Um einen Gleichstrommotor drehzahl- oder lagegeregelt zu betreiben, muss der Regler den tatsächlichen Istwert kennen. Je nach Anforderung liefert dafür ein einfacher Tachogenerator eine Analogspannung, ein Drehzahlgeber digitale Impulse oder ein Codewort, ein Resolver eine absolute Winkelposition oder ein Hallsensor die groben Schaltzustände zur elektronischen Kommutierung. Mehr zur eigentlichen Drehzahlregelung im Artikel Drehzahl regeln (PWM).
Tachogenerator
Ein Tachogenerator ist ein kleiner, mechanisch an die Motorwelle gekoppelter Hilfsgenerator. Beim klassischen DC-Tachogenerator rotiert ein Anker im Feld eines Permanentmagneten, das Signal wird über einen Kommutator abgenommen; die Ausgangsspannung ist proportional zur Drehzahl und liegt je nach Bauart grob zwischen 5 und 200 V pro 1.000 U/min, bei Drehzahlen bis etwa 12.000 U/min und einer typischen Strombelastbarkeit von rund 300 mA. Beim AC-Tachogenerator rotiert dagegen entweder eine Spule über Schleifringe oder ein Permanentmagnet in einer feststehenden Spule - hier sind sowohl Amplitude als auch Frequenz drehzahlproportional, und die Drehrichtung lässt sich über die Phasenlage bestimmen.
Ansteuerung: Die Ausgangsspannung wird meist direkt als Analogwert im Regelkreis ausgewertet, ohne dass eine digitale Signalverarbeitung nötig ist. Bei bürstenbehafteten DC-Tachogeneratoren überlagert eine kommutierungsbedingte Rippelspannung von grob 5-6 % Spitze-Spitze das Nutzsignal und muss gegebenenfalls herausgefiltert werden.
Vorteile:
- Einfache, robuste Technik ohne zusätzliche Auswerteelektronik.
- Direkte Analogspannung, die sich unmittelbar in klassische analoge Regelkreise einspeisen lässt.
- AC-Variante ohne Bürstenverschleiß möglich.
Nachteile:
- DC-Ausführung mit mechanischem Verschleiß durch eigene Bürsten und Kommutator.
- Temperaturdrift der Permanentmagnete beeinflusst die Genauigkeit.
- Keine Winkel- oder Positionsinformation, sehr geringe Drehzahlen kaum zuverlässig messbar.
- Wird in vielen Neuanwendungen zunehmend durch günstigere Inkrementalgeber verdrängt.
Einsatzgebiete: Klassische analoge Drehzahlregelkreise und Prüfstände, wo ein einfaches, unmittelbar verwertbares Drehzahlsignal benötigt wird.
Drehzahlgeber (Encoder)
Drehzahlgeber - häufig auch Encoder genannt - erfassen die Drehbewegung digital, meist optisch oder magnetisch. Optische Geber tasten eine codierte, rotierende Scheibe per LED und Fotodioden ab und erreichen Auflösungen von bis zu 10.000 Strichen bzw. rund 4.096 Schritten (12 Bit) bei einer Genauigkeit von etwa 0,015° (50 Winkelsekunden). Magnetische Geber werten dagegen die Feldänderung eines Multipol- oder Diametralmagneten mit Hallelementen oder magnetoresistiven Sensoren aus; sie kommen auf eine Genauigkeit von etwa 0,15° (500 Winkelsekunden) und benötigen für höhere Auflösungen eine zusätzliche Signalinterpolation, sind dafür aber deutlich robuster gegen Verschmutzung, Vibration und Schock als optische Varianten.
Bei inkrementellen Gebern liefern zwei um 90° elektrisch versetzte Spuren (A und B) die Zähl- und Richtungsinformation, eine zusätzliche Z-Spur einen Referenzimpuls pro Umdrehung; nach einem Stromausfall ist deshalb eine Referenzfahrt nötig, sofern keine zusätzlichen UVW-Spuren für eine grobe Rotorlage (Auflösung ab etwa 60°) zur Kommutierung vorhanden sind. Absolute Geber codieren die Position dagegen meist im Gray-Code, bei dem sich zwischen benachbarten Positionen stets nur ein Bit ändert - das ermöglicht eine sofortige Fehlererkennung und liefert die tatsächliche Position direkt nach dem Einschalten. Singleturn-Absolutgeber lösen eine Umdrehung auf, Multiturn-Ausführungen zählen zusätzlich die Umdrehungen mit, etwa über ein Getriebe, eine Pufferbatterie oder einen batterielosen Wiegand-Energy-Harvesting-Sensor.
Ansteuerung: Inkrementalsignale werden über einen Quadraturdekoder bzw. einen Zähler-Eingang in SPS oder Servoregler ausgewertet, häufig mit zusätzlicher Interpolation für eine höhere effektive Auflösung. Absolutwertgeber übertragen ihre Position über serielle Schnittstellen wie SSI (13 Bit Singleturn bzw. 25 Bit Multiturn als Standard-Datenwortlänge), BiSS, EnDat oder herstellerspezifische Protokolle wie Hiperface oder Drive-CLiQ.
Vorteile:
- Hohe bis sehr hohe Auflösung und Genauigkeit, insbesondere bei optischen Varianten.
- Absolutwertgeber liefern die Position sofort nach dem Einschalten, ohne Referenzfahrt.
- Magnetische Bauform robust, kompakt und nahezu verschleißfrei.
Nachteile:
- Inkrementelle Geber verlieren die Position bei Spannungsausfall (ohne UVW-Spuren bzw. Multiturn-Zusatz).
- Optische Varianten empfindlich gegenüber Verschmutzung, Feuchtigkeit und Vibration.
- Absolutwertgeber mit Multiturn-Funktion und hochauflösende optische Ausführungen deutlich teurer als einfache Tachogeneratoren oder Hallsensoren.
Einsatzgebiete: Servoantriebe, CNC-Maschinen, Robotik sowie allgemein die Automatisierungstechnik, wo eine genaue Dreh- oder Positionsinformation gebraucht wird.
Resolver
Ein Resolver ist ein elektromechanischer Winkelgeber nach dem Transformatorprinzip. In der heute üblichen bürstenlosen Bauform wird ein Erregersignal von typischerweise 2-20 kHz und 2-40 V Effektivspannung induktiv auf eine Rotorwicklung eingekoppelt; zwei um 90° versetzte Statorwicklungen liefern daraus amplitudenmodulierte Sinus- und Cosinus-Signale. Aus dem Verhältnis beider Signale (Winkel = Arkustangens aus Sinus- zu Cosinus-Amplitude) berechnet eine Auswerteelektronik den exakten Rotorwinkel innerhalb einer Umdrehung. Ältere Resolver-Bauformen nutzen stattdessen Schleifringe oder Bürsten zur Signalübertragung.
Ansteuerung: Ein spezieller Resolver-to-Digital-Converter (RDC), etwa der verbreitete Baustein AD2S1210, regt den Resolver an und wandelt die Sinus-/Cosinus-Signale in ein digitales Winkel- und Drehzahlsignal um, mit programmierbarer Auflösung von meist 10 bis 16 Bit. Je nach RDC-Qualität liegt die erreichbare Genauigkeit zwischen grob 5 und 0,5 Winkelminuten (rund 300 bis 30 Winkelsekunden); mit hochwertiger Auswerteelektronik werden laut Herstellerangaben auch bis zu etwa 16-18 Bit (rund 4-20 Winkelsekunden) erreicht. Diese Bandbreite schwankt zwischen Quellen, da unterschiedliche RDC-Klassen verglichen werden.
Vorteile:
- Extrem robust gegenüber Hitze, Vibration, Schmutz und elektromagnetischen Störungen - funktionsfähig laut Quellen bis über 200 °C und in rauen industriellen Umgebungen.
- Bürstenlose Bauform praktisch verschleißfrei, mit einer mittleren Lebensdauer (MTBF) von über 100.000 Stunden; in rauer Umgebung oft über 5 Jahre im Einsatz gegenüber teils nur 6-12 Monaten bei optischen Encodern.
- Liefert eine absolute Position innerhalb einer Umdrehung ohne Referenzfahrt.
Nachteile:
- Geringere Rohauflösung als hochwertige optische Encoder, sofern keine höherwertige RDC-Elektronik eingesetzt wird.
- Die Auswerteelektronik (RDC) kann in der Anschaffung 3- bis 5-mal teurer sein als der Resolver selbst.
- Baulich schwerer und größer als vergleichbare optische oder magnetische Encoder.
Einsatzgebiete: Servomotoren in rauer Umgebung, Automobil-Antriebsstränge, Luft- und Raumfahrt, Werkzeugmaschinen, Industrieroboter sowie weitere Anwendungen, in denen Temperatur- und Vibrationsfestigkeit wichtiger sind als die letzte Winkelauflösung.
Hallsensor
Ein Hallsensor ist ein Halbleiterelement, das auf ein senkrecht anliegendes Magnetfeld reagiert: Die Lorentzkraft lenkt die Ladungsträger im Element ab und erzeugt eine - zunächst nur wenige Mikrovolt kleine und daher verstärkte - Hall-Spannung. Man unterscheidet lineare Hallsensoren mit einer zur Feldstärke proportionalen, kontinuierlichen Ausgangsspannung (etwa für Strom- oder Positionssensorik) und digitale Hallsensoren mit Schmitt-Trigger-Verhalten, die bei Überschreiten eines Schwellwerts schalten.
Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) sind meist drei digitale Hallsensoren um 120° elektrisch versetzt am Rotorumfang angeordnet - mechanisch entspricht das (2/Polzahl) × 120°, bei einem 12-poligen System also nur rund ±20°. Diese drei Sensoren liefern zusammen sechs eindeutige Schaltkombinationen pro elektrischer Umdrehung und damit eine Sektorauflösung von 60° elektrisch je Schaltzustand - ausreichend für die klassische Block- bzw. Sechsschritt-Kommutierung, aber grob im Vergleich zu einem Encoder.
Ansteuerung: Die digitalen Schaltpegel der drei Hallsensoren steuern die elektronische Kommutierungslogik direkt an und funktionieren dabei auch im Stillstand und bei sehr niedriger Drehzahl - ein klarer Vorteil gegenüber sensorlosen Kommutierungsverfahren, die auf eine induzierte Spannung angewiesen sind. Moderne integrierte Hall-ICs bringen dabei bereits eine Temperaturkompensation der Schaltschwelle und eine Chopper-Technik gegen Offsetdrift mit.
Vorteile:
- Sehr kostengünstig, kompakt und praktisch verschleißfrei.
- Funktioniert zuverlässig auch bei Drehzahl null und sehr niedrigen Drehzahlen.
- Robust gegenüber Feuchtigkeit und Verschmutzung.
Nachteile:
- Geringe Winkelauflösung bei der Standard-3-Sensor-Konfiguration (nur 60°-Stufen elektrisch).
- Schaltschwelle temperaturabhängig, ohne Kompensation drift-anfällig.
- Für eine feine Positionsregelung ohne zusätzliche Interpolation ungeeignet.
Einsatzgebiete: Kommutierung bürstenloser Motoren, einfache Drehzahlmessung sowie Strom- und Positionssensorik mit linearen Hallsensoren.
Vergleich auf einen Blick
| Kriterium | Tachogenerator | Drehzahlgeber (Encoder) | Resolver | Hallsensor (3× digital) |
|---|---|---|---|---|
| Messprinzip | Elektromagnetische Induktion, Analogspannung | Optisch/magnetisch, digitale Impulse oder Codewort | Transformatorprinzip, Sinus/Cosinus + Auswerteelektronik | Hall-Effekt, digital oder linear |
| Auflösung/Genauigkeit | Keine Winkelauflösung, Rippel ca. 5-6 % (DC) | Optisch bis ca. 0,015° (50″); magnetisch ca. 0,15° (500″) | Ca. 5-0,5′ (300-30″) Standard, bis ca. 4-20″ mit hochwertiger Elektronik | 60° elektrisch je Schaltzustand (Standardkonfiguration) |
| Liefert Absolutposition | Nein | Inkremental: nein, Absolut: ja | Ja (innerhalb einer Umdrehung) | Nein (nur grobe Sektorinformation) |
| Robustheit (Temp./Vibration/EMV) | Mittel, Bürstenverschleiß und Temperaturdrift bei DC-Variante | Optisch empfindlicher, magnetisch robust | Sehr hoch, bis über 200 °C, EMV-unempfindlich | Hoch gegen Feuchte/Schmutz, Schaltschwelle temperaturabhängig |
| Kosten | Niedrig bis mittel | Magnetisch niedrig, optisch/Multiturn mittel bis hoch | Resolver moderat, Auswerteelektronik 3-5x teurer | Sehr niedrig |
| Lebensdauer/Verschleiß | DC mit Bürstenverschleiß, AC bürstenlos wartungsarm | Optisch ggf. nur Monate in rauer Umgebung, magnetisch langlebig | Nahezu verschleißfrei, MTBF >100.000 h | Verschleißfrei |
Eignung als Rückführsignal
| Sensortyp | Drehzahlregelung | Positionsregelung/Kommutierung |
|---|---|---|
| Tachogenerator | Ja, klassischer Analogwert | Nein, keine Winkelinformation |
| Drehzahlgeber (inkremental) | Ja, aus der Impulsfrequenz | Bedingt, mit UVW-Zusatzspuren für grobe Kommutierung geeignet |
| Drehzahlgeber (absolut) | Ja, aus der Positionsänderung | Ja, Standard bei hochpräziser Servoregelung |
| Resolver | Ja, moderne RDC-Bausteine liefern Position und Drehzahl direkt | Ja, Standard für Kommutierung in rauen oder heißen Umgebungen |
| Hallsensor (3× digital) | Bedingt, grob aus der Schaltflankenfrequenz | Ja für die Blockkommutierung, für feine Positionsregelung ungeeignet |
Welches Rückführsystem die wirtschaftlichste Lösung für Ihre Anwendung ist, hängt stark von Umgebungsbedingungen, geforderter Genauigkeit und Budget ab - wir legen das gemeinsam im Rahmen der Motorauslegung fest. Mehr zur grundsätzlichen Motorauswahl im Artikel Bürstenmotor oder bürstenloser Motor?.
Häufige Fragen
Welche Rückführsysteme gibt es zur Drehzahl- und Positionserfassung bei Gleichstrommotoren?
Die gängigsten sind der Tachogenerator (analoge Drehzahlspannung), der Drehzahlgeber bzw. Encoder (digitale Impulse oder Codewort), der Resolver (elektromagnetischer Winkelgeber) und der Hallsensor (Magnetfeldschalter, vor allem zur Kommutierung bürstenloser Motoren).
Was ist der Unterschied zwischen Tachogenerator und Drehzahlgeber (Encoder)?
Ein Tachogenerator liefert eine zur Drehzahl proportionale Analogspannung ohne Winkelinformation. Ein Drehzahlgeber (Encoder) liefert dagegen digitale Impulse oder ein Codewort, aus dem sich sowohl Drehzahl als auch - bei entsprechender Bauart - die genaue Winkelposition ableiten lässt.
Was unterscheidet einen inkrementellen von einem absoluten Drehzahlgeber?
Ein inkrementeller Geber zählt Schritte ab einem Referenzpunkt und verliert die Position bei Stromausfall, bis eine Referenzfahrt erfolgt. Ein absoluter Geber liefert dagegen über einen Gray-Code oder ein serielles Protokoll sofort nach dem Einschalten die tatsächliche Winkel- bzw. bei Multiturn-Ausführung auch die Umdrehungsposition.
Wie funktioniert ein Resolver und warum ist er so robust?
Ein Resolver koppelt ein Erregersignal nach dem Transformatorprinzip auf den Rotor ein; zwei um 90 Grad versetzte Statorwicklungen liefern daraus amplitudenmodulierte Sinus- und Cosinus-Signale, aus denen eine Auswerteelektronik den Winkel berechnet. Da er bürstenlos arbeitet und ohne empfindliche Halbleiter-Optik auskommt, verträgt er hohe Temperaturen, Vibration und elektromagnetische Störungen deutlich besser als optische Encoder.
Warum werden Hallsensoren bei bürstenlosen Motoren eingesetzt?
Drei Hallsensoren, die um 120 Grad elektrisch versetzt am Rotorumfang angeordnet sind, liefern sechs eindeutige Schaltzustände pro elektrischer Umdrehung. Das reicht aus, um die elektronische Kommutierung eines bürstenlosen Motors auszulösen - auch im Stillstand und bei sehr niedriger Drehzahl, wo sensorlose Verfahren an ihre Grenzen stoßen.
Welcher Sensor eignet sich am besten für eine präzise Positionsregelung?
Für höchste Genauigkeit eignen sich optische Absolutwertgeber am besten. Wo Robustheit gegenüber Hitze, Vibration und Verschmutzung wichtiger ist als die letzte Winkelauflösung, ist der Resolver die belastbarere Wahl - er liefert ebenfalls eine absolute Position innerhalb einer Umdrehung.
Wie wird ein Resolversignal ausgewertet?
Ein spezieller Resolver-to-Digital-Converter-Baustein (RDC) oder eine entsprechende Funktion im Servoregler regt den Resolver mit einem Wechselsignal im Kilohertz-Bereich an und berechnet aus dem Verhältnis der beiden Statorsignale den aktuellen Rotorwinkel sowie häufig auch die Drehzahl.
Kann ein Hallsensor auch die Drehzahl messen?
Ja, näherungsweise: Aus der Frequenz der Schaltflanken lässt sich die Drehzahl ableiten. Für eine feine Positionsregelung reicht die grobe Sektorauflösung der Standard-Hallsensor-Anordnung von 60 Grad elektrisch pro Schaltzustand jedoch nicht aus.
Quellen (Auswahl): Wikipedia: Tachogenerator, elektro.net: Durchblick im Drehgeber-Dschungel, Wikipedia: Drehgeber, Wikipedia: Absolutwertgeber, Wikipedia: Resolver, Digi-Key: Resolver-Auswertung, encoder.com: Encoders vs. Resolvers, RS Online: Hall-Sensoren-Leitfaden, Elektronikpraxis: Winkelsensoren und Hall-Schalter, Wikipedia: Bürstenloser Gleichstrommotor.
Motorauslegung anfragen