Hochautomatisierte Systeme, die kontinuierlich Prozesskontrolldaten sammeln, werden in heutigen Produktionsanlagen immer häufiger eingesetzt. Diese autonomen Systeme bieten eine präzise Echtzeit-Positionskontrolle durch genaue Informationen, die von Sensoren gesammelt werden. Magnetische Encoder, Näherungssensoren, Drucktransmitter, Motoren und andere Geräte, die in automatisierten Fabriken allgegenwärtig sind, erfordern alle eine fortschrittliche Positionserkennung, um Daten auf Anlagenebene zu erfassen und die Leistung zu steigern.
Ganz zu schweigen von Robotersystemen: Dieser Bedarf an Positionserkennung ist in jedem System, das eine leistungsstarke Bewegungssteuerung erfordert, nahezu allgegenwärtig. Die Positionserfassungstechnologie bestimmt maßgeblich die Obergrenzen der Systemleistung. Eine genaue, schnelle und zuverlässige Positionsmessung ist die Voraussetzung für eine Echtzeit-Präzisionssteuerung.
Bewegungssteuerungsanwendungen der 3D-Hall-Effekt-Positionserkennung
Im Vergleich zu anderen Positionserfassungstechnologien ist die Hall-Effekt-Positionserfassung wohl die am weitesten verbreitete Wahl in industriellen Automatisierungsanwendungen. Lineare 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren überwachen Motorwellen, wobei Sensorparameter direkten Einfluss auf Systemsteuerung, Bandbreite und Latenz haben. Um eine Beeinträchtigung der Systemleistung durch Kompromisse zwischen Datendurchsatz und Messfehler zu vermeiden, integrieren 3D-Hall-Sensoren ADCs. Diese nutzen Präzisionssignalketten, um hoch{7}genaue Magnetfeldmessungen mit geringer-Drift zu erreichen, gefolgt von einer Driftkompensation auf Systemebene mithilfe von On-{10}}Chip-Temperatursensordaten.
Die Fähigkeit von 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren, jede beliebige Kombination magnetischer Achsen und Temperaturen zu berücksichtigen, ist in aktuellen Industrieanwendungen ein hochgeschätztes Merkmal. Durch die Aufrechterhaltung einer hervorragenden Erfassungsleistung über breitere Magnetfelderkennungsbereiche und größere Umgebungstemperaturbereiche können diese Sensoren in komplexen Industrieumgebungen hervorragende Leistungen erbringen. Beispiele hierfür sind die mit flexibler Architektur konfigurierbaren Sensoren der HAL 39xy-Serie von TDK und die SPI-konfigurierbaren TMAG5170-Serie hochpräziser linearer 3D-Hall--Sensoren von TI. Diese Sensoren bieten Flexibilität für magnetisches und mechanisches Design in Bewegungssteuerungsanwendungen durch wählbare magnetische Empfindlichkeitsbereiche und Temperaturkompensationsoptionen. Das bisherige Missverständnis über die Unflexibilität der Magnetplatzierung bei der Verwendung von Hall--Effekt-Sensoren ist nun beseitigt.
Betrachtet man die beiden oben genannten Geräte, so verfügen die Sensoren der HAL 39xy-Serie von TDK über einen leistungsstarken DSP und einen eingebetteten Mikroprozessor, während die TMAG5170-Serie von TI über eine On-{2}}Winkelberechnungs-Engine verfügt, wodurch die Notwendigkeit einer Off-{3}}-Verarbeitung entfällt. Flexible Hall-Sensor-Frontend-Konfigurationen ermöglichen außerdem eine größere Vielfalt an Anwendungen. In Bewegungssteuerungsanwendungen eröffnet die Weiterentwicklung dieser 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren nun zahlreiche Möglichkeiten für Automatisierungssysteme.
Anisotrope Magnetowiderstandseffekt-Positionserkennung (AMR) in Bewegungssteuerungsanwendungen
Der anisotrope Magnetowiderstandseffekt beinhaltet die anisotrope Streuung von s--Orbitalen und d{1}}-Orbitalen innerhalb von Materialien. AMR-Sensoren weisen ein Magnetowiderstandsverhältnis (ΔR/Rmin) von etwa 3 % auf. Die AMR-Sensorik findet umfangreiche Anwendungen in der Bewegungssteuerung, insbesondere in Bewegungssteuerungssystemen für die Automobilindustrie. Große Hersteller entwickeln AMR-basierte magnetische Sensorlösungen, da AMR-Sensoren eine immer wichtigere Rolle bei der Bewegungssteuerung im Automobilbereich spielen.
Im Gegensatz zur oben erwähnten linearen Wegmessung von Hall-Sensoren bieten AMR-Sensoren grundsätzlich eine höhere Präzision. Sie reduzieren auch die Drehmomentwelligkeit. Hohe Genauigkeit ist ein Schlüsselmaß für Magnetsensoren. Technisch gesehen zeichnen sich AMR-Sensoren typischerweise durch einen sehr geringen Stromverbrauch, schnelle Reaktionszeiten von etwa 10 ns und eine Temperaturdrift von etwa 3000 PPM/K aus. Die spezifische Genauigkeit variiert je nach Prozess und Konfiguration des Herstellers.
The dual-channel AMR sensing ADA457X series from ADI, featuring integrated signal conditioning amplifiers and ADC drivers, exhibits a typical angular error of just ±0.1° with output noise as low as 850μV rms. Infineon's single-AMR sensor TLE5109A16 series also achieves a typical error of ±0.1° across the 10 mT to >500 mT-Bereich; Der neueste AMR-Sensor des inländischen Herstellers Duowei hat eine absolute Genauigkeit von 0,1 Grad erreicht.
Wenn ein AMR-Sensor unter gesättigten Bedingungen betrieben wird, bleibt sein Ausgangssignal von Schwankungen der absoluten Magnetfeldstärke unbeeinflusst, was seine Robustheit in Umgebungen mit hohem{0}Magnetfeld-beweist und ausreichend Spielraum für das gesamte System bietet.
Bei AMR-Sensoren und anderen magnetischen Sensortechnologien ist außerdem zu berücksichtigen, inwieweit das Gerät durch Parameterverschlechterungen und seine Empfindlichkeit gegenüber Magnetalterung beeinträchtigt wird. Dieses Problem hängt auch von der Strategie des jeweiligen Herstellers ab. Der Ansatz von NXP umfasst die Integration der magnetischen Widerstandssensorbrücke des AMR-Sensors, der integrierten Mischsignalschaltung (IC) und der erforderlichen Kondensatoren in einem einzigen Gehäuse. Beide integrierten Kanäle arbeiten völlig unabhängig voneinander, ein vollständig isoliertes Design, das praktisch unbeeinflusst von Parameterverschlechterungen ist. Jeder Hersteller verfolgt unterschiedliche Ansätze, die alle darauf abzielen, die Auswirkungen der Parameterverschlechterung zu minimieren.
Zusammenfassung
Für Bewegungssteuerungsanwendungen in Automatisierungssystemen umfasst die magnetische Sensorik auch GMR- und TMR-Technologien. Aus technischer Sicht bieten diese eine höhere Präzision als AMR, stellen jedoch größere technische Herausforderungen dar und werden von weniger Herstellern beherrscht. Sie finden in größerem Umfang Verwendung in Automobilanwendungen.
Um bei Bewegungssteuerungsanwendungen eine überragende Steuerungsleistung zu erzielen, ist eine präzise Positionserfassung erforderlich. Innerhalb seines Messbereichs bietet die AMR-Sensorik eine hervorragende Empfindlichkeit und Reaktionszeit und ermöglicht so eine hochpräzise Positionsmessung. Präzisionslineare 3D-Hall{3}}-Sensoren können sich ebenfalls behaupten und ermöglichen schnelle, genaue und zuverlässige Messungen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen oder den Stromverbrauch und die Kosten zu erhöhen.