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Messtechnik als Maßanzug
Kleiner, schneller, leichter – ein Trend im Maschinen- und
Fahrzeugbau, der ohne angepasste Messsysteme nicht möglich wäre.
Die Gesellschaft für Mikroelektronik Chemnitz mbH (GEMAC)
entwickelt und produziert dafür seit mehr als zwölf Jahren
Interpolationselektroniken. Die Schaltkreise sind sowohl robust
und prozesstauglich als auch qualifiziert für höchste Dynamik
bei höchster Messgenauigkeit. Diese sich scheinbar
widersprechenden Forderungen müssen vor allem in Bahnsteuerungen
und Positioniersystemen vereinbart werden.
Diese Qualität in der Messtechnik wird erreicht
durch die Integration von Signalaufbereitungen in magnetischen
und optischen Encodern. Optimiert wird dieses Konzept, indem die
Positionsregler in die Antriebssysteme verlagert werden. Der
Schlüssel dazu sind die Interpolationselektroniken. Zwischen
Encoder und eigentlichem Positionsregler geschaltet, können sie
nicht nur die Auflösung der Signale erhöhen. Sondern weltweit
einzigartig arbeiten auch alle Interpolationssysteme der GEMAC
mit einem integrierten automatischen Regelalgorithmus. Nur
dadurch wird die Linearität der Messwerte und damit die volle
Genauigkeit bei allen Interpolationsraten gewährleistet.
Zusätzlich entbindet diese patentierte Regelung den
Positionsregler vom aufwändigen Korrigieren der Encodersignale.
Die Messergebnisse werden dadurch genauer und schneller
ausgegeben.
Zurzeit sind auf dem Gebiet der Interpolationselektronik
gegenläufige Trends zu beobachten. Auf der einen Seite sind sehr
kleine, kostengünstige aber dennoch robuste und zuve rlässige
Interpolations-Schaltkreise gefragt. Integriert werden sollen
sie in großer Stückzahl direkt in optische oder magnetische Encoder. Die geforderten Messgenauigkeiten werden durch eine
gute Abstimmung zwischen Maßverkörperung, Sensor und
Funktionsumfang der Interpolationselektronik erreicht. Diesen
Bedarf deckt die GEMAC mit dem analogen Interpolations-IC
GC-AIP40 ab (siehe Abbildung 1) . Mit diesem Schaltkreis wird die
Auflösung des Maßstabes bis zu 40-fach vergrößert. Gleichzeitig
wird sichergestellt, dass ein vorgewählter Mindestflanke nabstand
am Ausgang nicht unterschritten wird. Dadurch kann jedes
Auswertesystem angeschlossen werden. Passend zur Applikation
können zusätzlich Filter für Eingangsstörungen konfiguriert
werden.
Auf der anderen Seite werden Geräte gefordert, die die
Messgenauigkeit bis zur Grenze des physikalisch Machbaren
ausreizen. Sie sollen zum einen hochdynamisch in geschlossenen
Regelkreisen arbeiten und robust sein. Zum anderen soll die
Messgenauigkeit auch für Serienstückzahlen geeignet sein.
Möglich wird dies mit Hilfe automatischer Kalibrier- und
Diagnosefunktionen für das Gesamtsystem. Um diesen Forderungen
gerecht zu werden, müssen ausgewählte mechanische und
elektronische Komponenten eingesetzt werden. Die
kostengünstigste Alternative sind maßgeschneiderte
Interpolationselektroniken in Kombination mit jeder Art von Encodern. Die GEMAC erweitert dafür derzeit ihr Produktspektrum
um das Interpolationsmodul IPM4000 und das Komplettgerät
IPE16000.
Das IPM4000 bietet bei einer Eingangsfrequenz von 330kHz eine
Interpolationsrate von bis zu 4096. Weltweit einmalig
gewährleistet das Modul eine sehr geringe Verzögerungszeit von
kleiner 4µs zwischen der Abtastung der Encodersignale bis zur
Bereitstellung des Messwertes. In Kombination mit der schnellen
Datenrate von 1.000.000 Messwerten pro Sekunde arbeitet das
Modul optimal in geschlossenen Regelkreisen. Die Einheit
IPE16000 ist ein skalierbares zwei- bis acht- Achssystem, das
die Encodersignale bis zu 16384-fach interpoliert. Es
gewährleistet höchste Messgenauigkeit bei allen Frequenzen bis
500kHz durch die automatische Korrektur von Amplitude und Offset
sowie erstmals auch der Signalphase.
 Dazu wurde der GEMAC-Regelalgorithmus funktionell erweitert.
In Abbildung 2 wird beispielhaft das Einschwingverhalten des
Phasenreglers verdeutlicht: Der Interpolationsfehler (blaue
Kurve) reduziert sich automatisch bei einer sprungartigen
Änderung der Signalphase innerhalb weniger Sinusperioden auf den
idealen Wert von ±0,5 Inkrementen. Die IPE16000 lässt Freiraum für die
Implementierung von speziellen kundenspezifischen
Kalibrieralgorithmen. Über eine USB2.0-Schnittstelle im High-Speed-Modus werden die Messwerte an einen PC übertragen.
Damit gelingt es erstmals, die
Interpolationselektronik mit
äußerst  hoher Auflösung und Genauigkeit auch in PC-basierte
Positionsregler zu integrieren.
Für ein wesentlich breiteres Einsatzspektrum sind die
GEMAC-Interpolations-Schaltkreise GC-IP1000B
(siehe Abbildung 3) und GC-IP200 ausgerichtet. Sie können dank der standardisierten
Schnittstellen sowohl in Encodern als auch externen
Interpolationseinheiten eingesetzt werden. Ausgeschöpft wird der
volle Leistungsumfang der GEMAC-Interpolationsschaltkreise,
indem anstelle der Quadratursignale (ABZ) der im Schaltkreis
integrierte Zähler einsetzt wird. Die Zählwerte werden über ein
einfaches Bus-fähiges serielles Interface (SPI) ausgelesen.
Kombiniert mit einer schnellen Messwertspeicherung in
zusätzlichen Registern ist die Schaltkreisfamilie der GEMAC auch
für Systeme mit mehreren Bewegungsachsen geeignet. Die
 Konfiguration und die Messwertübertragung erfolgen einerseits
bei einem reduziertem Verkabelungsaufwand über den SPI-Bus auch
zu einfachen Mikrocontrollern. Andererseits reagieren die
Schaltkreise schnell auf externe Triggerereignisse, wie sie von
Messtastern oder scannenden Systemen generiert werden. Die
Interpolationsschaltkreise der GEMAC erlauben dadurch höchste
Messgenauigkeit selbst bei höchster Dynamik des Gesamtsystems.
Abgerundet wird die Funktionalität durch weitere Merkmale wie einstellbare
Verstärkung, Konfiguration über einen EEPROM und
eine umfangreiche Fehlererkennung für die Eingangssignale.
Die Produktpalette der GEMAC umfasst neben den Interpolations-IC
GC-IP1000, GC-IP200, GC-AIP40 und den Evaluation-Kits für diese
Schaltkreise auch magnetische Encoder. Des Weiteren bietet die
GEMAC Interpolationsgeräte für ein großes Anforderungsspektrum
an. Der Anwender kann zwischen einfachen Einachsgeräten im
kleinen Profilgehäuse (IPE1000, IPE200, IPE40), dem Modul
IPM4000 zur Integration in Bahnsteuerungen und
Positioniersysteme, den 3-Achsen-PC-Karten (MVSPCI, ZKPCI) sowie
den Mehr-Achs-Systemen MVS7 und IPE16000 passend für den
jeweiligen Einsatzfall wählen. Insbesondere bei den
Mehrachsystemen ist zusätzlich der direkte Anschluss von
3-D-Messtastern sowie schnellen scannenden Tastsystemen möglich.
Holger Friese (Entwicklungsingenieur für Messtechnik
bei der GEMAC)
14. April 2008
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