Winkelmesssysteme für den Weltraum

MACCON entwirft und fertigt weltraumtaugliche Weg- oder Winkelmesssysteme ("Encoder"), die auf verschiedenen physikalischen Prinzipien basieren. Diese werden im Folgenden ausführlich besprochen. Je nach Anwendung muss ein Kompromiss zwischen Gewicht, Kosten, Bauraumanforderungen und Abhärtung gegenüber den Umgebungsbedingungen gefunden werden. Redundanz und Anforderungen auf der Seite der Antriebselektronik können die Wahl ebenfalls beeinflussen. Bitte lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren, oder kontaktieren Sie uns, um Ihre Anforderungen zu besprechen.

 

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Nonius-Ring mit Abtastkopf nach dem magnetoresistiven Prinzip

Der MACCON MR-Encoder wurde für die Messung der absoluten Position in extremen physikalischen Umgebungen mit einer Auflösung von bis zu 19 Bit entwickelt. Er ist besonders für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt geeignet und befindet sich derzeit in der vollen Weltraum-Qualifizierung nach ESA-Standards. Die magnetoresistive (MR) Technologie ist auch ideal für die Implementierung von Lesekopfredundanz.

Zusammenfassung der Vorteile des MR-Encoders:

  • Vollständig passiv ohne integrierte Elektronik, basierend auf dem GMR-Effekt (Giant Magnetoresistance). Nur Potentiometer, Resolver und Inductosyn© sind in ihrer Zuverlässigkeit vergleichbar
  • Aufgrund seiner Einfachheit und passiven Struktur ist der MR-Encoder äußerst robust und zuverlässig.
  • Codierringe (ein Codierring ist ein abwälzgefrästes robustes Zahnrad) können passend zur Anwendung skaliert werden; Hohlwellenkonstruktionen sind leicht zu implementieren
  • Hochflexibel in Bezug auf die Positionierung und Montage von Lesekopf(en)
  • Präzise, leicht und mit geringem Stromverbrauch
  • Die Messung erfolgt absolut über 360° (vorübergehender Positionsverlust wird sofort korrigiert) nach dem Nonius-Prinzip.
  • Inkrementale Messung erfordert nur einen Zahnkranz
  • Die Verdoppelung der Leseköpfe ermöglicht die direkte Implementierung von mehrfacher Redundanz
  • Unempfindlich gegen Umwelteinflüsse, wie Magnet- und Strahlungsfelder, sowie gegen Temperatur und Schock
  • Sehr hohe Signalbandbreite (>> 1 MHz), ideal für präzise Positionsmessung bei hoher Geschwindigkeit, ausgezeichnetes Servoregelkreisverhalten

Bitte laden Sie das Datenblatt (rechte Seite) herunter, um mehr über das Produkt zu erfahren.

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Inductosyn Resolver als Scheibenpaare

Für harte Umgebungen und hohe Messgenauigkeit eignen sich unsere Inductosyn Geber, die sich seit 60 Jahren im Weltraum, in Flugzeugen und auf Schiffen bestens bewährt haben. 

Technologie:

  • sowohl rotatorische wie auch lineare Ausführungen
  • Arbeitsprinzip: induktiv (nach dem Resolverprinzip)
  • hoch-polig, dadurch wesentlich genauer als Resolver (typisch <10”, unabhängig von der Temperatur)
  • elektrische Schnittstelle ähnlich wie beim Resolver: Sinuserregung bei ca. 10kHz, Auswertung über R/D-Wandler
  • inkrementelle oder absolute Winkel- bzw. Wegmessung
  • kann direkt auf die Achse montiert werden
  • optimale Anpassungsmöglichkeiten auf verschiedene Umgebungsbedingungen durch verschiedene Trägermaterialien (Stahl, Alu, Glas, Keramik etc.)
  • Einsatz möglich bei sehr niedrigen bis sehr hohen Temperaturen und / oder im Ultra-Hoch-Vakuum bei sehr hohem Druck
  • kontaktfreie Ausführung, d.h. kein Verschleiß (keine Schmierung oder Anpassung erforderlich), extrem zuverlässig und langlebig

Kapazitiver Encoder

Die Hauptvorteile der kapazitiven Encoder-Technologie können wie folgt zusammengefasst werden:

  • unempfindlich gegenüber EMV und magnetischen Feldern
  • keine Glassscheibe, keine Lichtquelle bzw. kein Lichtempfänger, daher hohe Zuverlässigkeit
  • unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen (-40 bis +85°C)
  • vakuumtaugliche Versionen möglich (z.B. für den Weltraumeinsatz)
  • unempfindlich gegen Staub, Feuchtigkeit, Schock und Vibration
  • der Hohlwellenrotor benötigt keine Eigenlagerung und kann direkt auf die Achse montiert werden
  • wegen des „holographischen“ Messprinzips, das das Signal über die volle Wirkfläche des Gebers ableitet, ist die Genauigkeit weniger montageempfindlich als bei optischen Gebern
  • viel genauer als Resolver, typisch besser als +/-0,02°; Auflösung 14 bis 22 Bit
  • geringe Leistungsaufnahme
  • kurze Bauform, typisch 10mm
  • große Hohlwellen möglich
  • wegen der verwendeten Leiterplattentechnologie ist diese Technik skalierbar und für den Großserieneinsatz gut geeignet. 

Diese kapazitiven Geber werden hauptsächlich industriell verwendet, bestimmte Varianten sind jedoch auf Weltraumtauglichkeit ertüchtigt und qualifiziert worden. Nehmen Sie bitte Kontakt auf, um Ihre Anforderungen zu besprechen.

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Weltraumtaugliche Resolver

Wir bieten den klassischen bewickelten Resolver auch als weltraumtaugliche Variante an (siehe Bild rechts). Weniger bekannt ist jedoch der Reluktanz-Resolver, der bestimmte Vor- und Nachteile gegenüber dem bewickelten Resolver hat. Siehe Tabelle weiter unten für einen Vergleich der beiden Technologien.

Der Reluktanzresolver besteht aus einem Rotor und Stator (vgl. Bild rechts). Der Stator besteht aus isolierten Kupferdrahtwicklungen (primär und sekundär) auf geblechtem Siliziumstahl gewickelt. Der Rotor ist ovalförmig besteht nur aus geblechtem Siliziumstahl. Durch die ovale Form des Rotors entsteht beim Drehen eine variable Reluktanz. Die variable Reluktanz führt dazu, dass der Rotorwinkel erfasst werden kann. Im Gegensatz zu konventionellen Resolvern (Rotor und Stator beide bewickelt) haben Reluktanzresolver sowohl Primär- als auch Sekundärwicklungen auf dem Stator und brauchen keine Wicklung im Rotor. Dies bietet viele Vorteile, was Kosten, Masse und Platzbedarf anbelangt. Der Reluktanzresolver ist leichter, robuster und hat eine kürzere axiale Länge als konventionelle Resolver.

Wir fertigen unsere Reluktanz-Resolver in eigener Fertigung mit ESA-zertifizierten Materialien (z.B. eine ausgasungsarme Vergußmasse für die Statorwicklung, vernickelte Stator/Rotorblechpakete). Wir können bei Bedarf auch eine redundante Statorwicklung anbieten. Wir bieten Resolver mit unterschiedlichen Innen- und Aussendurchmessern. Nehmen Sie Kontakt und sprechen Sie mit uns über Ihr Projekt und wir legen ein passendes Produkt für Sie aus.

 

Vergleich von bewickelten und Reluktanzresolvern

ThemaBewickelter ResolverReluktanz-Resolver
StatorBewickelter EisenkernBewickelter Eisenkern
RotorBewickelter EisenkernBlechpaket unbewickelt
Mindestpolpaarzahl1 Polpaar2 Polpaare
Art der Rückführung (Feedback)Absolut über 360° bei Resolvern mit 1 PolpaarNicht absolut über 360°, da 2 Polpaare
Axiale LängeLängerKürzer
AusfallsicherheitHochNoch höher, da Rotor unbewickelt
Genauigkeit mechanisch
(1 mechanischer Zyklus = 360°)
±10 arcmin bei 1 Polpaar
±8 arcmin bei 2 Polpaaren
±4 arcmin bei 4 Polpaaren
±2 arcmin bei 8 Polpaaren
±0,5 arcmin bei 16 Polpaaren
±0,33 arcmin bei 32 Polpaaren
±0,16 arcmin bei 64 Polpaaren

Hinweis: je höher die Polpaarzahl
desto höher die Genauigkeit. Jedoch
wird die maximal erreichbare
Höchstdrehzahl reduziert, wegen
der Bandbreite der Antriebselektronik,
±1° bei 2 Polpaaren

Je höher die Polpaarzahl desto höher
die Genauigkeit
Innenbohrung Rotor

Als Faustregel gilt:
1-4 Polpaaren, Innenbohrung: 6mm-20mm
8-16 Polpaaren, Innenbohrung: 20mm-30mm
32 Polpaaren, Innenbohrung: 40mm
64 Polpaaren, Innenbohrung: 80mm

Projektspezifisch sind auch größere
Innenbohrungen möglich.

Generell ist die Innenbohrung
bei Reluktanz-Resolvern
größer als bei den bewickelten
Resolvern.
Kosten

Höher

Niedriger

Einsatzbereich

- Motorkommutierung
- Drehzahlregelung
- Lageregelung

- Motorkommutierung
- Drehzahlregelung
   

 

Hall-Effekt-Sensoren

Diese sind hauptsächlich in den Motorwicklungen direkt integriert und dienen lediglich der Kommutierung bzw. können für einfache Drehzahl- oder Lageregelungsaufgaben eingesetzt werden.