Anwendung von Magnetencodern und magnetischen Positionssensoren in Robotik und Automatisierung
Magnetische Encoder und magnetische Positionssensoren dienen als entscheidende Säulen in der Entwicklung von Robotik- und Automatisierungstechnologien. Sie spielen eine unverzichtbare Rolle bei der präzisen Steuerung, Echtzeit-Feedback und Systemoptimierung. Mit dem raschen Fortschritt von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung steigt die Nachfrage nach Bewegungsgenauigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit und Umweltanpassungsfähigkeit in Robotern und Automatisierungsgeräten kontinuierlich an. Magnetische Encoder und magnetische Positionssensoren, mit ihrer hohen Auflösung, berührungslosen Messung und starken Störfestigkeit, sind zu Kerntechnologien geworden, um diese Anwendungen zu realisieren. Dieser Artikel wird die Anwendungen dieser beiden Schlüsselsensoren in Robotik- und Automatisierungstechnologien sowie die zugehörigen Lösungen von Melexis untersuchen.
Magnetische Encoder bieten Echtzeit-Rückmeldung für hochpräzise Steuerung
Da der Anwendungsbereich von Robotik- und Automatisierungslösungen von spezialisierten Fachbereichen auf alltäglichere Anwendungsszenarien ausgeweitet wird, steigt auch die Nachfrage nach Encodern, die in diesen Systemen präzise und kosteneffektive Bewegungsrückmeldungen liefern können. Um den genauen Betrieb und die Sicherheitsleistung von motorbetriebenen Anwendungen wie Roboterarmen, automatisierten Verpackungsmaschinen und industriellen Webmaschinen zu gewährleisten, ist der Rückmeldemechanismus von magnetischen Encodern entscheidend.
Magnetische Encoder spielen eine Schlüsselrolle in der Robotik und Automatisierung, indem sie die Geschwindigkeit, Position und Richtung von beweglichen Komponenten präzise erfassen und Echtzeit-Feedback liefern, um eine hochpräzise Steuerung zu erreichen. Ihre Hauptfunktion ist das Bewegungssteuerungs-Feedback, das die Motorgeschwindigkeit und -position misst, während es Daten an den Controller überträgt, um eine genaue Bewegungssteuerung zu ermöglichen. In Mehr-Achsen-Bewegungssystemen sorgen magnetische Encoder für synchronisierte Bewegungen zwischen den Achsen und verhindern die Ansammlung von Fehlern.
Magnetische Encoder können mit Servomotoren oder Schrittmotoren gekoppelt werden, um geschlossene Steuerungssignale bereitzustellen, die Systemleistung zu optimieren und den Energieverbrauch zu reduzieren. Durch die kontinuierliche Überwachung von Geschwindigkeit und Position in Echtzeit helfen diese Encoder, Anomalien zu erkennen, Geräteüberlastungen oder Betriebsinstabilitäten zu verhindern und Fehlererkennungs- und Schutzfunktionen auszuführen.
Mit ihrer hohen Auflösung, geringen Latenz und hohen Zuverlässigkeit sind magnetische Encoder unverzichtbare Komponenten in Robotik- und Automatisierungssystemen geworden. Ihr Wert zeigt sich besonders in Anwendungen, die schnelle Reaktionen und eine hochpräzise Steuerung erfordern.
Magnetischer Encoder mit hervorragender Streufeldimmunität
Der Triaxis® MLX90382, vorgestellt von Melexis, ist ein kompakter, absoluter magnetischer Encoder-Chip mit herausragenden Leistungsmerkmalen. Er zeichnet sich durch außergewöhnliche Beständigkeit gegen Störfelder aus, unterstützt sowohl die präzise On-Axis- als auch Off-Axis-Sensorik und ermöglicht die nahtlose Integration in Miniaturmotoren. Dieser Encoder bietet eine Auflösung von bis zu 14 Bit und liefert absolute Winkelpositionsdaten im differenziellen Ausgangsmodus. Er unterstützt Geschwindigkeiten von bis zu 200k e-RPM, verfügt über integrierte On-Chip-Signalverarbeitungseinheiten für verzögerungsfreie Reaktionen und nutzt die Triaxis® Hall-Technologie, die flexible Montagemöglichkeiten in realen Anwendungen gewährleistet.
Der MLX90382 ist ein voll funktionsfähiger monolithischer Magnetpositionssensor, der einen fortschrittlichen Triaxis® Hall-Magnetvorderteil, einen leistungsstarken Analog-Digital-Wandler und digitale Verarbeitungshardware-Einheiten integriert, die speziell für die Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung und -aufbereitung entwickelt wurden, zusammen mit mehreren verschiedenen Arten von Ausgangstreibern.
Der MLX90382 zeigt herausragende 360° Streufeldimmunität (bis zu 4 kA/m) und erkennt genau die drei Komponenten der magnetischen Flussdichte (Bx, By und Bz), die auf den Chip angewendet werden, während er hoch empfindlich gegenüber differenziellen Magnetfeldern entlang der Z-Achse ist. Durch Programmierung können Benutzer flexibel jede Achse auswählen, um den Winkel zu bestimmen. Dieses Design in Verbindung mit einer ausgeklügelten magnetischen Anordnung ermöglicht es dem MLX90382, sowohl die absoluten als auch die inkrementellen Positionen eines rotierenden Magneten präzise zu berechnen.
Der MLX90382 bietet fünf vielseitige Ausgangsmodi, darunter industrieübliche einseitige und differenzielle ABI-Schnittstellen für inkrementelle Winkelabgabe, einseitige und differentielle UVW-Signalemulation für BLDC-Motoren sowie PWM und konfigurierbare SPI- und SSI-Schnittstellen, die funktionale Sicherheitsanforderungen unterstützen. Zusätzlich bietet das SPI-Protokoll eine synchronisierte Mehrfach-Slave-Auslesung, was die Systemflexibilität und -effizienz weiter erhöht.
Der MLX90382 löst effektiv häufige Montageherausforderungen in komplexen Motorsteuerungsanwendungen und unterstützt sowohl die On-Axis- als auch die Off-Axis-Montageflexibilität, was den Benutzern größeren Komfort bietet. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Chip, Hohlwellenanwendungen zu unterstützen, sodass Kabelbäume oder andere Komponenten durch die Welle geführt werden können, ohne die Encoder-Rückmeldung zu beeinträchtigen, wodurch die Designkomplexität reduziert und technologische Innovation vorangetrieben wird.
Der MLX90382 unterstützt einen breiten Betriebsbereich und funktioniert bei Temperaturen von -40°C bis 150°C und ist mit sowohl 5V- als auch 3,3V-Anwendungen kompatibel. Er verfügt über programmierbare lineare Transfercharakteristiken, unterstützt bis zu 16 programmierbare Punkte und entspricht den SIL-2-Sicherheitsintegritätsstandards. Er ist in einem RoHS-konformen, einmodigen 4 x 4 mm² QFN-24-Gehäuse untergebracht. Beide Varianten sind AEC-Q100 (Stufe 0) zertifiziert und gewährleisten die Produktzuverlässigkeit.
Mit seiner 14-Bit hohen Auflösung, dem differenziellen Ausgangsmodus und einem breiten Geschwindigkeitsbereich von bis zu 200k e-RPM ist der MLX90382 eine ideale Wahl für industrielle Automatisierung, Robotik und elektrische Transportlösungen. Er eignet sich hervorragend für Anwendungen wie Robotergelenke, Webmaschinenmotoren, Elektromotoren für Fahrzeuge und industrielle Automatisierung. Um die Entwicklung zu beschleunigen, bietet Melexis auch ein Evaluationsboard (EVB90382) und ein umfassendes Entwicklungskit (DVK90382) an.
Das MLX90382-Evaluationsboard, EVB90382, bietet eine einfache Möglichkeit, den MLX90382-Triaxis® Magnet-Sensor an einen Mikrocontroller oder ein Messgerät anzuschließen. Es ermöglicht die Vorprogrammierung des MLX90382-ICs für eine einfache Verbindung und Bewertung, was zur Verkürzung der Entwicklungszeit beiträgt. Das EVB90382 enthält einen in der Mitte eines 36mm x 48mm großen PCBs montierten MLX90382-IC. Das Board verfügt über bearbeitete Pins für eine schnelle Verbindung mit der MLX90382-IC-Schnittstelle und umfasst die notwendigen passiven Komponenten, um eine Schnittstelle über analoge Ausgangssignale zu ermöglichen.
Magnetische Positionssensoren zur Erkennung von Objektposition, Winkel oder Bewegung
In früheren robotischen Designlösungen priorisierten Hersteller oft Sensorchips mit Spitzenleistung, während sie den Kostenüberlegungen relativ weniger Beachtung schenkten. Da sich jedoch die Anwendungsmöglichkeiten von Robotern weiter ausdehnen, konzentrieren sich Hersteller zunehmend darauf, die Produktionseffizienz zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Dies hat sie vorsichtiger bei der Auswahl von Komponenten gemacht, um wirtschaftliche und einfache Designs zu gewährleisten, während gleichzeitig hohe Zuverlässigkeit und präzise Bewegungswiederholbarkeit in Robotern beibehalten werden.
Magnetische Positionssensoren spielen eine entscheidende Rolle in der Robotik und Automatisierung, da sie Änderungen in Magnetfeldern erkennen, um die Position, den Winkel oder die Bewegung eines Objekts zu bestimmen und hochpräzise Rückmeldesignale an das System liefern.
Magnetische Positionssensoren ermöglichen eine berührungslose Erkennung, indem sie Änderungen in Magnetfeldern ohne physischen Kontakt messen, was den Verschleiß und den Wartungsaufwand reduziert.
Diese Sensoren bieten hochpräzise Messungen von Winkelposition, linearem Versatz oder Drehgeschwindigkeit und erfüllen die Anforderungen für präzise Steuerungen in Robotik- und Automatisierungssystemen. Sie weisen zudem eine starke Widerstandsfähigkeit gegen Störungen auf und sind unempfindlich gegenüber Umgebungsfaktoren wie Staub, Feuchtigkeit und Öl, was sie für den Einsatz in rauen Umgebungen prädestiniert. Darüber hinaus sind sie in der Regel kompakt und energieeffizient, was sie ideal für die Integration in platzbeschränkte Geräte macht.
Die Vorteile magnetischer Positionssensoren umfassen Langlebigkeit, stabile Leistung und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Umgebungen, wodurch sie zu unverzichtbaren Komponenten in Robotik- und Automatisierungssystemen für Bewegungssteuerungen, Positionierung und Sicherheitsdetektion werden.
Magnetischer Positionssensor mit innovativem Magnetdesign und überlegener Sensorkapazität
Der MLX90384, eingeführt von Melexis, ist ein hochpräziser magnetischer Positionssensor, der für Roboter-Gelenke entwickelt wurde. Dieses Produkt verwendet die Arcminaxis™ Technologie und ist mit einem Magneten und Software zur Kalibrierung und Systembetrieb ausgestattet. Es bietet eine Auflösung von bis zu 18 Bit und ist neigungsunabhängig. Eine einzige integrierte Schaltung ist mit verschiedenen Magnettypen kompatibel, unterstützt Hochgeschwindigkeitskommunikation und verfügt über eine schnelle SPI-Schnittstelle.
Der entscheidende Vorteil des MLX90384 liegt in seinem innovativen Magnetdesign und seiner überlegenen Sensorik. Anders als herkömmliche Mehrpol-Magnetsensorchips erfordert der MLX90384 kein präzises Matchen zwischen der Größe der Magnetpole und dem Sensorchip. Dieses Merkmal ermöglicht die Verwendung größerer, leistungsstärkerer Magnete, wodurch stärkere Ausgangssignale erzeugt und ein größerer Betriebluftspalt unterstützt werden. Dadurch kann derselbe Sensorchip flexibel Magnete unterschiedlicher Größen aufnehmen.
Der MLX90384 integriert zwei Positionssensorchips, die jeweils über ein Triaxis® Hall-Magnet-Frontend, einen Analog-Digital-Umsetzer, dedizierte Hochgeschwindigkeitssignalaufbereitungshardware und eine 10 MHz Hochgeschwindigkeits-SPI-Schnittstelle verfügen. Beide ICs sind darauf ausgelegt, zwei Magnetflussdichtekomponenten empfindlich zu detektieren—eine parallel zur Chipebene und die andere senkrecht zu ihr.
Der Arcminaxis™ MLX90384 Hall 18-Bit-Winkelcodierchip kombiniert Multi-Achsen-Erfassung und Vernier-Technologie und nutzt einen Vernier-Typ-Magneten mit zwei Spuren (achtpolige und siebenpolige Paare). Der MLX90384-Sensorchip misst die axialen und tangentialen Magnetkomponenten dieser beiden Spuren und überträgt diese Informationen an einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller verarbeitet die empfangenen Daten, um die Winkelposition, Geschwindigkeit und die erzählte Drehung genau zu berechnen. Zusätzlich unterstützt er vorabkompilierte Softwarepakete für Kalibrierung und Systembetrieb auf Mikrocontrollern (MCUs), die ein vollständiges Referenzdesign für den Aufbau von Codierlösungen bieten.
Der MLX90384-Sensor verfügt über ein großes Luftspalt-Magnetdesign (1,5 mm nominal) mit einer Magnetplatzierungstoleranz von ±0,5 mm, was die Komplexität und Arbeitsbelastung bei der Montage von Robotergelenken reduziert. Er arbeitet mit einer 3,3V Versorgungsspannung, ist im TSSOP-16-Gehäuse verpackt, RoHS-konform und funktioniert in einem Temperaturbereich von -20°C bis 85°C. Der MLX90384-Sensor dient als absoluter Drehpositionssensor, hochgenauer Codierer und Robotergelenk-Codierer und ist einsetzbar in Elektrofahrzeugen, industriellen Motoren und anderen Bereichen.
Das MLX90384 Evaluierungskit (EVK90384) ist speziell darauf ausgelegt, die Erforschung der Arcminaxis-Technologie zu erleichtern. Vollständig auf das MLX90384 Referenzdesign abgestimmt, stellt dieses Kit einen schnellen Projektstart sicher, ermöglicht die präzise Implementierung des Referenzdesigns und bietet einen bequemen Anschluss- und Kalibrierungsprozess, um Entwicklungszyklen erheblich zu verkürzen. Melexis bietet ein umfassendes Evaluierungs-Toolkit, um die Bewertung der Arcminaxis-Technologie zu vereinfachen. Das Kit beinhaltet einen voll funktionsfähigen Tischdemonstrator, der mit einem SPI-Master-Controller für nahtlose USB-PC-Konnektivität und einer intuitiven grafischen Benutzeroberfläche (GUI) zur Kalibrierung und Bedienung des MLX90384-Demonstrators ausgestattet ist. Der Tischdemonstrator hat eine detaillierte Struktur, integriert einen Magnetsatz, eine Magnethalterung, ein Sensormodul, ein Basiselement, einen SPI-Master-Controller und spezialisierte Kabel für die Verbindung des Sensormoduls mit dem SPI-Master-Controller, um einen effizienten und bequemen Evaluierungsprozess sicherzustellen.
Fazit
Magnetische Encoder und magnetische Positionssensoren treiben als Schlüsseltechnologien die Bereiche Robotik und Automatisierung zu höherer Kontrollpräzision und Effizienz. Diese Sensoren bieten nicht nur eine genaue Rückmeldung von Position und Geschwindigkeit, sondern erfüllen auch die modernen industriellen Anforderungen an hohe Reaktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Mit der fortschreitenden Integration von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen werden sich die Anwendungsbereiche dieser Sensoren weiter ausdehnen, was Bereichen wie der intelligenten Fertigung, der medizinischen Robotik und unbemannten Systemen zugutekommt. Die magnetischen Encoder und Positionssensoren von Melexis bieten außergewöhnliche technologische Vorteile und ermöglichen umfassende Fortschritte in Intelligenz und Automatisierung, wodurch größerer Wert für die Industrie geschaffen wird.
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