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Drehzahl- und Lagegeber

 

Resolver

Der Resolver ist ein rotatorischer Lagegeber. Innerhalb einer Polteilung liefert er ein absolutes Lagesignal. Der Resolver arbeitet induktiv und kommt im Geber selbst ohne elektronische Bauelemente aus. Resolver sind deshalb robust und kostengünstig.

 

Funktionsprinzip

Die Erregerwicklung wird mit einem hochfrequenten Erregersignal (2 kHz bis 10 kHz), das in der Auswerteelektronik gebildet wird, beaufschlagt. Über einen Drehtransformator wird dieses Signal auf den rotierenden Teil des Resolvers, der mit der Motorwelle verbunden ist, übertragen. Die Sekundärwicklung des Drehtransformators speist die kurzgeschlossene Läuferwicklung. In der Läuferwicklung fließt ein Kurzschlussstrom mit der gleichen Frequenz wie das Erregersignal.
Der Kurzschlussstrom ruft ein pulsierendes Magnetfeld hervor. Dieses Magnetfeld durchsetzt auch die Messwicklungen 1 und 2, die im Ständer des Resolvers angeordnet sind. Das pulsierende Magnetfeld induziert in den Messwicklungen elektrische Spannungen, die von der Auswerteelektronik erfasst werden. Die gemessenen Spannungen pulsieren mit der gleichen Frequenz und Phasenlage wie das Erregersignal. Ihre Amplituden sind jedoch von der Stellung der Läuferwicklung abhängig. Stehen Läufer- und Messwicklung parallel, durchsetzt das Magnetfeld des Läufers die Messspule vollständig und die induzierte Spannung ist maximal. Stehen Läuferwicklung und Messwicklung im rechten Winkel zueinander, wird in der Messspule keine Spannung induziert.
Die Amplitude der induzierten Spannung verläuft damit als Sinusfunktion in Abhängigkeit von der Lage der Läuferwicklung. Da eine einzelne Sinusfunktion keinen eindeutigen Rückschluss auf die aktuelle Lage zulässt, wird zusätzlich eine zweite, um 90° versetzt angeordnete Messspule verwendet. Sie liefert eine Cosinusfunktion in Abhängigkeit von der Lage der Läuferwicklung. Die Auswertung beider Signale ermöglicht eine eindeutige Berechnung der aktuellen Lage.

An den Messwicklungen 1 und 2 wird ein Signal bereitgestellt, das das Erregersignal mit einer überlagerten Hüllkurve enthält. Die eigentliche Lageinformation liegt in der Hüllkurve. Diese muss aus den Messsignalen extrahiert werden. Dazu wird das Messsignal von der Auswerteelektronik mit einem Analog-Digital-Wandler immer genau dann abgetastet, wenn das Erregersignal sein Maximum erreicht. Da das Erregersignal in der Auswerteelektronik gebildet wird, sind die erforderlichen Abtastzeitpunkte exakt bekannt. Die Auswertelektronik erfasst damit lediglich die Scheitelwerte der Messsignale und eliminiert auf diese Weise das Erregersignal. Übrig bleiben sinus- bzw. cosinusförmige Signalverläufe, die die eigentliche Lageinformation enthalten. Über die Gleichung

alpha = arctan(Messsignal 1 / Messsignal 2)

lässt sich der Lagewinkel alpha berechnen. Diese Aufgabe übernimmt im allgemeinen die Software des Stellgerätes.

 

Polpaare

Resolver können mit mehr als einem Polpaar ausgeführt werden. Ist letzteres der Fall besteht die Läuferwicklung aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelwicklungen, die um eine feste Schrittweite gegeneinander verdreht angeordnet sind. Bei einer mechanischen Umdrehung durchläuft der gemessene Winkel dann mehrfach den Bereich von 0° bis 360°.
Dient der Resolver zur Erfassung der Läuferlage an einem Synchronmotor, hat er entweder die Polpaarzahl 1 oder die gleiche Polpaarzahl wie der Synchronmotor. Nur unter dieser Bedingung kann die Lage des Magnetfeldes im Synchronmotor eindeutig bestimmt und der Strom optimal in die Ständerwicklungen des Motors eingeprägt werden.