Slimme multi-turn hoeksensor

Meet contactloos tot 15840°

Er zijn verschillende manieren om een hoekverdraaiing te meten. De meest simpele is de sensor op basis van een multi-turn potentiometer. Met een dergelijke oplossing wordt zelfs de hoek gemeten als het meetsysteem geen voedingsspanning krijgt. Wie ditzelfde wil, maar dan robuuster, slijtvaster en contactloos heeft niet veel opties. Bijna elke sensor die aan deze eisen voldoet, kan zijn meetwaarde niet vasthouden als de spanning wegvalt. Novotechnik heeft echter een sensor ontwikkeld die dit wel kan. Onlangs bracht men een serie sensoren uit die tot 44 omwentelingen de exacte hoek nauwkeurig kan meten, zelfs als het meetsysteem uitgeschakeld is.

Rotaties kun je meten met diverse sensoren. Neem bijvoorbeeld de encoder. Hiermee is verdraaiing en draairichting vrij gemakkelijk te bepalen, maar om een exacte positie te bepalen, is een stukje intelligentie nodig die telt hoeveel stappen er verdraaid zijn en in welke richting. Als bij een dergelijk meetsysteem de spanning uitvalt, dan is hij deze waarden kwijt en moet de machine waarin de sensor geplaatst is opnieuw op zoek gaan naar zijn beginstand. Bij een sensor met een codeschijf hoeft dat niet, maar deze hebben als nadeel dat ze gevoelig zijn voor trillingen en de resolutie veelal niet echt hoog is. Daar komt bij dat de schijf slechts een verdraaiing tot 360 graden kan vaststellen. Daarna moet er toch een stukje elektronica ingezet worden om het aantal volledige omwentelingen vast te leggen. De nieuwe ultracompacte multi-turn hoeksensor MC1-2800 heeft echter afgerekend met alle nadelen. Met 44 omwentelingen, een diameter van slechts 30 mm en een nauwkeurigheid van 0,5° werkt de MC1-2800 absoluut betrouwbaar, zelfs onder de meest ongunstige omstandigheden weet hij elke hoek tussen 0 en 15840° te bepalen.

Van 16 naar 44 omwentelingen

Novotechnik heeft na intensief ontwikkelingswerk een serie multi-turn sensoren op de markt gebracht waarvan de RSM-2800 de eerste serie was. Ondertussen heeft men deze techniek verder ontwikkeld en heeft men de serie MC1-2800 gelanceerd. Was de RSM-2800 een sensor die 2 tot 16 maal volledig gedraaid mocht worden, bij de nieuwste uitvoering is dit zelfs 44 omwentelingen. En dat met een nauwkeurigheid van 0,5°. Beide series zijn bedoeld om betrouwbaar verdraaiingen te kunnen meten zelfs onder extreme omstandigheden (figuur 1). De nieuwe multi-turn sensor biedt oplossingen voor een breed scala aan industrieën. De veelzijdige toepassingsmogelijkheden variëren van het detecteren van de stuurwielpositie in auto’s tot het bepalen van de positie van aandrijfspindels in industriële actuatoren. Het uitgebreide meetbereik van 44 omwentelingen (= 15840°) maakt het mogelijk om aanzienlijk grotere trajecten te realiseren, bijvoorbeeld bij gebruik met lineaire aandrijvingen of kabellengtesensoren. Het aantal toepassingen is zeer uitgebreid, waarbij als grote voordeel geldt dat met deze sensor het draaiende deel niet meer voor gebruik naar een beginpositie verdraait hoeft te worden. Dit is met name voor stuurinrichtingen van moderne auto’s en AGV’s een must.

De technologie erachter

De miniatuur multi-turn sensor NOVOTURN MC1-2800 maakt gebruik van contactloze en dus slijtagevrije hoekbepaling door het GMR-effect (Giant Magneto Resistance). Sensoren die op deze technologie zijn gebaseerd, leveren absolute positiewaarden, hebben geen referentiesignalen nodig en hebben geen voeding of bufferbatterij nodig om de hoekverdraaiing te registreren. Als echt “true power-on”-systeem wordt direct na het opstarten de juiste meetwaarde over meerdere omwentelingen geleverd. Elke rotatie binnen het meetbereik wordt gedetecteerd, zelfs als de stroom is uitgeschakeld.
De werking van de sensoren berust zoals genoemd op Giant Magneto Resistance. Wikipedia schrijft daar het volgende over: “Het GMR-effect (GMR van het Engelse giant magnetoresistance) is een kwantummechanisch effect waarbij de elektrische weerstand van een materiaal sterk afneemt onder invloed van een magnetisch veld. Het effect treedt op in dunne lagen van afwisselend ferromagnetisch en niet-magnetisch metaal. De Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2007 ging naar Albert Fert en Peter Grünberg voor hun ontdekking van het GMR-effect. Het effect vindt onder andere belangrijke toepassingen in magnetische opslagmedia zoals harde schijven. In 1998 ontving Peter Grünberg hiervoor de Duitse Toekomstprijs.”
Het gaat dus om dunnefilmstructuren van twee ferromagnetische lagen gescheiden door een dunne niet-magnetische film. Wanneer de twee magnetische lagen parallel zijn, daalt de weerstand tot een minimale waarde. Wanneer de magnetische lagen worden gedraaid zodat ze niet langer parallel zijn uitgelijnd, neemt de elektrische weerstand toe. Deze toename kan worden gebruikt om absolute positiewaarden te meten.

Over de techniek schrijft Wikipedia nog veel meer en ook Novotechnik heeft een uitgebreide whitepaper gepubliceerd over de werking van hun sensors. Op onze website zullen we in de rubriek ‘achtergrond’ de links naar deze informatie met u delen. Voor nu volstaat het om te weten dat u de sensoren niet mag zien als een soort computerharde schijf met data er op net als een optische codeschijf. In dat geval zou slechts een hoek van 360⁰ uitgelezen kunnen worden en is alleen tijdens het draaien van de as de code te lezen. Het meetprincipe is veel complexer en bestaat zoals afbeelding 1 laat zien uit twee delen. Als eerste wordt de hoek tussen 0 en 360⁰ bepaald. Vervolgens gebruikt men een ander deel om het aantal omwentelingen te bepalen. En dat beide zonder elektronica nodig te hebben die voorzien is van tellers.
Op de roterende as van de sensor bevindt zich een magneet. Wanneer deze wordt gedraaid, verandert de magnetisatie in de structuur van het speciaal ontworpen GMR-sensorelement.
Elke magnetisatiestatus wordt op een resistieve manier bepaald en met behulp van een geschikt algoritme aan een unieke rotatiepositie toegewezen. In combinatie met een 360°-meetsensor kan de absolute hoekpositie over meerdere omwentelingen worden gemeten (afbeelding 2).

Compatibiliteit en digitale interfaces

Het meetbereik wordt via marktspecifieke digitale interfaces overgedragen en garandeert een resolutie tot 16 bit over 360°. Er is ook een sensor met een ratiometrisch analoog uitgangssignaal beschikbaar. De integratie van intelligente interfaces zoals CANopen of IO-Link maakt slimme sensorfuncties voor toestandsbewaking mogelijk, zoals statistische gegevens over temperatuur, voedingsspanning of bedrijfstijd. Hierdoor kunnen applicaties zelfstandig betere beslissingen nemen (bijvoorbeeld bij predictief onderhoud), effectiever werken en zo de productiviteit verhogen.

Robuustheid voor veeleisende omgevingen

Gezien de hoge eisen die aan het buitengebruik van mobiele werkmachines en bedrijfsvoertuigen worden gesteld, is de NOVOTURN MC1-2800 uiterst ruimtebesparend en robuust (afbeeldingen 4 en 5). De ingekapselde elektronica en beschermingsklassen tot IP67 zorgen voor betrouwbaarheid, zelfs onder de meest ongunstige omstandigheden. De industriestandaardinterfaces zoals IO-link, CANopen en CAN SAE J1939 zijn gekwalificeerd volgens de hoogste EMC-eisen, zoals ISO-pulsen en interferentievelden volgens ISO 11452, om de geschiktheid van de sensoren te garanderen.