Antriebstechnik

Elektrische Antriebssysteme mit und ohne Sensoren

Elektrische Antriebssysteme mit und ohne Sensoren

Stell-/Servoantriebe zum Positionieren werden ebenso wie elektrische Bewegungsantriebe für Verformung, Transport und Bearbeitung digital geregelt. Deshalb sind zum Kontrollieren ihrer Ausgangsgröße Geber/Sensoren für Spannung, Strom und Drehmoment, ferner Magnetfluss, Drehzahl, -winkel und -richtung sowie Lage/Position und Weg erforderlich. Sie beeinflussen direkt Regelgüte und -dynamik, mittelbar auch Netzrückwirkungen, Geräuscharmut und Gleichlauf.

Regelungsstrukturen für Antriebe (Die eingetragenen Istwerte i, u sind Alternativen.) a) sensorkontrolliert (direkte Messung der mechanischen Regelgrößen)

Mittels berührungsloser, physikalischer Effekte lassen sich mechanische Größen in weiterverarbeitbare elektrische Signale umwandeln. Häufig übernehmen derartige (stetig kleiner und komplexer realisierte, die gesamte Technologie treibende) Messeinrichtungen eine Signalvorverarbeitung mit Feldbusschnittstelle. Miniaturisiert benötigen sie wenig, oft keine Fremdenergie. Mangels wirtschaftlicher Lösungen für Direktgeber von Magnetfluss und Drehmoment werden diese Werte meist mit Hilfe eines in die Regeleinrichtung/ Informationsverarbeitung implementierten Maschinenmodells errechnet, das hierzu die gemessenen Ströme/Spannungen der Regelstrecke nutzt. Sensorgeführten Antriebsystemen stehen die gewöhnlich kostengünstigeren, geberlosen Regelungen für Anwendungen mit eingeschränkten Parametern (Lüfter, Kompressoren, Versteller) gegenüber. Bei ihnen fehlen Geber für mechanische Größen (Drehzahl, -winkel, Lage). Neben den hier behandelten Sensoren rotativer Systeme existieren Entsprechungen für Linearantriebe.

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Geber für sensorgeführte Antriebssysteme

Im Gegensatz zu den mikroelektronischen Bauelementen der Informationsverarbeitung (Prozessoren, Speicher) sind Sensoren zumeist anwendungsspezifischer Natur. Sie werden für spezielle technische Aufgaben hoher Genauigkeit, für eine spezielle, meist raue Einsatzumgebung (störsicher, minus 55 bis plus 125 Grad Celsius, rüttelfest, explosionsgeschützt) und in miniaturisierten Kunststoff- oder Metallgehäusen mit angepassten Kopplungskonstruktionen/ Bauräumen entworfen. Beispielsweise lassen sich Geber mittels einer Hohlwelle auf eine Achse stecken oder über dieselbe (etwa mittels einer steifen Spezialkupplung) anbauen. Die Integration in die Maschine ist gleichfalls möglich. Digitale Geber verwenden optische, magnetische und Magneto-Resistance-(MR)-Signale. Mehrkanalig aufgebaut erkennen sie zusätzlich die Drehrichtung. Optische Verfahren reagieren prinzipiell empfindlicher auf Schmutz, sie erfordern permanente Wartung und Gehäuse höchster Schutzart (bis IP67). Die Alternative für extrem raue Einsatzbedingungen bilden magnetische und MR-Lösungen. Allerdings wird ihre Robustheit häufig mit Einschränkungen bei Auflösung und Genauigkeit erkauft. Die Energieversorgung (außer MR) übernimmt überwiegend eine DC-Quelle im einstelligen Voltbereich.

Signalauswertung

Immer formt die digitalen/binären Encodern (Codierer, Impulsgeber), Resolvern (zweiphasige Drehmelder) nachgeschaltete Elektronik mit Spezialschaltkreisen die mechanische Größe in ein elektrisches Signal um, wobei Single- und Multi-Turn-Ausführungen (zum gleichzeitigen Erfassen von Drehzahl und Position innerhalb der Umdrehung oder eines bestimmten Bereiches) bereit stehen. Alle Prinzipien können als inkrementales System arbeiten, die erfasste Lage gibt dabei lediglich die Position relativ zu einem wählbaren, aber definierten Bezugspunkt an. Die Ausführung mit Absolutwerterfassung bildet den tatsächlichen Standort ¿ etwa nach einem Spannungsausfall oder bei Fehlen einer geeigneten Energiequelle - unabhängig und beziehungslos ab. So können Synchronmaschinen/bürstenlose Gleichstrommaschinen ohne Zusatzmaßnahmen wie eine Referenzfahrt direkt starten, weil sich den Strängen der Maschine sofort die richtigen Ströme zuordnen lassen. Optische und magnetische Realisierungen unterscheiden sich in der Anzahl der Impulse pro Umdrehung (bis 10.000). Durch Vervielfachung steigt die Auflösung um Größenordnungen "Striche" pro Umlauf. Mehrkanaligkeit ermöglicht das Erkennen der Drehrichtung, das Kompensieren von Störungen bei langen Signalübertragungsleitungen. Neuere Lösungen greifen auf die MR-Technologie zurück. Über ein Magnetfeld wird der Leitwert eines metallenen Dünnfilmwiderstandes gesteuert, seine drehzahlabhängige Veränderung liefert das Maß für die Winkelgeschwindigkeit. Analogwertgeber beruhen auf der Spannungsinduktion. Ein Seilzug-Drehgeber setzt die lineare in eine Drehbewegung über den Aus- oder Einzug eines Seiles um. Auch diesen Sensor kennzeichnen Miniaturisierung und Höchstwerte für Vibration, Einsatztemperatur und Beschleunigung. Ströme und Spannungen messen konventionelle Wandler oft mit anschließender Gleichrichtung (V-Schaltung für Ströme), Rogowski-Spulen, faseroptische Geräte, Hall-, Shunt-, MR-Wandler und ähnliches. Für Linearantriebe stehen entsprechende Lage-, Weg- und Geschwindigkeitsgeber als inkrementales oder Absolut-System bereit. Diese Aufnehmer verwenden ebenfalls die erwähnten magnetischen/induktiven, optischen und MR-Effekte. Daneben existieren resistive sowie kapazitive Lösungen, aber auch Dehnungsmessstreifen für geringe Längen. Analoge Wegmesssysteme wie Inductosyn etwa arbeiten nach dem Resolver-Prinzip. Haben digitale Geber mit Signalvorverarbeitung eine serielle Busschnittstelle, bieten sich zusätzliche Kommunikationsmöglichkeiten. Beispielsweise lässt sich ständig die Signalgüte überwachen und ein Condition Monitoring mit selbsttätigem Auslösen der Benachrichtigung bei Erreichen der vordefinierten Zustandsgrenze (Verschmutzung der Codescheibe, Alterung der Lichtquelle) durchführen.

Istwerterfassung bei sensorlosen Antrieben

Der Verzicht auf Sensoren zum Erfassen mechanischer Größen bedeutet, den Motor mittelbar über seine elektrischen Kennwerte als Messgeber zu verwenden. Ein solch kostengünstigeres Konzept führt unter Umständen zu schlechterer Dynamik (Einschränkungen in der Nähe der Drehzahl Null, längere Lastwechselzeit) sowie geringerem Drehzahl- und Lastbereich. Aus den weiterhin stromrichterintern gemessenen Größen Strom und Spannung folgen mittels des Motormodells ¿ bei Erfordernis unter Einbeziehung von Stromverdrängung/Skin-Effekt und Eisenverlusten - die gewünschten Größen (einschließlich Moment und Fluss bei Feldorientierung). Die Position des Rotors bei bürstenlosen Gleichstrommaschinen liefert die Auswertung des Verlaufs der in ihr induzierten Spannung in Verbindung mit ihren Nulldurchgängen. Aus der Änderung der Streuinduktivitäten des Drehstrommotors lässt sich die Rotorlage selbst bei Ständerfrequenz Null (Stillstand) zuverlässig ableiten. Darüber hinaus können binäre Zustandsdaten des Stromrichters zusammen mit einem Beobachter teure elektro-mechanische Sensorik ersetzen, indem aus den Schaltinformationen des Stellgliedes Motorspannungen und -ströme sowie Drehzahlen berechnet werden. Joachim Krause

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