Zu den häufigsten Funktionsprinzipien, die zur kontaktlosen Winkelerfassung eingesetzt werden, gehören magnetische Verfahren. Berührungslos und damit ohne mechanischen Verschleiß arbeitend, liefern solche Sensoren absolute Messwerte. Auch unter rauen Umgebungsbedingungen funktionieren sie zuverlässig und eignen sich aufgrund der im Vergleich zu anderen Messverfahren niedrigen Kosten auch für den Einsatz in Massenmärkten.

In vielen Anwendungen sind mehrere Umdrehungen zu erfassen, das heißt Winkel größer 360°. Die üblichen Multiturnsensoren haben je nach Anwendung allerdings Nachteile: 10-Gang-Potentiometer beispielsweise sind zwar kostengünstig, genügen jedoch selten den Anforderungen an Robustheit und somit Zuverlässigkeit. Optische Encoder wiederum sind für viele Anwendungsbereiche zu teuer. Den Spagat schafft ein patentiertes Funktionsprinzip, das den GMR-Effekt (Giant Magneto-Resistance) nutzt. Dieses Messverfahren liefert absolute Positionswerte und benötigt keinerlei Referenzsignale. Daher eignet es sich für den Einsatz in so genannten True- Power-on-Systemen, beispielsweise in der Kfz-Technik bei elektronischen Lenksystemen. Die Möglichkeit, aktuell bis zu 16 Umdrehungen magnetisch zu erfassen, ist aber auch für industrielle Anwendungen interessant.

Aufbau und Funktionsweise

Der Aufbau des magnetischen Umdrehungszählers ist vergleichsweise einfach: An der rotierenden Achse beziehungsweise Hohlwelle befindet sich ein Magnet, der bei einer Drehung den Magnetisierungszustand in den so genannten Spiral-Armen des GMR-Sensorelements verändert.

GMR-Struktur für vier Umdrehungen: Für jede zu zählende Umdrehung wird ein Spiral-Arm benötigt.

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Das GMR-Sensorelement hat eine Größe von 1 mm2 und besteht aus einem Stapel GMR-Schichten, die insgesamt etwa 100 nm dick sind. Eine GMR-Schicht besteht im Wesentlichen aus der Sensorschicht und Referenzschicht (siehe auch Kasten). Durch das rotierende externe Magnetfeld kann nur der Magnetisierungszustand der Sensorschicht verändert werden. Der GMR-Chip besteht aus einer rautenförmig angeordneten Spiralstruktur.

Die Anzahl der zu zählenden Umdrehungen entspricht der Anzahl der Spiral-Arme. Die Magnetisierungsrichtung der Sensorschicht in den 200 nm breiten Spiral-Armen lässt sich nur mit Hilfe des so genannten Domänenwandgenerators verändern, der am Anfang der Spirale sitzt. Aufgrund seiner relativ großen Fläche kann in diesem Bereich die Magnetisierung leicht dem äußeren Magnetfeld folgen. Bei der Drehung des externen Magnetfeldes werden im Domänenwandgenerator 180°-Domänen erzeugt und in die Spiralstruktur injiziert beziehungsweise wieder gelöscht. Die Magnetisierung der Sensorschicht in den Spiral-Armen richtet sich dabei entweder parallel oder antiparallel zur Referenzschicht aus.

Diese Orientierung kann dann über den Spin-Effekt detektiert werden. Der Widerstandswert dieser Struktur ist damit abhängig vom Magnetisierungszustand beziehungsweise der Umdrehungsanzahl. Mit einem Sensorelement kombiniert, das Drehwinkel bis 360° erfasst (zum Beispiel Hall- Effekt), lassen sich abhängig von der Anzahl der Spiral-Arme n × 360° messen. Da die Umdrehungsanzahl magnetisch gespeichert wird, erfasst der Sensor Drehbewegungen auch ohne Spannungsversorgung. Allerdings funktioniert dieses Verfahren nicht ohne weiteres: Beispielsweise nehmen die Widerstands- oder Spannungsänderungen des GMR-Sensorelements an den Sprungstellen keine eindeutigen Werte an.

Zwei um 90° versetzte Multiturn- Elemente lösen dieses Problem. Und es geht noch eleganter: Zu einer Rautenstruktur „verschmolzen" lässt sich mit einem entsprechenden Auswerte-Algorithmus aus jeder Winkelstellung ein eindeutiger Umdrehungswert ableiten. Der magnetische Multiturnsensor kann auf diese Weise zusätzlich zum Drehwinkelsignal im stromlosen Zustand ohne Pufferbatterie und ohne Getriebe bis zu 16 Umdrehungen zählen und dauerhaft speichern.

Einsatzreife erreicht

Die Firma Novotechnik hat die GMRTechnologie zur Serienreife entwickelt und setzt sie bereits in der Baureihe RSM 2800 ein. Der Messbereich/Drehwinkel des Multiturns ist zwischen zwei und 16 Umdrehungen einstellbar und wird als stetige, analoge Kennlinie ausgegeben.

Zudem gibt es Varianten mit verschiedenen Versorgungs- und Ausgangsspannungen. Weitere Optimierungen befinden sich momentan in der Umsetzung. Mit Realisierung eines digitalen Ausgangs können künftig bis zu 18 Bit Gesamtauflösung (Winkel und Umdrehung) erreicht werden. Die Vorteile des GMR-Multiturns nutzt die US-amerikanische Firma „The Raymond Company" in ihrer Gabelstapler- Serie mit quer stehender Gabel für enge Gänge - so genannte „narrow aisle applications". Bei herkömmlichen Staplern muss der Fahrer beim Be- und Entladen der Lagerposition den Stapler wenden. Das kostet zum einen Zeit für das Rangieren und benötigt vor allen Dingen sehr viel Platz - mindestens die Breite einer Palette plus Staplerlänge. Mit der quer zur Fahrtrichtung angeordneten und seitlich herausfahrbaren Gabel kann die Gangbreite auf etwas mehr als die Palettenbreite reduziert werden. Dies entspricht etwa einer Halbierung des Platzbedarfs beziehungsweise Verdopplung der Lagerkapazität. Der Staplerfahrer kann die Gabel über einen Spindelantrieb bewegen.

Die Umdrehungen der Spindel wird mit dem Multiturnsensor RSM 2800 erfasst und in eine Gabelposition umgerechnet. Im Automobilbereich sind schon heute Winkel- und Drehmomentsensoren für EPAS- (Electric Power Assisted Steering) und EHPAS-Systeme (Electric-Hydraulic Power-Assisted Steering) im Einsatz. In Verbindung mit Hallsensoren können sehr kompakte Lösungen aufgebaut werden, die Winkel, Drehmoment und Umdrehung erfassen. Die Firma Moving Magnet Technologies (MMT) entwickelt derzeit für diese Applikationen einen absolut messenden N-×-360°-Sensor, der die Multiturn-Technologie von Novotechnik nutzt. Redundant ausgelegt (2 × Multiturn und 2 × Hallsensor) erreicht das System den für diese Applikationen geforderten SIL-3-Level nach IEC 61508. Automotive Applikationen wie Multiturn-Lenkwinkelsensoren müssen aufwendig qualifiziert werden. Daher ist deren Serieneinführung nicht vor 2012 zu erwarten.

Die Herausforderung: 4096 Umdrehungen

Nach wie vor dominieren optischen Encoder den Multiturn-Markt, die über mehrstufige Getriebe die Anzahl der Umdrehungen erfassen. Stand der Technik sind jeweils mindestens 12 Bit Auflösung für den Drehwinkel und die Anzahl der Umdrehungen (4096). Diese Auflösung ist mit der aktuellen Rautenstruktur nicht zu realisieren.