Während Encoder die am weitesten verbreiteten Feedbackgeräte für Servosysteme sind, die höchste Präzision erfordern, sind Hall-Effekt-Sensoren und Resolver ebenfalls eine gute Wahl, wenn es um spezifische Anforderungen geht. Nachfolgend erfahren wir, wie sie funktionieren, welche Optionen es gibt und welche Vor- und Nachteile sie im Hinblick auf bestimmte Anwendungen mit sich bringen.
Hall-Effekt-Sensoren
Wenn eine Maschine keine präzise Drehmomentsteuerung oder hohe Auflösung des Antriebssystems erfordert, sind kostengünstige Feedbacksensoren wie Hall-Effekt-Geräte eine geeignete Option. Diese digitalen Ein/Aus-Sensoren messen die Stärke eines elektromagnetischen oder permanenten Magnetfeldes und erzeugen bei jedem Felddurchlauf einen Impuls.
Hall-Effekt-Geräte sind in separaten Gehäusen erhältlich, die in das Gehäuse des Servomotors eingebaut werden. Bei bürstenlosen Servomotoren sind diese Sensoren manchmal in die Statorwicklungen eingebettet und werden von den Rotormagneten geschaltet. Diese Geräte melden die Position der Welle, die auch in Drehzahl- oder Beschleunigungsdaten umgewandelt werden kann.
Hall-Effekt-Geräte werden häufig in sechsstufig kommutierten Servosystemen eingesetzt, einer Art der elektronischen Kommutierung, die eine relativ einfache Antriebselektronik erfordert und häufig in bürstenlosen Gleichstromsystemen verwendet wird. Hall-Effekt-Sensoren werden idealerweise in Kombination mit einem Inkrementalgeber, allgemein bekannt als Comcoder, verwendet. Der Vorteil dieser Kombination besteht darin, dass man so eine höhere Auflösung als mit einem Hall-Effekt-Gerät allein erreichen kann und keine „Wake-and-Shake“-Sequenz zur Bestimmung des Kommutierungswinkels durchführen muss, da dies vom Hall-Effekt-Sensor übernommen wird.
Die trapezförmige statt sinusförmige Steuerung, die Hall-Effekt-Sensoren unterstützen, eignet sich jedoch möglicherweise nicht für einige industrielle Servoanwendungen, da sie bei der Erzeugung von Drehmoment weniger effizient ist als andere Kommutierungsmethoden. Außerdem kann diese grobe Steuerung aufgrund von abrupten Stromübergängen, die in der Regel zu kleinen, aber erkennbaren Drehzahlschwankungen führen, eine hohe Drehmomentwelligkeit erzeugen. In speziellen Fällen kann die Drehmomentwelligkeit die Gesamtleistung eines Antriebssystems erheblich beeinträchtigen.
Bei Sinusstrom-Antrieben können Hallsensoren in Kombination mit Inkrementalgebern verwendet werden, um eine präzise sinusförmige Kommutierung zu ermöglichen. Bei Servoantrieben fungieren Hallsensoren auch als Stromsensoren, um die Stromschleife zu schließen. Bei anderen industriellen Anwendungen können sie zur Erfassung der Position von Kurbelwellen, Nocken oder anderen mechanischen Vorrichtungen eingesetzt werden.
Resolver
Resolver übernehmen zusammen mit Encodern die meisten Aufgaben der Bewegungssteuerung im geschlossenen Regelkreis. Ein Resolver ist ein Drehtransformator mit einer Primär- und zwei Sekundärseiten. Die Primärseite wird mit Wechselspannung versorgt. Die Sekundärseite koppelt die Eingangsspannung ratiometrisch in Abhängigkeit von der Wellenposition.
Die entstehenden Sinussignale, Sinus und Cosinus, werden im Antriebssteuergerät durch Resolver-Digital-Wandler (RDCs) oder durch Interpolationssoftware im Antrieb in digitale Signale umgewandelt. Ein zweipoliger Resolver (einfache Drehzahl) liefert ein absolutes Positionssignal innerhalb einer Motorumdrehung.
Da Resolver analoge Geräte sind, liefern sie relativ klare Signale. Aufgrund ihres hohen Spannungsbereichs sind sie auch weniger anfällig für Rauschen. Die Auflösung des konvertierten Ausgangs wird im Allgemeinen im Antrieb festgelegt und kann bis zu 16 Bit betragen. Allerdings kann die Auflösung durch die Motordrehzahl begrenzt sein, da die maximale Frequenz begrenzt ist.
Resolver können mit einfachen oder multiplen Drehzahlen arbeiten. Dabei gibt Anzahl der „Drehzahl“ die Anzahl der elektrischen Zyklen an, die pro mechanischer Umdrehung erzeugt werden (nicht zu verwechseln mit der physischen Geschwindigkeit). Mit anderen Worten: Die Anzahl pro Umdrehung erhöht sich um den Faktor der Resolver-„Drehzahl“.
Resolver haben viele positive Eigenschaften: Die robusten Geräte sind sehr widerstandsfähig gegen EMB-Störungen sowie Hitze, Vibrationen und Stößen. Resolver sind in der Regel für 155 ºC ausgelegt, wobei spezielle Modelle 230 ºC standhalten und sogar strahlengehärtet werden können.
Resolver benötigen jedoch mehr Elektronik für die Signalumwandlung, als dies bei Systemen auf Encoderbasis der Fall ist. Außerdem sind sie im Allgemeinen weniger genau als optische Encoder, obwohl bei einigen Versionen, den sogenannten zahngewickelten Einheiten, bereits große Fortschritte erzielt wurden. Die für diese Geräte verwendeten Fertigungstechniken begrenzen die Abweichungen zwischen den Teilen auf ein Minimum, was die Ausgabegenauigkeit um etwa 50 % erhöht.
Gehäuselose bürstenlose Resolver werden häufig in Servomotoren eingesetzt, da sie einen geringeren Wartungsaufwand erfordern und über eine große Durchgangsbohrung verfügen, die Motormodifikationen wie Hohlwellen und zusätzliche Wellenverlängerungsoptionen aufnehmen kann.
Weitere Informationen
Lesen Sie unbedingt alle drei unserer Blog-Beiträge zu Feedbackgeräten, darunter die Artikel über wichtige Auswahlkriterien und Linear-, Dreh- und Sinusgeber, um ihre Kenntnisse auf diesem wichtigen Gebiet zu erweitern. Und zögern Sie nicht, einen Ingenieur von Kollmorgen zu kontaktieren, um über Ihre spezifische Anwendung zu sprechen und sich Empfehlungen für die ideale Servoschleifen-Technologie zu holen, die Ihren Anforderungen entspricht.
