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Drehzahl- und Lagegeber

 

Übersicht

Drehzahl- und Lagegeber erfassen, wie ihr Name schon sagt, die mechanischen Größen Drehzahl und Lage. Ihre Signale sind erforderlich, um die Regler mit Istwerten zu versorgen und die vorhandenen Lage- und Drehzahlregelkreise zu schließen.
Für die vektoriellen Regelverfahren bei Drehstromantrieben dienen die Lage- und Drehzahlsignale auch als wichtige Eingangsgröße für den Stromregelkreis. Der Geber erfaßt in diesem Fall die Drehzahl und/oder Lage unmittelbar an der Motorwelle.
Eine wichtige Kenngröße für Drehzahl- und Lagegeber ist die Auflösung. Sie gibt an, wie viele einzelne Messwerte innerhalb des Arbeitsbereiches des Gebers unterschieden werden können.

Drehzahl- und Lagegeber sind sehr vielgestaltig. Sie lassen sich nach:

• Art der Messwerte,
• Art des Messverfahrens und
• Art der Schnittstelle

unterscheiden.

 

Art der Messwerte

Zu betrachten sind Drehzahl- und Lagegeber. Während Drehzahlgeber unmittelbar einen analogen Drehzahlistwert bereitstellen, liefern Lagegeber entweder einen absoluten oder relativen (inkrementellen) Lageistwert. Wird der Lageistwert zyklisch ermittelt, kann aus der Lageänderung die Drehzahl im betrachteten Zyklus berechnet werden.

• Absolute Lagegeber
  Bei absoluten Lagegebern wird die Lage eindeutig und reproduzierbar im Bezug auf den Nullpunkt des Messsystems ausgegeben. Die Lageinformation bleibt auch beim Abschalten der Versorgungsspannung erhalten. Je nach Ausführung werden lineare Lagegeber (Linearmaßstäbe) oder rotatorische Lagegeber eingesetzt.
  Linearmaßstäbe decken mit ihrem Messbereich den gesamten Verfahrbereich des zu erfassenden Antriebes oder Maschinenteils ab.
  Bei rotatorischen Lagegebern wird unterschieden, ab die Lageinformation innerhalb einer mechanischen Umdrehung ("single turn") oder über mehrere mechanische Umdrehungen ("multi turn") absolut ausgegeben wird. Wird der absolute Messbereich des rotatorischen Gebers überschritten (eine Umdrehung bei "single turn", durch die Konstruktion des Gebers festgelegte Anzahl von Umdrehungen bei "multi turn"), ist eine eindeutige Aussage über die Lage des zu erfassenden Antriebes oder Maschinenteils ohne Zusatzinformationen nicht mehr möglich.
  
  
• Inkrementelle Lagegeber
  Bei inkrementellen Lagegebern wir lediglich die Änderung der Lage von einem Messzeitpunkt zum nächsten Messzeitpunkt erfaßt. Damit sind inkrementelle Lagegeber relative Lagegeber. Da die Lageinformation im allgemeinen aber als eine Folge von Impulsen (Inkrementen), die von einem Zähler aufaddiert werden geliefert wird, hat sich der Begriff "Inkrementalgeber" eingebürgert.
  Die absolute Lage des zu erfassenden Antriebes oder Maschinenteils wird wie folgt gebildet:
  
  
  • Nach Zuschaltung der Versorgungsspannung wird der Antrieb oder das zu erfassende Maschinenteil langsam in eine vorgegebene Richtung bewegt, bis ein in dieser Bewegungsrichtung angeordneter Näherungsschalter anspricht. Dieser aktiviert die Erfassung des Nullimpulses, der ebenfalls vom Geber bereitgestellt wird. Tritt der Nullimpuls das nächte mal auf, wird in diesem Augenblick der Lageistwert in der Auswerteschaltung auf einen fest eingestellten Referenzwert gesetzt. Der Antrieb ist damit referenziert.
  • Anschließend werden die einlaufenden Zählimpulse zum Lageistwert addiert. Damit wird fortlaufend ein neuer absoluter Lageistwert aus dem anfänglichen Referenzwert und der aufgetretenen Positionsänderung berechnet.
    
    

  Verwirrend ist, dass auch Absolutwertgeber mit sinusförmigen Signalspuren oft als inkrementelle Lagegeber bezeichnet werden.
  

 

Art des Messverfahrens

Zur Erfassung von Lage und Drehzahl werden verschiedene physikalische Effekte ausgenutzt.

• Induktiv
  Bewegt sich ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld oder wird er von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld durchsetzt, wird in ihm eine elektrisch Spannung induziert. Diese elektrische Spannung ist an den Enden des Leiters messbar. Auf der Basis dieses Effektes werden
  • Tachogeneratoren zur Drehzahlmessung und
  • Resolver zur Drehzahl- und Lagemessung realisiert.

• Magnetisch
  Magnetische Geber nutzen Änderungen der magnetischen Feldstärke zur Gewinnung von Lageinformationen. Auf dem beweglichen Teil des Gebers (z. B. dem Läufer) befindet sich dazu ein System, das magnetische Vorzugsrichtungen aufweist. Diese Vorzugsrichtungen entstehen entweder durch eine Anreihung von Nord- und Südpolen oder durch eine starke Nutung der Oberfläche. Bewegt sich dieses System an einer fest montierten Messsonde vorbei, erkennt diese Sonde eine periodische Zu- und Abnahme der magnetischen Feldstärke und setzt diese in entsprechende Spannungssignale um. Die Spannungssignale stehen anschließend für eine Lageerfassung zur Verfügung.

• Optisch
  Optische Geber besitzen einen Datenträger (Scheibe oder Stab), der lichtdurchlässig ist und auf dem zyklisch lichtundurchlässige Bereiche aufgebracht sind. Der Datenträger bewegt sich an einem lichtempfindlichen Sensor vorbei. Je nachdem, ob sich gerade ein durchlässiger oder nicht durchlässiger Bereich vor dem Sensor befindet, gibt dieser ein entsprechendes Spannungssignal ab, das anschließend für eine Lageerfassung verwendet werden kann.

 

Art der Schnittstelle

Die Schnittstellen, die Drehzahl- und Lagegeber zur Verfügung stellen, sind herstellerspezifisch. Trotz der hohen Vielfalt lassen sich einige Gemeinsamkeiten angeben.

• Analoge kontinuierliche Schnittstellen
  Analoge kontinuierliche Schnittstellen werden bereitgestellt von:
  • Tachogeneratoren
    Ein vorzeichenbehaftetes Gleichspannungssignal dient als Messwert für die Drehzahl.
  • Encodern mit Sinusausgang
    Ein analoges sinusförmiges Signal stellt ein Abbild der Lage zur Verfügung. Da ein einzelnes sinusförmiges Signal nicht eindeutig ist, wird ein zweites, um 90°-verschobenes Signal bereitgestellt. Durch Auswertung beider Signalspuren kann die augenblickliche Lage berechnet werden.
    

• Analoge zeitdiskrete Schnittstellen
  Analoge zeitdiskrete Schnittstellen weisen Resolver auf. Sie liefern zwei um 90° versetzte sinusförmige "Hüll"-Signale, die jedoch nur zu ganz bestimmten Zeitpunkten gültig sind und nur zu diesen Zeitpunkten von der Auswerteeinheit abgetastet und verarbeitet werden dürfen.
  
  
• Digitale kontinuierliche Schnittstellen
  Digitale kontinuierliche Signale werden von Impulsgebern zur Verfügung gestellt. Zwei um 90° verschobene Impulsketten werden von einer Zähleinheit erfasst und ermöglichen die inkrementelle Lagemessung.
  

• Digitale zeitdiskrete Schnittstellen
  Digitale zeitdiskrete Schnittstellen basieren auf einem Übertragungsprotokoll. Die aktuelle Lageinformation wird dabei seriell vom Geber zum Empfänger übertragen. Neben den üblichen Feldbussen sind einige herstellerspezifische Schnittstellen verbreitet.