Beschleunigungssensoren nach dem Ferraris-Prinzip für rotative und lineare Antriebe

1. Ferraris-Sensoren zur Systemanalyse

Geregelte Antriebe sind immer größeren Forderungen hinsichtlich Dynamik, Gleichlauf und Störsteifigkeit ausgesetzt. Dazu müssen Schwingungen möglichst reduziert werden, auch um Verschleiß vorzubeugen oder unerwünschte Effekte wie Wärme- und Geräuschentwicklung zu unterbinden.

Für eine genaue Analyse des dynamischen Verhaltens eines Antriebssystems ist die Beschleunigung als Zustandsgröße unerlässlich. 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 üblicherweise ein Lagesensor zur Istwert-Erfassung eingesetzt wird, könnte man die Beschleunigung - theoretisch - durch zweifache Differentiation aus dem Lagesignal gewinnen. Praktisch wäre ein so generiertes Signal unbrauchbar, da jede Differentiation vorhandene Fehler noch verstärkt, eine zweifache Differention gar 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 - von der Verstärkung sonstiger Fehler ganz zu schweigen. Zur Analyse hochdynamischer Systeme muss die Beschleunigung also direkt gemessen werden.

Klassische Beschleunigungssensoren nach dem Feder-Masse-Prinzip bergen potentielle Nachteile: Sie messen die absolute, nicht die unter Umständen interessierende relative Beschleunigung. Man denke hier beispielsweise an die Handachse eines Roboters, die ihrerseits auf einer Rundachse montiert ist und bei der man die Dynamik der Handbewegung relativ zu 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: zur Energieversorgung und Signalübertragung müssen dann Schleifringe oder berührungslose Übertragungsformen wie Drehtransformatoren oder Telemetrie-Übertragungssysteme eingesetzt werden.

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 Drehbeschleunigungsmessung um eine Scheibe, im Falle einer Linearbeschleunigungsmessung um einen Blechstreifen handeln (siehe obiges Bild). Die Wirbelströme und die durch sie hervorgerufenen Magnetfelder sind proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Scheibe beziehungsweise zur Lineargeschwindigkeit 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 übrigens seit langem in Stromzählern verwendet. Entscheidend: Die Differentiation basiert nicht auf zeitdiskreter Abtastung, sondern ist physikalisches Prinzip, so dass der Anwender ein dynamisches und rauscharmes Beschleunigungssignal erhält.