Safety-Encoder mit Open-Source-BiSS-Schnittstelle für die Integration in Komplettsysteme

  • Encoder Blue am Beispiel eines Nonius-Systems Encoder Blue am Beispiel eines Nonius-Systems

Was inzwischen für nahezu alle Industriekomponenten gilt, gilt auch für die Encoder-Technik: Sie soll möglichst wenig Bauraum bei gesteigerter Performance beanspruchen. Bei den Industriesensoren werden diese Anforderungen meist mit Zusatzfunktionen kombiniert. Neben dem eigentlichen Sensor wird hier auch das Gesamtsystem betrachtet, um die gewünschte Verkleinerung von Fläche, Volumen und Gewicht zu erreichen und die Funktionalität zu optimieren.

Neue Encoder-Generationen sollen neben einer höheren Auflösung bei kleinerer Bauform auch Safety-fähig sein – bei rein digitaler Kommunikation. Safety-Encoder erfordern einen zweikanaligen Aufbau sowohl für die Übertragung als auch für die Sensoren, das heißt beispielsweise für die optische Abtastung der Position. Eine zweikanalige Sensorauslegung auf einem einzigen Substrat oder Chip ist durch eine separate zweifache Abtastung des Pseudo Random Code (PRC) auf einem mikro-optoelektronischen Sensor für Safety-Anwendungen ideal.
Die Übertragung von Safety-relevanten Positionsinhalten kann in zwei logische Kanäle aufgeteilt werden: die Position zur Regelung und die Position zur Sicherheitsüberprüfung. Zusätzlich hat eine integrierte vollständig digitale Kommunikation Vorteile gegenüber einer analogen oder kombiniert analogen und digitalen Kommunikation: höherer Signal-to-Noise-Abstand, weniger Signale auf weniger Leitungen, einfachere Schirmung, dünnere Kabel, geringere Durchmesser, geringere Massen. Als Schnittstelle wurde die offene Standard-Schnittstelle BiSS C mit dem BiSS-Safety-Protokoll verwendet. Konkret basiert die Kommunikation auf einer einzigen, rein digitalen, seriellen Übertragung, die die beiden Kanalinhalte eindeutig und sicher voneinander trennt. Die genutzte Kommunikation wird bei BiSS Safety als "Black Channel" betrachtet: Alle Veränderungen bei der Übertragung werden hinreichend erkannt.

Code Disks
Die Maßverkörperung - bei einem optischen Drehgeber die Codescheibe - bildet die Messgrundlage für das absolut messende Sensorsystem und ist in verschiedenen Ausführungen möglich.

Der Anteil der digitalen Maßverkörperung kann über eine einzige oder über mehrere Spuren gebildet werden, die auf verschiedenen Radien verteilt sind.
Die Anzahl der Spuren und einzuhaltende Abstände und Spurbreiten definieren die Mindestgröße einer Code-Scheibe. Häufig anzutreffen sind bei optischen Drehgebern Code-Scheiben mit einem Gray-Code. Die Anzahl der Code-Spuren entspricht der Auflösung der Absolutposition in Bits. Daraus ergibt sich bereits bei einfacher Auswertung eine relativ große Maßverkörperung mit einem ebenfalls für diese Größe erforderlichen Sensor. Bei optischen Drehgebern sind weiterhin Code-Scheiben mit analogen Nonius-Spuren im Einsatz. Die Absolutposition in Bits wird dabei aus dem Nonius-Verhältnis verschiedener Analogspuren gebildet. Hier kann man eine relativ kleine Maßverkörperung mit einem kompakten Sensor nutzen. Die Auswertung der Sensorsignale erfordert jedoch erhöhten Aufwand.

Pseudo-Random-Code
Als Alternative findet man in verschiedenen Technologien häufiger auch Lösungen, die einen Pseudo-Random-Code (PRC) verwenden. Hierbei wird nur ein Radius mit einer Spur digital abgetastet und ausgewertet. Statt vieler Radien kann der einzige Radius auch breiter abgetastet werden.
Der PRC stellt eine Code-Sequenz dar, die an jeder abzutastenden Stelle die Winkelinformation eindeutig, digital und ausreichend aufgelöst und genau liefert. Ein weiterer Vorteil des PRC-Verfahrens für Safety-Anforderungen ist die mögliche gleichzeitige Abtastung an verschiedenen Positionen der Maßverkörperung. Bei bekanntem Radius kann die zweifache Abtastung der Digitalinformation auf einem einzigen Sensor-Chip integriert werden. Mit dem auf dem Chip konstanten Abstand der beiden Abtastungen wird für einen gewählten Radius immer auch ein gleicher Winkelabstand sichergestellt. Mit dem PRC sind kleinere Codescheiben sowie Codescheiben mit größeren Innendurchmessern umsetzbar. Größere Innendurchmesser ermöglichen größere Hohlwellen, wie sie in der modernen Cobotik und Robotik benötigt werden.

Encoder Blue für verbesserte System-Performance
Eine Steigerung der Performance bei geringerer Baugröße erfordert auch eine Lösung für einen geringeren Rauschanteil bzw. ein verbessertes Signal-to-Noise Verhältnis. Bei optischen Encodern bietet sich die EncoderBlue-Technologie an, die mit den kürzeren Wellenlängen eine schärfere Abbildung und damit verbesserte System-Performance liefert. Wirkungsgrad, Eindringtiefe des Lichts in die optische Sensorstruktur und das Signal-to-Noise-Verhältnis sind bei einer kurzwelligen LED-Beleuchtung deutlich verbessert mit resultierenden höheren Genauigkeiten trotz kleinerer Strukturen und geringerer Baugröße.
Bei blauer Sensorbeleuchtung für optimierte Sensorstrukturen werden trotz Verkleinerung vergleichsweise bessere Ergebnisse erzielt. Für hochauflösende Systeme können auf dem gleichen Halbleitersubstrat SIN/COS-Signale zusätzlich erzeugt und interpoliert werden, um Positionsworte mit erhöhter Auflösung zu bilden.

Montage, Kalibrierung und Erfassung von Umdrehungen
Neben der Anzahl der erforderlichen Komponenten wirkt sich auch die Montage und Kalibrierung des Sensors auf die Gesamtkosten aus. Durch die Integration von zwei Abtastern auf einem einzigen Chip sind deren relative Positionen zueinander durch den CMOS-Lithografie-Prozess bestimmt und praktisch exakt. Damit muss nur eine einzige kombinierte Sensor-Anordnung als Chip-on-Board oder in einem gemeinsamen Gehäuse in einem Standard SMT-Prozess ausgerichtet und auf einer Platine montiert werden. Eine Ausrichtung getrennter Sensoren zueinander und deren Verbindungen untereinander auf der Trägerplatine sind nicht erforderlich.
In vielen Applikationen wird zusätzlich zum Winkelwert von 0° - 360° (Single-Turn) auch die Anzahl der Umdrehungen mit einer Multi-Turn-Sensorik erfasst. Die Single-Turn-Abtastung synchronisiert dabei kombinierbare alternative marktgängige Lösungen für Multi-Turn-Zähler, beispielsweise mechanische Getriebe oder Batterie gepufferte Zähler oder Energy-Harvesting-Encoder, die die Stromversorgung aus der kinetischen Energie des Antriebs gewinnen.

Zukunft: Einkabel-Technik
Die in Safety-Encodern verwendete Open-Source-BiSS-Schnittstelle eröffnet mit ihrer weltweiten Verbreitung als Industriestandard vielfältige Applikationen. Für den Wachstumsmarkt der Antriebsregelungen (Motor-Feedback) zeichnet sich BiSS Line zudem durch eine störsichere Übertragung in Einkabel-Technik aus, mit der die Motorkabel mit den Encoder-Datenleitungen in Hybrid-Kabeln zusammengefasst und über einen einzigen Stecker dem geregelten Antrieb zugeführt werden. Motor und Sensorik bilden damit eine kompakte mechanische Einheit, die zunehmend lagerlose Encoder beinhaltet. Bei der Umsetzung mit BiSS Line muss ein größerer Störanteil auf den Kommunikationssignalen kompensiert werden, um die Verfügbarkeit des Systems zu erhalten oder gegenüber klassischer Verbindungstechnik noch zu erhöhen. Dies wird durch eine rein digitale Übertragung mit Forward Error Correction (FEC) erreicht. Forward Error Correction wird im Alltag auch bei Compact Disc (CD) oder DVB-T/-C/-S verwendet, bei denen Kratzer und Störungen zu erwarten sind, aber eine erneute Übertragung nicht gewünscht oder nicht möglich ist.

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