Sensor Magnetmesssystem

Prototyp Magnetmesssensor

Allgemein

Die Wegsensoren basieren auf dem linearen Magnetsensor AS5311 von Austriamicrosystems.
In Verbindung mit einem Magnetband, dessen Polbreite 1mm (2mm Magnetbreite) beträgt liefert der Encoder eine Auflösung von 0,488µm (1/2048). Die erreichbare Genauigkeit liegt bei 10µm, je nach Genauigkeitsklasse des verwendeten Magnetbandes.
Der Prozessor des Wegsensors wertet die Signale des AS5311 aus und bildet einen Absolutmesswert. Dieser Absolutmesswert und weitere Daten wie z.B. Informationen zur Magnetfeldstärke können über die serielle Schnittstelle (RS485) ausgelesen werden.

In Verbindung mit Magnetringen kann der Sensor auch zur genauen Winkelmessung verwendet werden. Die Auflösung ist dann vom Durchmesser des codierten Magnetringes abhängig.

Platine VI (Absolutwegsensor)

Platine VII (differentielle Incrementalausgänge)

Optionale Bestückung

Variante I: Absolutwegsensor mit Prozessor
Es sind zwei LEDs für die Anzeige der Magnetfeldstärke vorgesehen. Deren Bestückung ist optional, da diese Information über die serielle Schnittstelle mit gesendet wird und von der Digitalanzeige oder einem anderem Endgerät angezeigt werden kann. Ebenso optional ist die Power LED.
Zum Kabelanschluss könne die Lötpads der Steckverbinder verwendet werden. Für die kleinen Crimpverbinder des verwendeten Molex-Systems ist eine spezielle Crimpzange notwendig. Empfohlen wird vom Autor daher der Lötanschluss.

Zusätzlich kann die Platine auch komplett ohne Prozessor und Schnittstellentreiber als Incrementalgeber mit CMOS Ausgängen verwendet werden. Dazu sind lediglich zwei Lötbrücken unter dem RS485-Treiber zu schließen. Dann stehen an der Schnittstelle A, B und ein Indexsignal alle 2mm zur Verfügung.
Variante II: Incrementalgeber mit Differentialausgängen
hier könne die LEDs ebenfalls optional bestückt werden. Allerdings hat man dann keine Möglichkeit die Magnetfeldstärke bzw. den richtigen Abstand zwischen Sensor und Magnetband zu überprüfen.
Zum Anschluss ist hier entweder ein 6-poliger Steckverbinder oder wie bei Variante I der Lötanschluss mittels der Pads für den Steckverbinder vorgesehen.

Technische Daten

Spannungsversorgung	5V DC
Auflösung	0,488µm / 1,952µm
Genauigkeit	abhängig vom verwendeten Magnetband
Platinengröße	31x16mm

Versionen

Es gibt zwei Versionen der Leiterplatte. Eine mit Prozessor und RS485, die für Busanwendungen gedacht ist und eine mit differentiellen Incrementalausgängen für den Anschluss von Anzeigesystemen, die diese unterstützen.
Die Platinenversion, die für die Bestückung mit Prozessor vorgesehen ist kann ebanfalls ohne Prozessor als Sensor mit Incrementalausgang verwendet werden, hier stehen allerdings die Signale nur als CMOS Pegel zur Verfügung.

Die Versionen mit Incrementalausgängen habe eine reduzierte Auflösung von 1,952µm.

Die Platinengröße beider Versionen wurde idenstisch gestaltet, damit sich das gleiche Gehäuse verwenden lässt.

Anschluss

Sensor mit RS485

RS485 Bus (Lötpads oder Steckverbinder)

1 - +5V
2 - RS485 B
3 - RS485 A
4 - nicht belegt
5 - Masse

Rot eingekreist ist die Position der Lötbrücke für den Abschlusswiderstand des RS485 Buses.

Sensor mit differentiellen Incrementalausgängen

Anschluss (Lötpads oder Steckverbinder)

1 - A+
2 - A-
3 - B+
4 - B-
5 - +5V
6 - Masse

Verendung 8-poliges RJ45 Kabel (z.B. für Benes DRO)

*Sensor*	*RJ45*
1	1 (weiss/orange)
2	2(orange
3	3(weiss/grün)
4	6(grün)
5	7(weiss/braun)
6	8(braun)

Kabeldurchführung / Zugentlastung

Die Kabeldurchführung kann an den drei rot markierten Bereichen entsprechend des Kabeldurchmessers eingebracht werden. Die maximale Tiefe ist mit 4mm vorgegeben.

Verkabelung des RS485 Busses

Der RS485 Bus kann im Prinzip von Sensor zu Sensor durch Verwendung der beiden Anschlüsse verbunden werden.
Allerdings macht das eigentlich nur bei Verwendung der Steckverbinder Sinn. Werden die Sensoren fest angelötet, bietet sich hier an, nur ein kurzes Kabel pro Sensor zu verwenden und extern das Ganze zu einem Bus zu verbinden.

Abschlusswiderstände beim RS485 Bus

Der RS 485 Bus sollte am Anfang und am Ende mit einem Abschlusswiderstand abgeschlossen werden, um Reflexionen am Leitungsende zu minimieren. Alle Systemkomponenten haben diesen bereits auf der Platine integriert. Bei der Anzeige und den Magnetsensoren kann dieser durch eine Lötbrücke zugeschaltet werden. Beim Drehzahlsensor ist der Abschlusswiderstand fest verdrahtet. Sollte der Drehzahlsensor nicht der letzte Sensor am Bus sein, muss der Widerstand entfernt werden.

So wie Theorie und Praxis immer übereinstimmen, hatte ich allerdings mit RS485 Bussystemen und kurzen Leitungslängen schon des öfteren Probleme. Mit einer langen Leitung alles Bestens aber mit nur ein paar Zentimetern Leitung dazwischen kam es ab und zu vor, das die Kommunikation mit Abschlusswiderständen nicht funktionierte ohne aber schon. Sollte es also nicht funktionieren, einfach mal ohne die Abschlusswiderstände probieren.

Führung gegenüber Magnetband

Ein kleiner Nachteil dieses Systems ist, dass der Sensorschaltkreis relativ nah am Magnetband vorbeigeführt werden muss. Der Sensor hat eine integrierte Auswertung der Magnetfeldstärke, die zum einen per LEDs signalisiert werden kann und zum anderen bei der RS485 Version als Statusflags ständig mitgesendet wird.
Es gibt drei Bereiche

grüner Bereich (0..0,4mm): Messwerte sind OK mit entsprechender Genauigkeit, der AS5311 kann in diesem Bereich Abstandsunterschiede ausgleichen
gelber Bereich (0,5..0,6mm): Messung kann noch durchgeführt werden, jedoch mit reduzierter Genauigkeit
roter Bereich: (0.7mm..): Messwerte sind nicht verwertbar

Die Bereichsangaben wurden mit einem Stück Testmagnetband der Firma Bogen Electronic experimentell ermittelt und decken sich auch mit den Angaben aus dem Datenblatt des AS5311.

Da sich unter ungünstigen Umständen die Toleranzen der einzelnen Teile (Sensorschaltkreis, Magnetband, Abdeckband) summieren wurde folgender, recht einfach gehaltener Aufbau für eine Linearführung gewählt:

Schematischer Aufbau Linearführung

Als Grundlage dient eine eloxierte Aluschiene 5x20mm. Das Magnetband wird mittig auf diese aufgeklebt.
Die Führung wird durch zwei mal zwei Fräßteile gebildet. Durch Beilegscheiben (oder Klebeband) oder Matterielwegnahme kann diese Führung recht einfach spielfrei auf die verwendete Aluschiene eingestellt werden. Die Einstellung auf die genaue Breite erfolgt durch Langlöcher in der Platine und der Abdeckung.

zusammengebaute Führung von oben

zusammengebaute Führung von der Seite

Genauigkeit

Das System wurde vom User Spartaner117 (Marc) aus dem Forum der CNC-Ecke mit seinem Magnetmesssystem von Siko verglichen. Es ergaben sich folgende Abweichungen:

Abweichung vom am Siko System eingestellten Sollwerten in mm

Die Abweichungen liegen im Bereich <80mm unter 10µm, was sehr gut aussieht. Die größeren Abweichungen im hinteren Teil sind wohl eher auf meinen etwas klapprigen ersten Versuchsaufbau zurückzuführen. Das verwendete Magnetband ist mit 40µm Genauigkeit spezifiziert. Selbst die größeren Abweichungen würden hier noch in der Spezifikation des Magnetbandes liegen.
Die Magnetbänder sind in den Genauigkeitsklassen 10, 20 und 40µm verfügbar.
Elektronische Messschieber sind als Vergleich dazu mit +/- 50µm spezifiziert.

Schutz vor Umwelteinflüssen

Zum Schutz gegen Späne und Kühlschmiermittel sollte das komplette System einer Achse incl. Führungsschiene mit Magnetband mit einer U-Schiene aus Metall oder Kunststoff abgedeckt sein. Damit sollte das System ausreichend geschützt sein.

Firmware

Die Firmware realisiert das zyklische Auslesen der aktuellen Sensorposition zwischen zwei Magnetpolen und bildet daraus einen Absolutmesswert. Zusätzlich realsisiert sie die Abfrage über die serielle Schnittstelle. Vor allem was diese beiden parallel ablaufenden Prozesse anbetrifft muss die Software noch ausgiebig getestet werden. Funktioniert bei nicht allzu schnellen Bewegungen momentan problemlos, wird aber noch auf Herz und Nieren getestet. Hier werden noch einige Optimierungen erfolgen.

Die Firmware ist in C für den CCS-Compiler geschrieben. Auf CCS typische (meist eh nicht funktionierende) Sonderfunktionen wurde bewusst zum Großteil verzichtet. Damit ist auch eine Portierung für andere Compiler recht problemlos.

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