Standard QFN-Gehäuse gemoldet. Das 5×5mm² Gehäuse ermöglicht den Einsatz in Applikationen mit wenig verfügbarem Bauraum. Gleichzeitig erlaubt es den Einsatz bei -40 bis +125°C Umgebungstemperatur. Das Design der optischen Abbildung beruht auf einem Zwei-Spur-Ansatz: Eine digitale Spur mit einem Pseudo-Random-Code wird abgetastet und liefert eine grobe absolute Positionsinformation. Die zweite, inkrementelle Spur wird von separaten Fotodioden abgetastet und liefert höchstaufgelöste Sinus- und Cosinus-Signale, die vom integrierten Sinus-Digital-Wandler zu einem 14Bit Positionswert verrechnet werden. Zusammengesetzt ergeben beide Positionsinformationen eine eindeutige Position pro Umdrehung mit bis zu 22Bit Auflösung bei 26mm Durchmesser der Codescheibe. Die hohe Interpolierbarkeit der inkrementellen Signale wird durch eine integrierte Signalverarbeitung erzielt, welche die Rohsignale u.a. auf optimale Amplituden und Phasenlagen normiert. Für diesen Verarbeitungsschritt wurden dedizierte Hardwareblöcke entwickelt, die eine echtzeitfähige Korrektur der Signale ermöglichen und dies nicht nur bei langsamen Geschwindigkeiten, sondern auch bei hochdynamischen Bewegungen, Beschleunigungen und Richtungswechseln. Als weitere Besonderheit bietet das iC einen im Chip integrierten Exzentrizitätsabgleich, der ohne externe Softwareberechnungen funktioniert. Der Abgleich ermöglicht eine vereinfachte Assemblierung des Encoders, da das aufwändige Justieren der Codescheibe zur Achsenmitte entfällt. Mittels zwei auf dem Chip integrierter universeller Ports (GPIO) sowie der internen digitalen Weiterverarbeitung ist es möglich, zusätzliche externe Sensoren einzubinden. Diese können als Status, Warn- und Fehlermelder für Condition Monitoring oder Predictive Maintenance eingesetzt werden.
Beliebige Durchmesser der Maßverkörperung
Mit der zum Patent angemeldeten FlexCode-Technologie wurden Methoden aus der digitalen Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik für den Einsatz in der Positionssensorik adaptiert. Eine eigens entwickelte mathematische Abbildungsvorschrift erlaubt es, den Pseudo-Random Code zu verkürzen, ohne die Funktionsweise der nachgeschalteten Signalverarbeitung im iC anpassen zu müssen. Dieses Verfahren ermöglicht, den Radius einer Maßverkörperung zu verkleinern, ohne dass physikalische Anpassungen im iC notwendig sind. Somit können mit nur zwei integrierten Schaltkreisen beliebige Durchmesser der Maßverkörperung von 16mm bis hin zu linearen Anwendungen mit einer Weglänge von maximal 6,71m abgedeckt werden. Im Zusammenhang mit der FlexCount-Technologie, können diese Varianten mit einer programmierbaren Inkremental-Auflösung kombiniert werden und bieten Anwendern eine voll konfigurierbare Encoder-Lösung. Zeitaufwändige und kostspielige Mehrfachentwicklungen werden so vermieden und der Logistikaufwand in der Fertigung des Kunden reduziert. Eine Multiturn-Schnittstelle erlaubt Getriebe-Multiturnlösungen durch eine integrierte Synchronisation der Getriebestufen. Auch der Anschluss von batteriegestützten oder Energy-Harvesting-Multiturn-Abtastern ist möglich. Standardisierte Schnittstellen für die Positionssignale runden die Entwicklung ab.
