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Ratgeber

Der Winkelsensor

Winkelsensoren sind in modernen mechatronischen Systemen der Automatisierungstechnik immer häufiger zu finden. Sie kommen in der Antriebstechnik sowohl im Maschinenbau als auch in modernen Mobilitätslösungen zum Einsatz. Selbst den rauen Umgebungsbedingung im Weltall trotzt die berührungslose magnetfeldbasierte Sensorik.

Der Trend geht hin zur Dezentralisierung des Antriebs, wo eine Regelung bereits im Antriebsstrang vorgenommen wird. Ein adaptives Antriebssystem besteht aus einem Umrichter, dem Servomotor, der Drehzahl- und Positionssensor mit angebrachten mechanischen Maschinenelementen.

Der Winkelsensor kommt nicht nur in mechatronischen Antrieben, sondern auch in der Pneumatik und Hydraulik bei der Regelung von Aktoren zum Einsatz. Dabei gibt es eine Vielzahl von Konfigurationen zur inkrementellen oder zur absoluten Messung des Weges. Die Auswertung geschieht echtzeitnah mittels Algorithmus. Dadurch werden von der Hardware hohe Leistungen zur Berechnung der Operationen verlangt.

Die Funktion des Winkelsensors beruht auf der Basis des Magneto-Resistiven MR Effekts. Dieser eröffnet neue Möglichkeiten durch die geringen Abmessungen und den minimalen Energiebedarf. Darüber hinaus ist er unabhängig von physikalischen Störgrößen und somit eine optimale Ergänzung der bisherigen Hall-Technologien.



Anforderungen der Technik an Sensoren

Die zunehmende Automatisierung wird unterstützt durch den Einsatz von Mikro- und Nanotechnologie. Durch die gesteigerte Präzision von Positionssensoren kommen neue Aufgabenfelder für vollautomatisierte Systeme wie Roboter oder Werkzeugmaschinen auf.

Darüber hinaus werden die Lebensdauer von Maschinenelementen zunehmend berechenbarer und Standzeiten verkürzt. Ein kompakter Bauraum lässt steigende Beschleunigungen bei einem hohen Drehmoment zu. Als Folge daraus lassen sich Hochgeschwindigkeitsanwendungen realisieren. Durch die hohe Rechenkapazität der Mikrocontroller lassen sich einzelne Mess- und Regelkreise in den Antriebsstrang integrieren.

Durch geschlossene Regelkreise lassen sich Antriebe präzise und dynamisch verfahren. Hydraulische und pneumatische Antriebe können durch energieeffiziente Elektromechanik ersetzt werden. Einsatzorte unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sind möglich. Es werden zunehmend mobile Anwendungen geschaffen, da die Antriebe mit einer Batterie betrieben werden können.

Die Trends der Antriebstechnik wirken sich so auf die Anforderungen an die Sensorik aus. Messsysteme verfügen über eine zunehmend höher werdende Auflösung und Bandbreite, um eine präzise Positionierung mit hohen Drehzahlen zu ermöglichen. Die Sensoren sind zudem räumlich entkoppelt von der Mechanik und ein geschlossenes Gehäuse ermöglichen einen hohen IP-Schutz.



Was ist ein Winkelsensor?

Die Funktion des Winkelsensors beruht auf dem magnetischen Feldeffekten. Diese beschreiben die Änderung eines elektrischen Widerstands in Verbindung mit einem externen Magnetfeld. Der Winkelsensor ist in der Lage, indirekt, beziehungsweise berührungslos, die Position eines bewegten Objekts im Raum mit Hilfe von Permanentmagneten zu bestimmen.

Diese Präzisionsmesssysteme können den Winkel erfassen, während sich ein Objekt innerhalb eines Magnetfeldes in Rotation befindet. Dazu wird das magnetische Feld genutzt, um so die mechanischen Freiheitsgrade über einen Algorithmus bestimmen zu können. Dazu ist eine technisch komplexe Rechenoperation notwendig.

Im Gegensatz zu Hall-Sensoren, die linear zur magnetischen Feldstärke ihren Widerstand ändern, ist der Winkelsensor abhängig von der Magnetfeldrichtung. Die Magnetfeldrichtung wird in einer Schleife abgebildet, der sogenannten Hysterese. Bürstenlose Motoren sind oft mit einem Winkelsensor ausgestattet, welcher die Bewegungsdaten erfasst, diese auswertet und mit einer intelligenten Ansteuerelektronik den Betrieb beeinflusst.

Sie lassen Rückschlüsse auf die Lage eines Aktors zu, indem sie deren Position definieren. So können die Rechensysteme den sensorischen Winkelbetrag der Messung verarbeiten, um mit einem Rückgabewert den Aktor zu beeinflussen.



Hall-Effekt

Der Hall ist ein induktiver Näherungseffekt, der durch eine dünne Schicht aus Halbleiter-Kristallen erzeugt wird. An diesen wird gegenüberliegend über zwei Anschlusselektroden Strom eingespeist. Trifft ein Magnetfeld senkrecht auf diese Schicht, ändert sich der innere Widerstand der Halbleiter proportional zur Änderung des Magnetfelds.

Der Hall-Effekt wird beispielsweise in einem Antiblockiersystem ABS eingesetzt. Ein Impulsrad in Form eines Zahnrads ist an der Antriebswelle befestigt. Von den Spitzen des Zahnrads empfängt der Sensor (1) die Rotationssignale während der Drehbewegung. Die Änderung des Magnetfeldes bildet in der magnetischen Wicklung des Sensors ein messbares Amplitudensignal, welches im Verhältnis zur Raddrehzahl steht.

Der Hall-Effekt kann ausschließlich magnetische Felder erfassen, welche senkrecht zum Sensor anliegen. Er reagiert auf nicht-magnetische Materialien, benötigt als passiver Sensor keine extra Spannungsversorgung durch ein Steuergerät und ist unabhängig von der Polung eines Magnetfeldes.



MR-Effekt

Der Aktive-Sensor als Näherungsschalter besteht sowohl aus magnetoresestiven Sensorelementen als auch aus Hall-Sensorelementen. Diese lassen größere Luftspalten zu und reagieren auf kleinste Veränderungen im Magnetfeld. Er verfügt über eine integrierte Elektronik, die von einem Steuergerät mit einer definierten Spannung versorgt wird.

Anstelle des Zahnrads dient diesem ein Multipolrad, welches aus Magneten mit abwechselnder Polrichtung besteht. Damit kann er zwischen einer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung unterscheiden.

Bei einer Umdrehung des Polrads entsteht ein sinusförmiges Signal, welches durch die integrierte Elektronik in ein digitales Signal umgewandelt wird. Dieses Signal wird dann im Pulsweitenmodulationsverfahren an das Steuergerät gesendet. Über das zweipolige elektrische Anschlusskabel wird über die Leitung der Spannungsversorgung das Sensorsignal übermittelt, das andere dient als Sensormasse.

Statt einem Multipolring kann auch ein Impulsrad aus Stahl verwendet werden, indem auf dem Sensorkopf ein Magnet angebracht wird. Ist das Impulsrad in Rotation, so verändert sich das Magnetfeld innerhalb des Sensors.



AMR-Effekt

AMR steht für Anisotrop Magneto-Resistiv und beschreibt den Effekt, dass der Widerstand eines Leiters für elektrische Ströme parallel und senkrecht zur Magnetisierungsrichtung unterschiedlich ist.

Da sie zwischen Null und Eins unterscheiden können, sind sie seit Anfang der 90er Jahre das Mittel der Wahl um als kompakter Lesekopf in Festplatten eingesetzt zu werden.

Mit diesen Sensoren wird die zu einem Permanentmagneten gegebene Änderungen des Drehwinkel gemessen. AMR-Sensoren bestehen aus Legierungen mit Ferrit, Nickel oder Kobalt, die auf eine Siliziumfläche aufgebracht sind.

Die Entwicklung der AMR-Technologie beschäftigt sich mit der Herstellung integrierter Sensorsysteme, die durch das Hinzufügen weiterer Legierungsstoffe optimierte Eigenschaften hervorrufen. Das Layout gibt dabei die Referenzrichtung vor, mit der einem Messbereich von 180° erreicht wird.

Während ein Festplatten-Lesekopf lediglich zwischen Null und Eins unterscheiden muss, wird bei Sicherheitssystemen im Kraftfahrzeug das gesamte Band genutzt. Eine in den Sensor integrierte Brückenschaltung misst unabhängig voneinander das Sinus- beziehungsweise Cosinus-Signal und gibt diesen als präzisen Signalwert weiter.


Der Widerstand des Sensors ist abhängig von der Magnetfeldrichtung und ändert sich dabei um zwei bis drei Prozent. Die magnetoresistive Schicht ist direkt auf einer aktiven Siliziumfläche angebracht.

Durch das Layout des Sensors wird die Geometrie der Referenzrichtung vorgegeben. In einer Brückenschaltung werden Sinus und Cosinus unabhängig voneinander gemessen.

Mit einer Elektronik zur Auswertung lassen sich Winkelgenauigkeiten von 0,1° messen.

Der Sensor kann axial oder auf den Umfang eines Magneten, beziehungsweise auf ein Polrad mit einer Vielzahl von Permanentmagneten, angebracht werden.

Axial

Umfang

Polrad



GMR-Effekt

Die zunehmend dünner werdenden Schichten der magnetischen Materialien ragen hinein bis in den Bereich von Nanometern. Dadurch entsteht im Jahr 1988 eine neue Klasse an Magnetisierungseffekten. Der im Vergleich zum AMR-Sensor gigantische Magneto-Widerstandseffekt erhält so seinen Namen:

Giant Magneto-Resistiv GMR. Die einfachste Form ein System mit GMR-Effekt herzustellen ist es zwei magnetische Schichten durch eine nichtmagnetische Schicht zu trennen. Dadurch ist die relative Widerstandserhöhung doppelt so hoch, wie bei einem AMR-Effekt.

Die Nanoelektronik nutzt den Spin der gestreuten Elektronen, indem das Feld in den beiden magnetischen Schichten ungleich ist. So hat jede Schicht einen eigenen Widerstand. Die Leitfähigkeit ist am größten, wenn beide Schichten parallel eingestellt sind.

Die Zwischenschicht koppelt den Austausch der beiden magnetischen Schichten miteinander. Für diese Funktion ist eine Schichtdicke von wenigen Atomlagen, kleiner als zehn Nanometer erforderlich.

Je nach dicke der Zwischenschicht sind die benachbarten magnetischen Schichten entweder parallel als ferromagnetische Kopplung oder antiparallel als antiferromagnetische Kopplung magnetisiert.

Die Magnetisierungsrichtung kann sich dabei um 90° drehen. Erstmalig wurde der GMR-Effekt bei der Schichtung Eisen-Chrom-Eisen festgestellt. In der Gruppe der GMR-Systeme wird unterschieden zwischen gekoppelten und ungekoppelten Systemen in Abhängigkeit von der Stärke der Zwischenschicht. Die ungekoppelten Systeme werden als Spin-Valve bezeichnet.
Die Schichten eines Sandwich sind so ausgelegt, dass eine Lage sich in einem Feld ummagnetisieren lässt, die andere dabei ihre Magnetisierung beibehält. Das bedeutet, eine Schicht ist weichmagnetisch, die andere hartmagnetisch.

Der Unterschied zwischen dem AMR und GMR Effekt ist, dass je kleiner das Sensorelement ist, desto größer ist der Widerstand. Der Leistungsverbrauch kann so um den Faktor 100 bis 1000 reduziert werden. Dadurch sind neue Einsatzgebiete im Batteriebetrieb oder sogar zur Energiegewinnung möglich.

Darüber hinaus kann die Magnetisierung durch Einbringen einer weiteren Schicht gepinnt werden. Eine Referenzrichtung wird durch die Eigenschaften der zweiten Zwischenschicht vorgegeben. Durch den mehrschichtigen Aufbau ist ein hochpräziser Messbereich von 360° möglich.

A) Parallele Kopplung  /  B) Antiparallele Kopplung

1. antiferromagnetische Schicht / 2. Ferromagnet / 3. Leiter / 4.  Ferromagnet 



TMR-Effekt

Die Miniaturisierung auf Nanoebene führt dazu, dass eine Schicht nur wenige Atomlagen stark ist. Diese können durch Elektronen durchdrungen werden, wodurch ein nichtleitender Werkstoff doch leitfähig wird. Diese elektrische Leitfähigkeit wird als Tunneleffekt bezeichnet.

Die Tunnelkontakte bestehen ähnlich wie beim GMR-Effekt aus mindestens zwei ferromagnetischen Schichten, dem Free Layer und dem Pinned Layer. Die beiden sind getrennt von einer nicht ferromagnetischen Zwischenschicht, der Isolierschicht. Diese Schicht ist jedoch dünn genug, sodass die Elektronen zwischen den ferromagnetischen Schichten durch den quantenmechanischen Tunneleffekt die Isolierschicht überwinden können.
Bei gleicher Ausrichtung der Magnetisierungen ist die Wahrscheinlichkeit für das Tunneln der Elektronen größer als bei gegensätzlicher Ausrichtung.

Die Fläche der Schichten und somit der Tunnelverbindungen in Verbindung mit der Schichtdicke definiert den Widerstand des Sensors. Im Vergleich liegt ein geschlossener Widerstand bei 10 Megaohm, eine geöffnete Barriere bei 100 Kiloohm. Beim GMR-Effekt ist das Wirkprinzip das spinabhängige Streuen, beim TMR-Effekt das spinabhängige Tunneln. So kann ein Strom durch den hochohmigen Tunnelkontakt fließen.

1. obere Kontaktelektrode / 2. freie Schicht / 3. Isolierschicht / 4.  gepinnte Schicht / 5. antiferromagnetische Schicht / 6. untere Kontaktelektrode

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