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Drehgeber

Smarte, lagerlose Drehgeber-Systeme in Antrieben

| Autor/ Redakteur: Bernhard Hiller* / Jan Vollmuth

Eine „smarte“ digitale Echtzeit-Signalverarbeitung ermöglicht den störungsfreien Einsatz lagerloser magnetischer Drehgeber in unmittelbarer Nähe von magnetischen Störfeldern, wie sie von Elektromotoren und insbesondere elektromagnetisch betätigten Bremsen ausgehen.

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Eine integrierte digitale Signalverarbeitung macht die lagerlosen magnetischen Drehgeber von Kübler unempfindlich gegen magnetische Störfelder.
Eine integrierte digitale Signalverarbeitung macht die lagerlosen magnetischen Drehgeber von Kübler unempfindlich gegen magnetische Störfelder.
(Bild: Kübler)

Seit Jahren ein Trend in der Antriebstechnik: 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, usw.) sowie Verkabelung, Antriebsverstärker und Steuerung, existieren heute viele dezentrale Antriebssysteme, bei denen bis hin zum Antriebsverstärker mit leistungsfähigen Steuerungsfunktionalitäten alle Komponenten integriert sind.

Kompakter, zuverlässiger, leistungsfähiger

Dieser Trend zwingt auch die Hersteller von Drehgebern dazu, neue, integrierbare Lösungen zu entwickeln. Bei diesen Entwicklungen steht das Ziel im Vordergrund, mit der neuen Lösungen das Gesamtsystem eines geregelten Antriebs kompakter, zuverlässiger, leistungsfähiger und nicht zuletzt kostengünstiger realisieren zu können.

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

Integrierte lagerlose, magnetische Drehgeber

Das klingt einfacher als es ist: Oft wurde bei solchen Integrationsversuchen der Endanwender enttäuscht, lagen doch die Signalgüte des Feedback-Systems und damit die Regelgüte des Antriebs hinter den Erwartungen zurück.

Drehgeber eignen sich auch zur Umsetzung sogenannter Smart Motors.
Drehgeber eignen sich auch zur Umsetzung sogenannter Smart Motors.
(Bild: Kübler)

Aufgrund seiner Systemkompetenz und in enger Zusammenarbeit mit Key-Playern der Antriebstechnik ist es dem Unternehmen Kübler in jüngster Zeit gelungen, kompakte, lagerlose, magnetische Drehgeber in und an Servo-Antriebsmotoren zu integrieren. Das Besondere daran: Das magnetische Messprinzip verbietet eigentlich den Einsatz in unmittelbarer Umgebung von magnetischen Störfeldern, wie sie von Elektromotoren und insbesondere elektromagnetisch betätigten Bremsen ausgehen.

„Smarte“ digitale Echtzeit-Signalverarbeitung

Wie ist das möglich? Ursächlich 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 eine digitale FPGA-basierte Signalverarbeitung Driften und Signalfehler aktiv ausregelt, die etwa durch Einflüsse wie Temperatur, Alterung und Einbautoleranzen hervorgerufen werden; dies ermöglicht somit trotz einer vergleichsweise groben Teilung der magnetischen Maßverkörperung genaue, hochaufgelöste Zustandsgrößen. Andererseits werden mittels der ohnehin vorhandenen Kenntnis der Kerngrößen des Antriebssystems die Funktionen Condition Monitoring und Predictive Maintenance bereitgestellt.

Die Parametrierbarkeit auch der integrierten digitalen Signalfilter mit Delaykompensation, die sich als sehr vorteilhaft in vielen Applikationen herausgestellt haben, sowie ein elek­tronisches Typenschild inklusive Anwenderspeicher runden die Ausstattungsmerkmale ab.

Drehgeber mit hochwertigen Feedbacksystemen

Den Experten von Kübler ist es durch diese Herangehensweise gelungen, Feedbacksysteme in Drehgeber zu integrieren, die über eine sehr hohe Signalgüte verfügen und dennoch die bei einer Integration nötige Kompaktheit und Zuverlässigkeit aufweisen.

In Kundengesprächen zeichnen sich bereits künftige Entwicklungen ab: So wird der smarte, 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). Letztgenannte Sensorik kann aufgrund des lagerlosen Anbaus und damit der direkten mechanischen Kopplung an den Antrieb in die Elektronik des Drehgebers integriert und darüber hinaus mit den anderen Messgrößen korreliert werden (Sensor-Fusion), was einen weiteren Informationsgewinn im Hinblick auf Forderungen nach Predictive Mainentance und Condition Monitoring bedeutet.

Auf Kommunikation eingestellt

Die neuen „smarten“ Systeme von Kübler sind für die volldigitale Kommunikation mit dem Antriebsregler via z.B. RS485, BiSS, usw. vorgesehen. Bei sogenannten Elektronik-Motoren kann auch eine direkte Ankopplung an den nahe gelegenen Regelprozessor via SPI o.ä. erfolgen. Teure Treiberbausteine und aufwendige Kabel entfallen in diesem Fall.

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

Sps IPC Drives 2018: Halle 7A, Stand 506

Bernhard Hiller ist Leiter Engineering Solutions Center, Berlin.
Bernhard Hiller ist Leiter Engineering Solutions Center, Berlin.
(Bild: Kübler)

* Bernhard Hiller ist Leiter des Engineering Solutions Center, Berlin

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