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Magnetische Encoder
Magnetische Encoder basieren auf mehrpoligen Magneten und Magnetsensoren und wandeln Dreh- oder lineare Wegbewegungen in elektrische Signale um. Sie sind unempfindlich gegenüber Öl, Staub und Vibrationen, arbeiten in einem breiten Temperaturbereich und erlauben große Montagetoleranzen. Daher werden sie häufig als Positionsrückgeber in der Industrieautomation, in Fahrzeugen und Schwerlastmaschinen, in der Robotik sowie in Outdoor-Anwendungen eingesetzt.
Was ist ein magnetischer Encoder (What is a Magnetic Encoder)
Magnetische Encoder sind Sensorkomponenten, die die periodische Änderung eines Magnetfelds zur Messung von Position und Geschwindigkeit nutzen. Typisch bestehen sie aus einem Magneten (mehrpoliger Magnetring/Magnetband/Zylinder mit radialer oder axialer Magnetisierung) und einem Lesekopf (Magnetsensor-IC plus Signalaufbereitung). Innerhalb eines definierten Luftspalts erfasst der Lesekopf sinus-/cosinusförmige Signale, die sich mit der Bewegung ändern. Über AFE und Interpolation/Dekodierung werden inkrementelle A/B/Z-Signale, Sinus/Cosinus 1 Vpp (oder stromgetrieben) oder absolute Positionen (SSI/BiSS/SPI/EnDat usw.) ausgegeben.
Gegenüber optischen Encodern punkten magnetische Encoder mit besserer Umgebungsfestigkeit, längerer Lebensdauer und geringerem Kostenrahmen; bei maximaler Auflösung, Linearität und Unterteilungsfehler (SDE) bleiben High-End-Optiken jedoch meist überlegen.
Funktionsprinzip (Working Principle)
1) Magnetische Sensortechnologien
- Hall: kostengünstig, ausgereift und zuverlässig; mittlere Positions-/Winkelgenauigkeit; Temperaturoffsets müssen kompensiert werden.
- AMR (anisotrope Magnetowiderstände): höhere Empfindlichkeit als Hall, bessere Rauschunterdrückung.
- GMR/TMR (gigantischer/Spin-Tunnel-Magnetowiderstand): höchste Empfindlichkeit, geringes Rauschen; ermöglicht höhere Auflösungen und kleinere Luftspalte; TMR mit geringerem Temperaturdrift, aber höherem Preis.
- Differenzielle Messung: gleich-/gegenphasige Kanäle unterdrücken Fremdmagnetfelder und Common-Mode-Temperaturschwankungen und erhöhen so die Störfestigkeit.
2) Signalerzeugung und Winkelberechnung
- Der Magnet ist entlang Umfang oder Linie alternierend N/S magnetisiert und erzeugt ein periodisches Feld; der Lesekopf erhält näherungsweise sin/cos-Signale. Die Winkelberechnung erfolgt z. B. mit:
theta = atan2(V_sin, V_cos). - Digitale Interpolation oder PLL verfeinern Winkel/Weg; absolute Systeme geben über Ein-/Mehrgang-Codierung, redundantes Zählen oder Protokollrahmen einen eindeutigen Code aus.
3) Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Frequenz (Klartextformeln)
- Rotation:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Linear:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(Dabei ist RPM die Drehzahl, pole_pairs die Anzahl Polpaare, edges_per_cycle die aktiven Flanken pro elektrischem Zyklus; v die Lineargeschwindigkeit und p die Polteilung des Magnetbands.)
Klassifikation (Classification)
- Nach Bewegungsform: Drehencoder (Ring/radial magnetisierte Magnete, On-Axis/Off-Axis) / Linearencoder (mehrpoliges Magnetband/Gitter).
- Nach Ausgang: Inkremental (A/B/Z, TTL/HTL/RS422; Sinus/Cosinus 1 Vpp, 11 µApp) / Absolut (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat, via Gateway auch CANopen/EtherCAT etc.).
- Nach Magnet: Mehrpolige Ringe (Innen-/Außendurchmesser, feste Polteilung), radial/axial magnetisierte Dauermagnete (wenige Polpaare, kompakt), flexible Magnetbänder (lange Verfahrwege, einfache Montage).
- Nach Sensor-IC: Einchip-Winkelsensor (integriertes AFE + CORDIC/SIN/COS) / diskretes AFE + ADC + MCU/FPGA zur Interpolation/Codierung.
Ausgänge & Schnittstellen (Outputs & Interfaces)
| Kategorie | Signalform | Typische Anwendung |
|---|---|---|
| Inkrementales Rechteck | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Hochgeschwindigkeitszähler der SPS, Geschwindigkeits-/Positionsregelung |
| Sinus/Cosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Hochauflösende Interpolation, niedriger SDE |
| Absolut seriell | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Absolute Position, Mehrgangzählung, Diagnostik |
| Feldbus/Ethernet | CANopen, EtherCAT, PROFINET (über Interface-Modul) | Mehrachssynchronisation, große Distanzen & Online-Diagnose |
Wesentliche Kenndaten (Key Specifications)
| Kennwert | Typischer Bereich / Hinweis |
|---|---|
| Auflösung | Drehend: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR mit Interpolation); linear: Grundraster 5–50 µm, interpoliert bis 1–5 µm, High-End sub-µm |
| Winkelgenauigkeit | Absolut drehend: ±0,05° bis ±0,5° (abhängig von Magnet & Exzentrizität) |
| Reproduzierbarkeit/Jitter | Reproduzierbarkeit besser als ±0,05°; Jitter abhängig von SNR & Interpolations-Takt |
| SDE (Unterteilungsfehler) | typ. ≤ ±0,1° (High-End ≤ ±0,03°); linear in µm |
| Magnetischer Luftspalt | 0,5–2,5 mm (abhängig von Magnetenergie & Sensorarray) |
| Polteilung/Polpaare | Ringe häufig 2–64 Polpaare; Bänder meist 2–5 mm Polteilung |
| Max. Geschwindigkeit | mechanisch > 10 000 U/min; linear > 3 m/s (schnittstellenabhängig) |
| Temperaturbereich | −40 °C bis +125/150 °C (Automotive); Temperaturkompensation erforderlich |
| Schutz/Resistenz | IP50–IP67; unempfindlich gegenüber Ölnebel, Staub, Kühlschmierstoffen |
| EMV/ESD | Erfüllung industrieller/automotiver EMV-Anforderungen; differenzielle Leitungen & Schirmung sind entscheidend |
Hinweis: Die tatsächliche Performance hängt von Magnetmaterial & Magnetisierungsqualität, Exzentrizität/Neigung, Luftspalt, Schirmung und Algorithmen zur Kompensation ab.
Magnet & Mechanik (Magnet & Mechanics)
- Magnetmaterialien: NdFeB (hohe Energiedichte; entmagnetisierungsanfällig → Thermomanagement), SmCo (hochtemperaturstabil; teuer), Ferrit (günstig; größerer Bauraum).
- Magnetisierung: radial/axial oder mehrpolig ringförmig; Polteilungs-Uniformität beeinflusst Linearität und harmonische Fehler direkt.
- Geometrische Fehler: Exzentrizität (runout) erzeugt Fehler 1./2. Ordnung; Kipp/Schlag führen zu Amplituden-/Phasenungleichgewichten und Verzerrungen.
- Luftspalt-Toleranzen: zu groß → Amplitudenabfall & SNR-Verschlechterung; zu klein → Kontaktgefahr & thermische Fehlanpassung.
- Störfeld-Immunität: differenzielle Struktur, Flusskonzentratoren oder Schirmringe; Abstand von Statorzahn-Harmonischen elektrischer Maschinen; ggf. stray-field immunity bewerten.
Fehlerquellen & Kompensation (Error Sources & Compensation)
- Amplituden-/Phasenungleichgewicht / Elliptizität: Reduktion des SDE durch AGC, Phasenausgleich und Ellipse-Kompensation.
- Temperaturdrift: Modellierung von Sensortempokoeffizienten und temperaturabhängiger Remanenz; Online-Temperaturmessung mit Korrektur.
- Exzentrizität/Polteilungsfehler: werksseitige LUT-Linearisierung oder In-situ-Kalibrierung im System (Mehrpunkt-/Harmonische-Kompensation).
- Fremdmagnete/EMI: differenzielle Verdrahtung, RS422-Übertragung, Schirmung und Einpunkt-Erdung; ggf. Weicheisen-Schirmung.
- Mehrgangzählung: Ausfallsichere Speicherung bei Spannungsverlust per Energy Harvesting, Getriebe, FRAM/NVRAM und Redundanz-Konsistenzprüfung.
Vergleich mit anderen Technologien (Comparisons)
| Technologie | Auflösung/Genauigkeit | Umweltfestigkeit | Kosten | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|---|
| Magnetischer Encoder | ★★★☆ (bis 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Industrie/Automotive, raue Umgebungen, hohe Lebensdauer |
| Optischer Encoder | ★★★★★ (nm/arcsec-Bereich) | ★★☆ | ★★★★ | Präzisions-Werkzeugmaschinen, Metrologie, Halbleiterplattformen |
| Induktiver Encoder | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Hohe Temperaturen/starke EMI, schwere Maschinen |
| Resolver | ★★☆ (analoge Demodulation) | ★★★★★ | ★★★ | Motorfeedback bei starken Vibrationen/hohen Temperaturen |
| Potentiometer | ★ | ★★ | ★ | Niedrige Kosten, kurze Lebensdauer/geringe Genauigkeit |
Anwendungen (Applications)
- Industrieautomation: Förder- und Schwerlasttechnik, Hybrid-Servo/Schrittsysteme, Aufzüge und Hafenkrane.
- Automotive/Transport: Kommutierung & Position von E-Maschinen, Lenkung & Pedale, Chassis- und Sitzverstellung (ISO 26262-Umfeld).
- Robotik & Cobot-Arme: Gelenkwinkel, Radencoder für AGV/AMR, mobile Outdoor-Plattformen.
- Erneuerbare & Outdoor-Ausrüstung: Solar-/Wind-Nachführung, Ventile & Aktoren, Bergbau- und Baumaschinen.
Montage- & Integrationshinweise (Installation & Integration)
- Zentrierung/Koaxialität: bei Drehgebern Passschultern/Lehren nutzen; radialen Rundlauf und Axialschlag begrenzen; bei Linearsystemen Geradheit des Magnetbands und Stabilität des Trägers sicherstellen.
- Luftspalt-Einstellung: gemäß Datenblatt mit Reserve über den gesamten Temperaturbereich; min. SNR und Amplitudenreserve bei max. Geschwindigkeit verifizieren.
- Verdrahtung & Abschluss: bevorzugt differenzielles RS422 oder stromgetriebene Schnittstellen; Impedanzanpassung, Schirmung und Einpunkt-Erdung zur Vermeidung von Schleifen.
- Protokollparameter: Rahmenlänge, CRC, Timing und Alarmbits von SSI/BiSS/SPI/EnDat mit dem Controller abstimmen.
- Redundanz & Sicherheit: kritische Achsen mit Doppelkanal/Doppelsensor und Kohärenzüberwachung (Auslegung nach SIL/PL bzw. ASIL).
Normen & Konformität (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (IP-Schutzarten) / IEC 60068-2 (Vibration/Schock/Hohe-Niedrige Temp./Feuchte)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (industrielle EMV-Störfestigkeit/Emission), ISO 7637 (transiente Störungen im Fahrzeugbordnetz)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (Funktionale Sicherheit für Maschinen/Antriebe/Automotive)
- AEC-Q100/Q200 (automotive Bauteilzuverlässigkeit für Sensor-ICs/Passive)
Die tatsächlichen Konformitätsanforderungen sind branchen- und projektspezifisch festzulegen.
Auswahlleitfaden (Selection Guide)
- Zielgenauigkeit: Winkelgenauigkeit/Linearität, Auflösung, SDE und Jitter-Ziele.
- Sensortechnologie: Hall (Kostenpriorität) / AMR / GMR / TMR (Priorität auf Auflösung & Temperaturstabilität).
- Magnetkonzept: Mehrpolring/Band/Einzelmagnet; Polteilung & Abmessungen, Material & Temperaturklasse.
- Ausgangsschnittstelle: Inkremental/Sinus oder SSI/BiSS/SPI/EnDat; Bedarf an Feldbus-Gateway & Online-Diagnose.
- Umgebung & Lebensdauer: IP-Schutzart, Temperatur/Öl/Staub, Störfeld-Immunität; für Automotive/Outdoor entsprechende Qualifikation & Dauerfestigkeit.
- Mechanik & Luftspalt: zulässige Ausrichtungsfehler, Luftspaltfenster, Drehzahlgrenzen; Montagelehren & Serienkonstanz.
- Kompensation & Kalibrierung: Unterstützung von LUT für Temperatur/Harmoniken/Linearisierung; Werks- vs. In-situ-Kalibrierstrategien.
- Sicherheit & Redundanz: Ziel-Sicherheitslevel, fehlersichere (fail-safe) Auslegung und Diagnose-/Überwachungsschnittstellen.
Glossar (Glossary)
- Polteilung/Polpaare (pole pitch/pairs): räumliche Länge eines N-S-Zyklus / Anzahl der Polpaare.
- SDE (Sub-Division Error): Unterteilungsfehler; verbleibender periodischer Fehler nach der Interpolation.
- Stray-Field Immunity: Unempfindlichkeit gegenüber externen/streuenden Magnetfeldern.
- CTE: Wärmeausdehnungskoeffizient; beeinflusst die thermische Passung von Magnet und Mechanik.
Zusammenfassung: Wer die Prinzipien der magnetischen Detektion, das Magnet- und Mechanikdesign, die Schnittstellen und Kompensationsstrategien beherrscht und diese mit Zielgenauigkeit und Einsatzbedingungen abgleicht, kann auch in rauen Umgebungen hochzuverlässige, langlebige und diagnostizierbare Antriebs- und Positionsregelungen realisieren.