Besser durch Ferraris

Ferraris-Sensoren - Relativbeschleunigungssensoren nach dem Ferraris-Prinzip leisten wertvolle Dienste, wenn es darum geht, Antriebssysteme zu analysieren und um die Qualität der Gesamtanlage zu verbessern.

11. Februar 2007

Eine unerlässliche Zustandsgröße für eine genaue Analyse des dynamischen Verhaltens eines Antriebssystems ist die Beschleunigung. Denn mit ihr steht jene Größe zur Verfügung, die die unmittelbare und unverzögerte Reaktion einer zu bewegenden Masse auf alle einwirkenden Kräfte repräsentiert.

Geht man davon aus, dass beim typischen Antriebsregelkreis ein Lagesensor zur Istwert-Erfassung eingesetzt wird, könnte man die Beschleunigung theoretisch durch zweifache Differentiation aus dem Lagesignal gewinnen. Praktisch jedoch wäre ein auf diese Weise generiertes Signal unbrauchbar, da jede Differentiation vorhandene Fehler noch verstärkt, und erst recht eine zweifache Differentiation zwangsläufig zu einem stark verrauschten Signal führen würde. Noch kritischer wird die Situation bei hochdynamischen Systemen: Hier wäre selbst ein direkt zur Verfügung stehendes Geschwindigkeitssignal, beispielsweise das Ausgangssignal eines Tachogenerators, nicht geeignet, ein gutes Beschleunigungssignal zu generieren. Denn allein die für Regelung hier erforderliche kurze Abtastzeit führt schon bei einfacher Differentiation zu großen Quantisierungsfehlern - ganz zu schweigen von der Verstärkung sonstiger Fehler. Zur Analyse hochdynamischer Systeme muss die Beschleunigung also direkt gemessen werden.

Klassische Beschleunigungssensoren nach dem Feder-Masse-Prinzip haben Nachteile: Sie messen die absolute, nicht die unter Umständen interessierende relative Beschleunigung. Man denke hier beispielsweise an die Handachse eines Roboters, die auf einer Rundachse montiert ist und bei der man die Dynamik der Handbewegung relativ zur Bewegung der übergeordneten Rundachse erfassen möchte. Weiterhin hat ein Feder-Masse-System häufig eine Empfindlichkeit quer zur eigentlichen Messrichtung, die den interessierenden Messwert gegebenenfalls verfälscht. Ein solcher Effekt kann zum Beispiel auftreten beim Schlitten einer Werkzeugmaschine, der sich in x-Richtung bewegt und montiert ist auf einem unterlagerten Schlitten, der gleichzeitig in y-Richtung verfährt. Darüber hinaus ist der Einsatz von absoluten Beschleunigungssensoren gerade bei Drehbewegungen sehr aufwendig, weil zur Energieversorgung und Signalübertragung Schleifringe oder berührungslose Übertragungsformen wie Drehtransformatoren oder Telemetrie-Übertragungssysteme eingesetzt werden müssen.

Verbesserte Analyse

Deutliche Verbesserungen bei der Analyse von Antriebssystemen ermöglicht der Einsatz von Relativbeschleunigungssensoren nach dem Ferraris-Prinzip, das auf den Italiener Galileo Ferraris zurückgeht. Hier induzieren in einer feststehenden Aufnehmereinheit montierte Permanentmagnete Wirbelströme in einem sich bewegenden, elektrisch leitenden und nichtmagnetischen Material. Bei letzterem kann es sich im Falle der Drehbeschleunigungs-messung um eine Scheibe, im Falle einer Linearbeschleunigungsmessung um einen Blechstreifen handeln. Die Wirbelströme und die durch sie hervorgerufenen Magnetfelder sind proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Scheibe beziehungsweise zur Linear-geschwindigkeit des Blechstreifens. Änderungen der Wirbelströme induzieren eine Spannung in ebenfalls in der Aufnehmereinheit montierten Spulen, die proportional ist zur Änderung der Geschwindigkeit und damit proportional zur Beschleunigung. Das Umkehrprinzip des hier beschriebenen Verfahrens wird seit langem in Stromzählern verwendet. Entscheidend ist dabei, dass die Differentiation nicht auf zeitdiskreter Abtastung basiert, sondern ein physikalisches Prinzip ist, das ein dynamisches und rauscharmes Beschleunigungssignal liefert. Auch wenn das Verfahren zunächst recht schlicht erscheinen mag, war für die Optimierung des Sensors in Richtung eines praxistauglichen Einsatzes nicht unerhebliche Entwicklungsarbeit erforderlich. Beispielsweise wird erst durch eine spezielle, patentierte Anordnung mehrerer Permanentmagnete und Aufnehmerspulen sicher gestellt, dass elektromagnetische Fremdfelder, wie sie insbesondere bei elektrischen Antrieben auftreten können, das Messsignal nicht beeinflussen. Letztlich geht es - in den oft kundenspezifisch erarbeiteten Anpassungen - immer darum, die Vorzüge des Ferraris-Sensors für den konkreten Einsatzfall optimal zum Tragen zu bringen und gleichzeitig den Einfluss begrenzender Effekte, zum Beispiel die Wirkung des Sensors als ›Wirbelstrombremse‹, so weit möglich zu reduzieren. Insbesondere bei Prüfständen aller Art hat sich der Ferraris-Sensor bereits einen festen Platz erobert. Hier wird er zum Beispiel für folgende Aufgaben eingesetzt: Schwingungsanalyse, Gleichlauftest, Identifikation mechanischer Parameter (Masse, Trägheitsmoment, Dämpfung), Kraft-, Momenten- und Reibungsrekonstruktion, Detektion der Ursachen unerwünschter Geräusche, Motor- und Lagerüberwachung und last, not least zur Frequenzgangmessung.

Ralf Schenk, Leiter Produktmarketing,

Bernhard Hiller, Entwicklungsleiter,

Hübner Elektromaschinen GmbH

Fakten:

• Vorteile der Ferraris-Beschleunigungssensoren sind u. a. das relative, berührungslose und aktive Messprinzip.

• Die hohe Linerarität und Empfindlichkeit, das Fehlen der unteren Grenzfrequenz und die hohe Bandbreite.

• Sehr geringes Rauschen, prinzipbedingt keine Offsetspannung, keine Empfindlichkeit quer zur Messrichtung, kompakte Größe und die einfache Montage.

Erschienen in Ausgabe: 01/2007