Lernfeld 12 · Prüfung Teil 2

Geber und Sensoren an Antrieben

Geber und Sensoren an Antrieben: Inkrementalgeber, Absolutwertgeber, Resolver, Kaltleiter, Pt100 und Messumformer mit 4 bis 20 mA einfach erklärt.

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Darum geht es

Ein geregelter Antrieb braucht Rückmeldungen über Drehzahl, Lage und Temperatur. Der Inkrementalgeber liefert zwei um 90° versetzte Rechteckspuren A und B und einmal je Umdrehung einen Nullimpuls. Aus der Phasenlage erkennt die Auswertung die Drehrichtung, aus der Frequenz die Drehzahl. Zählt sie alle Flanken beider Spuren (Vierfachauswertung), steigt die Auflösung auf das Vierfache der Strichzahl. Nach dem Einschalten kennt sie die Lage aber nicht, deshalb braucht die Achse eine Referenzfahrt. TTL-Geber arbeiten mit 5-V-Differenzsignalen, HTL-Geber mit 10 bis 30 V.

Absolutwertgeber kennen ihre Lage sofort nach dem Einschalten; Singleturn-Geber innerhalb einer Umdrehung, Multiturn-Geber zusätzlich über viele Umdrehungen. Sie übertragen ihre Position seriell, etwa über SSI, EnDat oder BiSS. Resolver sind kleine Drehtransformatoren ohne Elektronik und deshalb besonders robust. Synchron-Servomotoren brauchen einen Geber mit absoluter Lage, weil der Umrichter die Polradlage zur Kommutierung kennen muss; nach einem Gebertausch wird diese Lage neu abgeglichen.

Zur Temperaturüberwachung dienen Kaltleiter (PTC) in der Wicklung, die bei ihrer Nennansprechtemperatur sprunghaft hochohmig werden und über ein Auslösegerät abschalten. Für eine fortlaufende Messung werden Pt100, Pt1000 oder KTY verwendet. Messumformer geben Messwerte oft als Einheitssignal 4 bis 20 mA aus; der lebende Nullpunkt bei 4 mA macht einen Drahtbruch erkennbar. Geberleitungen müssen geschirmt und getrennt von den Motorleitungen verlegt werden, sonst führen Störungen zu falsch gezählten Impulsen.

Das solltest du dir merken

Die um 90° versetzte Spur B liefert die Drehrichtung.
Vierfachauswertung zählt alle Flanken und vervierfacht die Auflösung.
Absolutwertgeber und Resolver kennen die Lage sofort nach dem Einschalten.
Kaltleiterfühler nur mit kleiner Messspannung von höchstens etwa 2,5 V prüfen.
Bei 4 bis 20 mA entspricht der Messbereich einer Spanne von 16 mA.

Formeln

Drehzahl aus der Geberfrequenz: $n = \frac{f \cdot 60}{z}$; $n$ in min⁻¹, $f$ Frequenz einer Spur in Hz, $z$ Strichzahl je Umdrehung
Winkelauflösung mit Vierfachauswertung: $Δ α = \frac{36 0 ^{\circ}}{4 \cdot z}$; $z$ Strichzahl je Umdrehung
Pt100 (lineare Näherung): $R = R_{0} \cdot (1 + α \cdot ϑ)$; $R_{0} = 100 Ω$ bei 0 °C, $α \approx 0, 00385 K^{- 1}$ , $ϑ$ in °C
Einheitssignal 4 bis 20 mA: $I = 4 mA + 16 mA \cdot \frac{x}{x _{max}}$; $x$ Messwert, $x_{max}$ Endwert des Messbereichs (Anfang bei null)

Typische Fehler in der Prüfung

Beim Einheitssignal mit 20 mA statt mit der Spanne von 16 mA gerechnet und den Nullpunkt vergessen.
Die Strichzahl mit der Vierfachauswertung verwechselt und die Drehzahl um den Faktor 4 falsch berechnet.
Kaltleiter mit dem Isolationsmessgerät geprüft und dadurch zerstört.
Nach dem Gebertausch am Synchronmotor die Kommutierungslage nicht neu abgeglichen.

Tipps aus der Werkstatt

Beim Einheitssignal 4 bis 20 mA steht der Messbereich nur auf 16 mA, der Nullpunkt liegt bei 4 mA. In der Prüfung ist der häufigste Fehler, mit 20 mA zu rechnen oder die 4 mA zu vergessen. Und Kaltleiterfühler nie mit dem Isolationsmessgerät prüfen, höchstens etwa 2,5 V Messspannung.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

15 Aufgaben zu „Geber und Sensoren an Antrieben“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Maschinen und Antriebstechnik, Lernfeld 12 (Intelligente Systeme in bestehende Antriebssysteme integrieren). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.