Multiturn-Absolutgeber Ohne Getriebe und Batterie

In der elektrischen Antriebstechnik ermitteln Multiturn-Absolutgeber die Wellenposition innerhalb einer Umdrehung und zugleich die Anzahl der Umdrehungen. Hierbei wird die Umdrehungszahl nach dem Stand der Technik entweder mechanisch mittels mehrstufigem Getriebe oder elektronisch erfasst. Beide Verfahren haben Nachteile, die der Artikel erläutert. Er stellt aber auch ein neues, patentiertes Verfahren vor, das ohne Getriebe und ohne Batterie auskommt. Die nötige Energie zum Verarbeiten und Speichern liefert ein Mikrogenerator im Sensorinneren, der selbst bei kleinsten Drehbewegungen zuverlässig funktioniert.

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Geregelte elektrische Antriebe setzen Inkrementalgeber mit Rechteck- oder Sinussignalen in großen Stückzahlen ein. Da sie einen Nullimpuls pro Umdrehung abgeben, eignen sie sich neben der Drehzahlregelung auch zur Lageregelung, wenn die Umrichterelektronik zusätzlich die Gebersignale zum Bestimmen der Istlage während einer Umdrehung (Singleturn) und zum Zählen der Umdrehungen (Multiturn) heranzieht. Diese Lösung geht von der Voraussetzung aus, dass die Inkrementalgeber ständig an Spannung liegen und keine Drehungen im spannungslosen Zustand ausführen. Wenn dieser Fall nicht gegeben ist, beispielsweise bei nachlaufenden Antrieben, Not-Halt oder beim manuellen Einrichten, muss nach wieder einsetzender Versorgungsspannung eine Referenzfahrt zu einer bekannten Position durchgeführt und von dort aus der Zählvorgang neu gestartet werden.

Um dieses Referenzieren zu vermeiden, werden zunehmend Multiturn-Absolutgeber eingesetzt. Mechanisch arbeitende Absolutgeber erfassen und speichern die Umdrehungen mit einem Getriebe: Die Welle des Absolutgebers weist dazu außer der Code-Scheibe mit der Singleturn-Information über die Position der Welle innerhalb einer Umdrehung, häufig 8192 Schritte (13 Bit), eine Verzahnung auf, in die das erste Zahnrad eines Getriebes eingreift. Wenn diese erste Getriebestufe 16-fach herabsetzt, löst ihre Codierung 16 Umdrehungen auf. Mit drei Getriebestufen lassen sich so 163 = 4.096 Umdrehungen (12 Bit) erfassen.

Der Getriebelösung haften jedoch folgende Mängel an:

• Bei hohen Drehzahlen mit sehr schnellen Drehzahlwechseln, möglicherweise verbunden mit Stoßwirkung verursacht durch Bremsmotoren im Start-Stopp-Betrieb, hat das Getriebe nur eine begrenzte Lebensdauer.
• Die Untersetzung von einem kleinen Ritzel auf ein deutlich größeres erstes Zahnrad verbietet Absolutgeber mit großer durchgehender Hohlwelle.
• Die Anzahl unterscheidbarer Umdrehungen ist üblicherweise auf 12 Bit begrenzt.

Diese Mängel beseitigen elektronische Absolutgeber. Ihr Multiturn-Teil besitzt in der Regel Reed-Kontakte, die von umlaufenden oder feststehenden Magneten (die eine umlaufende Blende frei gibt) betätigt werden. Das Ansteuern der Reed-Kontakte erfolgt derart, dass ein ASIC oder Prozessor aus der Kontaktfolge die Drehrichtung eindeutig erkennen, diese als Aufwärts- oder Abwärts-Zählinformation auswerten und in einem Speicher ablegen kann.

Dazu sind elektronische Absolutgeber üblicherweise mit einer Batterie ausgestattet, die bei abgeschalteter Versorgungsspannung die Elektronik und den flüchtigen Speicher mit Energie versorgt. Mit dieser Technik lassen sich Absolutgeber mit hohen Dauerdrehzahlen, großer durchgehender Hohlwelle und einem über den Standard-Zählbereich von 4.096 Umdrehungen (12 Bit) hinausgehenden erweiterten Zählbereich von 65.536 Umdrehungen (16 Bit) realisieren.

Aber auch diesem Gebertyp haften Mängel an:

• Die Batterie zum Betrieb des Prozessors und zum Speichern der Zählinformation hat nur eine begrenzte Lebensdauer, insbesondere bei höheren Temperaturen oder bei längerem Betrieb des Gebers ohne externe Versorgungsspannung.
• Reed-Kontakte können unter Stoßeinwirkung, beispielsweise an Bremsmotoren, ansprechen und damit fehlerhafte Zählimpulse auslösen.
• Absolutgeber mit Batterie sind im Ex-Bereich nur mit Auflagen einsetzbar.

Die auf HeavyDuty-Geber spezialisierte Firma Hübner in Berlin hat die Heraus-forderung angenommen, Absolutgeber ohne Getriebe und ohne Batterie zu entwickeln, die die genannten Nachteile nicht aufweisen und damit den Absolutgebern weitere, bisher verschlossene Einsatzgebiete eröffnet. Herzstück dieser neuen Generation von Multiturn-Absolutgebern ist ein Mikrogenerator, der die zur elektronischen Verarbeitung und dauerhaften Speicherung erforderliche Energie direkt aus der Drehbewegung des Antriebs gewinnt. Das patentierte Verfahren zeichnet sich durch einfachen Aufbau, Robustheit, Verschleißfreiheit, Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern und großen Temperaturbereich aus. Von Vorteil ist außerdem die Möglichkeit, die generierten Spannungsimpulse hinsichtlich Höhe und Dauer an die Erfordernisse der elektronischen Zähl- und Speicherschaltung optimal anzupassen. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu anderen, in der Patentliteratur beschriebenen Verfahren, beispielsweise Wiegand-Drähten oder schaltenden Reed-Kontakten, die wegen ihrer geringen Energieausbeute bis jetzt nicht zu praxistauglichen, dem rauen Industrieeinsatz gewachsenen Geräten geführt haben.

Funktionsprinzip des Mikrogenerators

Das Funktionsprinzip des Mikrogenerators erläutert Bild 1. Darin ist (1) eine Spule, die eine magnetisierbare, nicht rostende Blattfeder (2) umgibt. In geringem Abstand der in einem Kunststoffträger (3) eingebetteten Feder laufen gegenpolig magnetisierte Magnetpaare (4 und 5) aus Kobalt-Samarium vorbei, die unterhalb einer sich mit der Welle des Absolutgebers drehenden Scheibe (6) befestigt sind. Bewegt sich die Scheibe in Pfeilrichtung und die Mag-nete nähern sich (von links kommend) der Feder, so wird die Feder von dem Magneten (4) aufgrund des Reluktanz-Effektes in Drehrichtung mitgenommen, bis ihre Federkraft die Mitnahmekraft des Mag-neten überwiegt. In diesem Augenblick schnappt sie zurück, wobei sie vom Magneten (5) eingefangen und zusätzlich beschleunigt wird. Dabei findet ein sehr schneller Wechsel des Magnetflusses in der Feder statt, der gemäß der Formel „Spannung ist proportional zu Magnetflussänderung pro Zeitintervall“ (siehe Formel in Bildergalerie) einen kräftigen Spannungsimpuls in der die Feder umgebenden Spule hervorruft.

Den Mikrogenerator mit einem sich gerade über der Feder befindlichen Magnetpaar und der leicht über die Spule herausragen-den Feder zeigt Bild 2. Die Gesamtlänge des Mikrogenerators inklusive Scheibe mit den Magneten beträgt 20 mm.

Die Feder weist eine Eigenfrequenz auf, die im Resonanzfall zu einer erhöhten Auslenkung führen würde. Oberhalb der Einspritzung in den Kunststoffträger (3) ist sie deshalb mit einem temperaturstabilen Dämpfungsmaterial (7) umgeben, das gewährleistet, dass die Feder unter allen Betriebsbedingungen nur mit etwa ± 1 mm ausschwingt. Das Dämpfungsmaterial übernimmt gleichzeitig die Aufgabe des Knickschutzes und der Körperschalldämpfung.

So einfach das Funktionsprinzip dieses Mikrogenerators auch erscheint, so zeit-intensiv war die Entwicklung: ausgehend vom erforderlichen Spannungsimpuls zum Verarbeiten und Abspeichern der Zählinformation und dem zur Verfügung stehenden geringen Bauraum musste die Feder mit ihrer Länge, Breite, Dicke, Härte und Auslenkung im Zusammenspiel mit den ebenfalls in drei Dimensionen variablen Magnetpaaren optimiert werden. Feinarbeit war erforderlich, die Länge der Feder auf den freischwingenden, gedämpften und eingespannten Bereich aufzuteilen. Weitere Variablen waren die Shorehärte des Dämpfungsmaterials und die Dimensionierung der Spule hinsichtlich Windungszahl, Drahtstärke und Abmessungen.

Spannungsimpulse ab Drehzahl Null

Der Mikrogenerator liefert Spannungsimpulse ab Drehzahl Null bis zu höchsten Drehzahlen. Bei diesen würde schon das Vorbeieilen der Magnetpärchen an der Feder zur Spannungserzeugung ausreichen, wie die ansteigende Spannungs-Drehzahl-Kennlinie u(n) in Bild 3 zeigt. Wenn sich die Bewegungsrichtung der Scheibe mit den Magnetpaaren (4 und 5) umkehrt, wird die Feder zunächst von dem Magneten (5) mitgenommen, um dann auf den Magneten (4) zu springen. Hierbei wird ein Spannungsimpuls mit entgegengesetzter Polarität generiert.

Die Spannungsimpulse der Spule werden gleichgerichtet (Bild 4), auf maximal12 V begrenzt und mit einem schnellen Low-Drop-Spannungsregler auf die für die nachfolgende Schaltung erforderliche Spannung stabilisiert. Der Spannungsregler schaltet in den aktiven Zustand, wenn die Spannung an seinem Eingang einen Mindestwert überschritten hat. Das Oszillogramm in Bild 5 zeigt diese Spannung (blau) und die Spannung am Ausgang des Spannungsreglers (gelb).

Die Platine (8) mit dem Mikrogenerator und dem Umdrehungszähler trägt Hall-Sensoren, die von kräftigen Permanentmagneten angesteuert werden und die sich ebenfalls mit auf der Unterseite der umlaufenden Scheibe (6) befinden. Die Hall-Sensoren werden zeitlich vorlaufend von den Magneten aktiviert, bevor der Mikrogenerator den Spannungsimpuls erzeugt. Das von den Hall-Sensoren gelieferte Codemuster hängt von der Polarität der Magnete und damit der Winkelstellung der Scheibe ab. Auf diese Weise wird eine eindeutige Positionserkennung innerhalb einer Umdrehung gewährleistet, auch in Gegenwart von Fremdfeldern.

Der Spannungssprung des Spannungsreglers startet den Oszillator des Prozessors ?P in Bild 4. Dessen Kontrollausgang meldet mit „high“ das Ende des Anschwingens und den Start des Prozessorprogramms (in Bild 5 rot dargestellt). Der Prozessor liest als erstes das nicht flüchtige FeRAM aus: aktueller Stand des Umdrehungszählers und letzte Meldung der Hall-Sensoren über die Winkelposition der Scheibe. Mit diesen Informationen kann die CPU entscheiden, ob eine Drehung der Antriebswelle stattfand, und ob ein Aufwärts- oder Abwärts-Zählimpuls im FeRAM abgespeichert werden soll. Der gesamte Vorgang vom Anschwingen des Oszillators bis zum Abspeichern ist nach rund 500 ?s abgeschlossen.

Obwohl die Winkelposition der Scheibe dreimal pro Umdrehung ausgewertet wird, steht selbst bei 6000 min-1 ein Zeitintervall von 3,3 ms zur Verfügung, sodass sich auch Umdrehungen bei deutlich höheren Drehzahlen erfassen lassen. Nach Abarbeiten des Programms liefert der Mikrogenerator noch genügend Energie (Bild 5), mit der der Prozessor seinen Programmzyklus erneut starten und die Hall-Sensoren weiter abfragen kann. Weil die Hall-Sensoren aber keine neue Information liefern, findet zwar eine vielfache Kontrolle und Bestätigung der bereits ausgewerteten Information statt, jedoch kein neues Abspeichern. Die Energiereserve wird zum Teil bei hohen Temperaturen ausgeschöpft, bei denen der Prozessor langsamer arbeitet.

Dauerauswertung der Hall-Sensoren bis zur Änderung

Im Normalfall liegt der Absolutgeber an einer externen Versorgung und der Prozessor erhält über die Diode (D2) ständig Spannung. Er wertet die Information der Hall-Sensoren nunmehr ununterbrochen aus, bis er eine Änderung feststellt und daraus eine Entscheidung über den nächsten Zählimpuls ableitet. Das FeRAM speichert im Normalfall bis zu 65.536 Umdrehungen (16 Bit) dauerhaft ab und lässt sich bei Bedarf für das synchron-serielle Interface (SSI) werksseitig bis auf 16.777.216 Umdrehungen (24 Bit) erweitern. Es unterliegt im Gegensatz zu anderen nicht flüchtigen Speichern keiner Begrenzung hinsichtlich der zulässigen Anzahl von Schreib-/Lesezyklen.

Die Entwicklung des Mikrogenerators und der Multiturn-Elektronik lief in Sachen elektrischer und mechanischer Anforderungen Hand in Hand; der Datenaustausch zwischen Multiturn- und Singleturn-Teil war zu berücksichtigen. Nach dem Einschalten und bei jedem Nulldurchgang der Code-Scheibe fordert der Singleturn-Teil über die Datenleitung (Bild 4) die CPU auf, den aktuellen Stand der Umdrehungen und die letzte Position der Hall-Sensoren zu melden, damit er die Singleturn- und Multiturn-Informationen synchronisieren und zu einem Absolut-Lagewort zusammensetzen kann.

Bei Gebern mit SSI-Ausgang kann das Absolut-Lagewort direkt via SSI ausgelesen werden. Es kann aber auch (wie in Bild 4 angedeutet) einen Bus-Controller ansteuern, der die Umsetzung auf die Bus-Schnittstellen Profibus-DP oder CAN-open vornimmt. Weitere Schnittstellen (EtherCAT und BISS) sind in Vorbereitung. Als Option stehen 1024 oder 2048 Inkrementalsignale pro Umdrehung mit HTL- oder TTL-Pegel für die Drehzahlregelung zur Verfügung.

Die neuen Absolutgeber gibt es optional in elektronisch getrennter, redundanter Ausführung. Hier wird die Singleturn-Code-Scheibe mit zwei optischen Systemen abgetastet, und auf der Multiturn-Platine arbeiten zwei Mikrogeneratoren mit entsprechenden elektronischen Auswerte- und Speicherschaltungen. Die redundanten Systeme lassen sich für unterschiedliche Busschnittstellen auslegen.

Die neuen Absolutgeber haben Temperaturprüfungen, Dauerlauftests sowie Stoßeinwirkung und elektromagnetische Einflüsse mit Bravour überstanden. Das Aufmacherbild des Beitrages zeigt die neue Generation von HeavyDuty-Absolutgebern mit Vollwelle und Euroflansch B10. Die Absolutgeber gibt es bei Bedarf auch in Singleturn-Ausführung.

*Dr.-Ing. Lothar Wilhelmy leitete bis vor kurzem als Geschäftsführer die Hübner Elektromaschinen GmbH in Berlin und steht seit seiner Pensionierung dem Haus als Berater zur Verfügung.

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