Wie kann man die Resonanzfrequenz, Bandbreite und Grenzfrequenz eines Motors bestimmen?

Antwort der Redaktion

• Die Grenzfrequenz wird üblicherweise als die Frequenz definiert, bei der das Ausgangssignal auf ca. 71% des Eingangssignals absinkt. Das Verhältnis der Amplituden von Ausgangs- zu Eingangssignal beträgt demnach an der Grenzfrequenz -3dB.
  Experimentell lässt sich die Grenzfrequenz am einfachsten für einen drehzahlgeregelten Antrieb mit einem analogen Sollwerteingang und einem analogen Istwertausgang sowie mit Hilfe eines Oszilloskops und eines Frequenzgenerators bestimmen. Der Frequenzgenerator gibt die Drehzahl sinusförmig vor. Am analogen Ausgang des Antriebes wird der Drehzahlistwert abgegriffen und gemeinsam mit dem Sollwert im Oszilloskop dargestellt. Die Frequenz des Drehzahlsollwertes wird nun so lange erhöht, bis der Drehzahlistwert dem Sollwert kaum noch folgen kann und auf 71% des Sollwertes absinkt. Diese Frequenz entspricht der Grenzfrequenz.
  Hinweis: Die Amplitude des Drehzahlsollwertes muss so gewählt werden, dass innerhalb des Regelkreises keine Begrenzungen (Strom, Spannung, Drehmoment, Hochlauframpen, Glättungen etc.) wirken. Aus diesem Grund ist die Amplitude des Sollwertes im allgemeinen sehr klein. Weiterhin ist zu vermeiden, dass die analogen Ein-/Ausgänge die Signale durch eine zu geringe Bandbreite unzulässig verfälschen.
  
  
• Die Bandbreite beschreibt den Arbeitsbereich eines Antriebes. Nach oben wird er von der Grenzfrequenz begrenzt.
  Nach unten wirkt das nichtideale Verhalten der Stromwandler und Drehzahl- bzw. Lagegeber sowie die begrenzte Auflösung in der Signalverarbeitung einschränkend. Erkennbar wird dies bei sehr kleinen Drehzahlen. Die Antriebe führen dann oft keine gleichmäßige Drehbewegung mehr aus. Zum Teil kommt es sogar zu dauerhaften Abweichungen des Istwertes vom Sollwert. Im praktischen Einsatz muss das Verhalten des Antriebes bei sehr kleinen Drehzahlen experimentell an der Arbeitsmaschine untersucht werden. Dabei werden Soll- und Istwert des Drehzahl im Oszilloskop über einen entsprechend langen Zeitraum aufgezeichnet und die Abweichungen des Istwertes vom Sollwert erfasst. Anschließend muss für jeden konkreten Fall entschieden werden, ob das Verhalten des Antriebes akzeptabel ist.
  Die Hersteller geben in ihren technischen Daten oft den Stellbereich eines Antriebes an. Diese Angabe bezieht sich im allgemeinen auf die Nenndrehzahl. Mit einem Stellbereich von 1:100 wird garantiert, dass der Antrieb die ebenfalls angegebene Genauigkeit bis zu 1/100 der Nenndrehzahl einhält. Die Genauigkeit erfasst die mittlere Drehzahl in einem längeren Messzeitraum (z. B. 10 s). Sie sagt leider nichts über die Konstanz der Drehzahl bzw. ihre Schwankungsbreite aus. Da diese auch von der angeschlossenen Mechanik der Arbeitsmaschine abhängt, sind entsprechende Aussagen auch kaum möglich. Ein Hinweis auf die Schwankungsbreite kann aus der Drehmomentwelligkeit abgeleitet werden, die einige Hersteller ebenfalls für den zugelassenen Stellbereich angeben. Die Angabe der Drehmomentwelligkeit erfolgt im allgemeinen bezogen auf das Nenndrehmoment des Antriebes.
  
  
• Resonanzfrequenzen in elektrischen Antrieben haben unterschiedliche Ursachen. Sie entstehen
  • durch die diskontinuierliche Arbeitsweise und die begrenzte Signalauflösung der digitalen Signalelektronik und Messtechnik,
  • durch Wechselwirkungen des Antriebes mit der Mechanik der Arbeitsmaschine und
  • durch elektrische und mechanische Wechselwirkungen mit anderen Antrieben

  Werden elektrische Antriebe innerhalb der vom Hersteller spezifizierten technischen Grenzen betrieben, dürfen Resonanzstellen aufgrund der digitalen Arbeitsweise der Signalelektronik nicht auftreten bzw. müssen durch entsprechende Parametrierung zu beseitigen sein. Diese Resonanzstellen sind in der Praxis dadurch zu ermitteln, dass der gesamte Drehzahlstellbereich des Antriebes (ohne angekoppelte Mechanik) langsam durchfahren und der Drehzahlverlauf im Oszilloskop beobachtet wird. Treten Resonanzen auf, sind diese meist deutlich hörbar und schlagen sich in einem überdurchschnittlich welligen Drehzahlverlauf nieder.
  Bei angekoppelter Arbeitsmaschine treten häufig Resonanzfrequenzen aufgrund der begrenzten Steifigkeit von mechanischen Elementen (Wellen, Kupplungen, Riemen etc.) auf. Diese lassen sich sehr einfach dadurch ermitteln, dass man ein sprungförmiges Drehmoment in das System einbringt und anschließend den Verlauf des Drehzahlistwertes bei ausgeschaltetem Drehzahlregler im Oszilloskop beobachtet. Ist dabei noch keine eindeutige Resonanzfrequenz erkennbar, muss der Drehzahlverlauf mit einem Spektrometer untersucht werden. Das sprungförmige Drehmoment kann über den Antrieb durch Vorgabe eines entsprechenden Sollwertes und anschließendem Abschalten des Antriebes realisiert werden. Oft treten auch Resonanzfrequenzen aufgrund fehlerhafter mechanischer Bauelemente (Lagerschäden, Wellenversatz, Klebestellen an Riemen etc.) auf. Diese Resonanzstellen sind genau genommen keine Resonanzen sondern frequenzabhängige Störgrößen. Sie können im allgemeinen beim langsamen Durchfahren des Drehzahlstellbereichs gut identifiziert werden, da sie in einem festen Verhältnis zur aktuellen Drehzahl stehen.
  Resonanzstellen aufgrund von Wechselwirkungen mit anderen Antrieben sind in der Praxis oft nur schwer zu finden, da sie meist nur in ganz bestimmten Arbeitspunkten und unter speziellen Umgebungsbedingungen auftreten. Für das Auffinden und noch mehr für die Beseitigung dieser Resonanzen gibt es leider keine eindeutigen Regeln. Man ist im konkreten Fall auf die Erfahrungen des Inbetriebsetzungspersonals oder auf die Hotline des Antriebsherstellers angewiesen.