Lagerlose Miniatur-Drehgeber mit Magnetring und Lesekopf

| Autor / Redakteur: Bernhard Hiller * / Gerd Kucera

Bild 1: Die Installation erfolgt durch Aufschieben und Verschrauben des Magnetrings an der Welle und Platzierung des Lesekopfs. Lösungen zum Aufpressen gibt es ebenfalls.
Bild 1: Die Installation erfolgt durch Aufschieben und Verschrauben des Magnetrings an der Welle und Platzierung des Lesekopfs. Lösungen zum Aufpressen gibt es ebenfalls. (Bild: Kübler)

Was tun, wenn auch für einen Miniaturdrehgeber der Bauraum nicht ausreicht? Die hier vorgestellten lagerlosen Messsysteme sollen das Problem lösen und ein schlankes Motoren-Design erlauben.

Ein aktueller Trend in der Antriebstechnik ist die Integration bisher separat montierter Komponenten zu einem System. Herrschte vor einigen Jahren noch eine strikte Trennung zwischen Motor, Feedback-System (Tacho, Resolver, Inkremental- oder Absolut-Drehgeber, etc.), Verkabelung, Antriebsverstärker und Steuerung, so existieren heute eine Vielzahl von dezentralen Antriebssystemen, bei denen bis hin zum Antriebsverstärker mit leistungsfähigen Steuerungsfunktionalitäten, alles integriert ist.

Dieser Trend zwingt auch die Hersteller von Drehgebern neue, integrierbare Lösungen zu erarbeiten, mit dem Ziel das Gesamtsystem geregelter Antriebe kompakter, zuverlässiger, leistungsfähiger und nicht zuletzt kostengünstiger zu realisieren.

Besondere Herausforderungen bei der Integration entstehen dann, wenn Antriebssysteme, die aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit bisher als Feedback-Systeme hochauflösende eigengelagerte optische Drehgeber verwendeten, mit kompakten lagerlosen und robusten magnetischen Gebersystemen ausgestatteten werden sollen, um Platz und Kosten zu sparen.

Oft wurde bei solchen Integrationsversuchen der Anwender enttäuscht, lagen doch die Signalgüte des Feedback-Systems und damit die Regelgüte des Antriebs hinter den Erwartungen zurück.

Aufgrund der Systemkompetenz und in enger Zusammenarbeit mit den Key-Playern in der Antriebs-technik ist es Kübler in jüngster Zeit gelungen, kompakte, lagerlose, magnetische Drehgeber in und an Servo-Antriebsmotoren zu integrieren, obgleich das magnetische Messprinzip eigentlich den Einsatz in unmittelbarer Umgebung von magnetischen Störfeldern, wie sie von Elektromotoren und insbesondere elektromagnetisch betätigten Bremsen ausgehen, verbietet. Ursächlich für diesen Erfolg sind insbesondere FEM-berechnete Abschirmsysteme und eine „smarte“ digitale Echtzeit-Signalverarbeitung.

Hinter dem Begriff „smart“ verbirgt sich in doppelter Hinsicht eine Neuerung: Einerseits werden durch die digitale FPGA-basierte Signalverarbeitung Driften und Signalfehler, hervorgerufen durch z.B. Temperatur, Alterung und Einbautoleranzen, aktiv ausregelt und somit trotz einer vergleichsweise groben Teilung der magnetischen Maßverkörperung genaue und hochaufgelöste Zustandsgrößen möglich. Andererseits werden mittels der ohnehin vorhandenen Kenntnis der Kenngrößen des Antriebssystems das Condition Monitoring und Predictive Maintenance realisiert.

Parametrierbarkeit, auch der integrierten digitalen Signalfilter mit Delay-Kompensation, die sich als sehr vorteilhaft in vielen Applikationen herausgestellt haben, und ein elektronisches Typenschild inklusive Anwenderspeicher runden die Ausstattungsmerkmale ab.

Den Experten von Kübler ist es so gelungen, Feedbacksysteme zu intergieren, die über eine ungewöhnlich hohe Signalgüte verfügen und dennoch die bei einer Integration nötige Kompaktheit und Zuverlässigkeit aufweisen.

In Kundengesprächen zeichnen sich bereits die zukünftigen Entwicklungen ab: So wird der smarte und in das Antriebssystem integrierte Drehgeber nicht nur zum Informationszentrum für den Antrieb, hinsichtlich der in Echtzeit bestimmten Zustandsgrößen Position, Drehzahl und Drehbeschleunigung, sondern auch ein Knotenpunkt für weitere Messgrößen wie z.B. Temperatur und laterale Beschleunigung (Vibration). Letzteres kann aufgrund des lagerlosen Anbaus und damit der direkten mechanischen Kopplung an den Antrieb, in der Elektronik des Drehgebers integriert und darüber hinaus auch mit den anderen Messgrößen korreliert werden (Sensor-Fusion); das bedeutet einen weiteren Informationsgewinn im Hinblick auf Forderungen nach Predictive Mainentance und Condition Monitoring.

Die neuen Sensorsysteme von Kübler sind dabei für die vollständig digitale Kommunikation mit dem Antriebsregler über beispielsweise RS485, BiSS-Interface und anderen Schnittstellen vorgesehen. Bei den sogenannten Elektronik-Motoren kann aber auch eine direkte Ankopplung an den unmittelbar in der Nähe befindlichen Regelprozessor via Serial Peripheral Interface (kurz SPI) o.ä. erfolgen. Teure Treiberbausteine und aufwendige Kabel entfallen dann.

Zur Kommunikation mit den immer noch in großen Volumina verbreiteten gewöhnlichen Schnittstellen wie TTL- und HTL-Inkrementalsignale, Sin/Cos-Signale oder Echtzeit SSI, sind entsprechende Signalumsetzer mittels Echtzeitsynthese im FPGA verfügbar.

* Bernhard Hiller ist Leiter des Engineering Solution Center von Kübler, Berlin.

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