Wenn jeder Millimeter zählt: Positionssensorik für kompakte Antriebe

Der Trend zu kompakten, dezentralen Antrieben stellt die Positionssensorik vor einen Zielkonflikt: Encoder sollen möglichst wenig Bauraum beanspruchen, gleichzeitig aber eine hohe Auflösung liefern und die absolute Position auch nach einem Spannungsausfall zuverlässig bereitstellen. Besonders deutlich wird diese Herausforderung in Robotergelenken, kleinen BLDC- und Schrittmotoren, fahrerlosen Transportsystemen sowie medizintechnischen Geräten. Hier muss das Feedbacksystem nicht nur präzise arbeiten, sondern sich auch mechanisch und elektrisch in eng gepackte Antriebseinheiten integrieren lassen.

Mit einer neuen Generation der Ixarc-Absolutwertgeber adressiert Posital diese Anforderungen. Die Encoder messen 20 mm im Durchmesser und 22 mm in der Länge. Damit fällt die Bauform nochmals kleiner aus als bei der 2020 eingeführten 22-mm-Serie. Angeboten werden sowohl Einbau-Kits zur direkten Integration in Motoren und Antriebe als auch konventionelle Anbaudrehgeber mit eigener Welle, Kugellagern und Flansch. Die Standalone-Geräte sitzen in einem Schutzgehäuse aus DC04-Stahl.

TMR-Sensorik erhöht die Auflösung

Eine zentrale technische Änderung betrifft das magnetische Messprinzip. Statt Hall-Sensoren kommt TMR-Sensortechnik zum Einsatz. TMR steht für Tunnel Magnetoresistance und beschreibt einen quantenmechanischen Widerstandseffekt in dünnen magnetischen Schichtsystemen. Entsprechende Sensoren reagieren auf Veränderungen eines Magnetfelds und können dessen Richtung beziehungsweise Stärke mit hoher Empfindlichkeit erfassen.

Für kompakte Drehgeber ist das aus mehreren Gründen interessant: TMR-Sensoren ermöglichen eine hohe Signalgüte bei vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme. Bei den neuen Encodern beträgt die Singleturn-Auflösung laut Hersteller bis zu 19 Bit. Innerhalb einer Umdrehung lassen sich damit rechnerisch 524.288 unterschiedliche Positionen abbilden. In der Praxis hängt die tatsächlich nutzbare Genauigkeit jedoch nicht allein von der nominellen Auflösung ab. Ebenso wichtig sind unter anderem Magnetqualität, Luftspalt, Rundlauf, Temperaturverhalten, Signalverarbeitung und die mechanische Montage.

Gerade bei kleinen Motoren ist die reduzierte Leistungsaufnahme relevant. Zusätzliche Verlustleistung erwärmt den begrenzten Bauraum und kann das thermische Gesamtkonzept des Antriebs beeinflussen. Ein energieeffizientes Sensorelement erleichtert daher nicht nur die Elektronikentwicklung, sondern kann auch zur höheren Leistungsdichte des Gesamtsystems beitragen.

Selbstkalibrierung vereinfacht die Montage

Bei Kit-Encodern bilden Sensorplatine, Magnet und Motorwelle kein vollständig vormontiertes System. Fertigungs- und Montagetoleranzen können deshalb zu Exzentrizität, einem abweichenden Luftspalt oder einer nicht idealen Ausrichtung führen. Solche Abweichungen wirken sich auf das Sensorsignal und damit auf die Messqualität aus.

Die 20-mm-Kit-Ausführungen besitzen deshalb eine integrierte Selbstkalibrierung. Nach der Montage reichen nach Herstellerangaben wenige kurze Wellenumdrehungen aus. Der interne Mikroprozessor analysiert dabei das Messsignal, erkennt geringfügige Einbauabweichungen und kompensiert sie. Für Motorenhersteller und Systemintegratoren kann dieser Schritt den Abgleich in der Produktion verkürzen und reproduzierbare Ergebnisse unterstützen. Eine sorgfältige mechanische Auslegung ersetzt die Funktion allerdings nicht: Die zulässigen Montageabstände und Toleranzen bleiben weiterhin einzuhalten.

Auch die konstruktive Anschlussgestaltung zielt auf eine flexible Integration. Das Steckersystem erlaubt eine radiale oder axiale Kabelführung. Das ist insbesondere dann hilfreich, wenn Leitungen nicht in Verlängerung der Motorachse geführt werden können oder seitlich nur wenig Platz zur Verfügung steht. Befestigungslochbilder und Steckerbelegung entsprechen der vorausgegangenen 22-mm-Serie. Dadurch lassen sich bestehende Konstruktionen potenziell mit überschaubarem Änderungsaufwand auf die kleinere Bauform umstellen. Als digitale Schnittstellen stehen BiSS C und SSI zur Verfügung.

Multiturn-Zählung ohne Batterie

Eine weitere Besonderheit ist die batterielose Erfassung mehrerer Umdrehungen. Konventionelle Multiturn-Absolutwertgeber speichern die Anzahl der Wellenumdrehungen beispielsweise mithilfe eines Getriebes, einer Batterie oder eines extern gepufferten elektronischen Zählers. Batterien begrenzen jedoch die wartungsfreie Lebensdauer und müssen hinsichtlich Alterung, Temperaturbereich und Austausch berücksichtigt werden.

Die neuen Encoder nutzen stattdessen einen Wiegand-Sensor. Bei jeder vollständigen Wellenumdrehung erzeugt das wechselnde Magnetfeld einen kurzen Energieimpuls. Dieser Impuls löst das Zählereignis aus und stellt zugleich die dafür benötigte elektrische Energie bereit. Die Umdrehungsinformation kann deshalb auch dann fortgeschrieben werden, wenn die externe Versorgungsspannung abgeschaltet ist. Der Hersteller gibt für den Multiturn-Bereich bis zu 24 Bit an. Das entspricht 16.777.216 unterscheidbaren Umdrehungen.

Für Maschinen und mobile Systeme reduziert dieses Prinzip den Wartungsaufwand und vermeidet Zustände, in denen nach einem Spannungsausfall zunächst eine Referenzfahrt erforderlich wäre. Das kann bei schwer zugänglichen Achsen, autonomen Fahrzeugen oder Robotergelenken ein wichtiger Vorteil sein. Voraussetzung bleibt, dass die Steuerung die absolute Positionsinformation über die gewählte Schnittstelle korrekt übernimmt und beim Wiederanlauf plausibilisiert.

Systembetrachtung entscheidet über den Nutzen

Die Miniaturisierung des Encoders allein macht noch keinen kompakten Antrieb. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Motor, Leistungselektronik, Getriebe, Bremse, Sensorik, Verkabelung und Wärmeabfuhr. Bei der Auswahl sollten Entwickler daher neben Abmessungen und Auflösung auch Genauigkeit, Wiederholbarkeit, zulässige Drehzahl, Latenz, EMV-Verhalten, Temperaturbereich und mechanische Belastbarkeit prüfen. Für sicherheitsgerichtete Achsen kommen zusätzliche Anforderungen an Diagnoseabdeckung, Redundanz und funktionale Sicherheit hinzu.

Dennoch zeigt die neue 20-mm-Klasse, wohin sich die Positionssensorik entwickelt: höhere Informationsdichte bei kleinerer Bauform, weniger wartungsbehaftete Komponenten und mehr Funktionen zur automatisierten Inbetriebnahme. Vor allem in Klein- und Kleinstantrieben kann diese Kombination neue konstruktive Freiräume schaffen. Ihr praktischer Wert wird sich daran messen lassen, wie robust sich Auflösung, absolute Positionserfassung und Montagefreundlichkeit unter realen Betriebsbedingungen verbinden lassen.