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antriebstechnik 5/2018

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14 Programmablauf der

14 Programmablauf der Main-Loop So ergibt sich für jeden Messpunkt einer Sinusgröße deren maximale Amplitude schon vor dem Erreichen des Scheitelpunktes. Die allgemeine Herleitung des mathematischen Zusammenhangs zwischen Abstand s zum Zielmaterial und der resultierenden Spannungsamplitude kann aus [5] entnommen werden. Da die Sensorkurve über die lineare Abstandsänderung zum Zielmaterial nahezu einer umgekehrten Wurzelfunktion ähnelt, kann in der Schaltungspraxis auf die mathematische Wurzel verzichtet werden. Ideale D-Glieder sind in der Praxis nicht umsetzbar. Darum erhält die Differentiation einen Realisierungspol. Dieser verursacht eine minimale Phasendifferenz zum Integrator, was sich in einem der Gleichspannung überlagerten geringen Wechselanteil doppelter Trägerfrequenz äußert. Dies wiederum kann aber leicht durch einen nachgeschalteten Tiefpass 1. Ordnung nahezu eliminiert werden. Um Drifterscheinungen des Integrators vorzubeugen, legt man diesen als PT1-Glied hoher Verstärkung aus. Der Schaltungsaufbau erfolgt nun nach dem Blockschaltbild (siehe Bild 08). Eigenschaften der Sensorspulen Der Fokus des dem Beitrag zugrunde liegenden Projektes lag hauptsächlich auf der Speise- und Auswerteelektronik von Wirbelstromsensoren, nicht aber in der optimalen Auslegung der Sensoren selbst. Parasitäre Eigenschaften zwischen Anschlussleitung und Umgebung, wie geerdete oder nichtgeerdete metallische Unterlagen und Durchführungen, Bildung von Zuleitungsschlaufen oder Berührungen mit der Hand, haben jedoch Auswirkung auf das Ausgangssignal der Schaltung. Einige dieser negativen Einflussfaktoren konnten durch das Schaltungsdesign eliminiert werden, andere hingegen hängen direkt vom Aufbau des Sensors inklusive dessen Anschlussleitung ab. Darum erwiesen sich für die proto typischen Untersuchungen die Fertigung mehrerer eigener Sensor aufbauten mit entsprechend verschiedenen Anschlussleitungen in folgenden Ausführungen als sinnvoll: n Ungeschirmte 2-Ader-Leitung n Koaxiale 2-Ader-Leitung, einfach geschirmt, Schirm geerdet jedoch nicht als Rückleiter verwendet n Koaxiale 2-Ader-Leitung, doppelt geschirmt, Schirm geerdet jedoch nicht als Rückleiter verwendet n Koaxiale Leitung mit Schirm als Rückleiter n Einfluss verschiedener Leitungslängen (1, 1,5, 2 m) unter Berücksichtigung verschiedener Induktivitäten der Sensorspulen (250, 100, 70, 40 µH) Die besten Ergebnisse in Hinsicht der o. g. Einfluss faktoren lieferte die 70 µH koaxiale Leitung mit Schirm als Rück leiter. Hierzu wurden drei Sensoren identisch gemäß Bild 09 und 10 aufgebaut. Die Kurvenform der analogen Auswerteschaltung ist in allen Untersuchungen nahezu identisch und im mittleren Bereich linear. Ist eine Linearisierung bis hinein in die Randbereiche gewünscht, kann dies adäquat, auch automatisiert, erfolgen. Ähnlich wie bei der z-Transformation von linearen Übertragungsgliedern, steht hier durch eine deterministische Abstandsänderung auch jeweils ein Messwert zur Verfügung. Die Kurve lässt sich nun über die Rücktransformation in eine lineare Gleichung überführen, die Bildung einer effizienten Look-Up-Tabelle ist für jede Quantisierungsstufe des ADC möglich. Eine Einschränkung darf hierbei nicht außer Acht gelassen werden: Die Auflösung nimmt in den Randbereichen bei sinkendem Anstieg der Sensorkurve ab. Die Anforderung, eine möglichst hohe Grenzfrequenz zu erreichen, galt als die am höchsten priorisierte Motivation des Projektes, denn den Applikationsschwerpunkt für das Sensorsystem bildeten aktive Magnetlager. Die mechanische Frequenz des zu regelnden Systems steigt dort mit sinkender Masse des Rotors stark an [6]. Die Grenzfrequenz der Abstandserfassung mechanisch zu prüfen ist kaum oder nur unter enormen Aufwand möglich. Da die Trägerfrequenz so hoch ist, dass diese mechanisch im Anwendungsfall nie auftritt, ist es praktisch, dass Sensorsignal elektrisch mit einem rechteckig amplitudenmodulierten Sinussignal per Funktionsgenerator in die Auswerteelektronik zu speisen. Diese Vorgehens- Hersteller-Merkmal Eddy NCDT 3010 von Micro-Epsilon Art und Weise des Abgleichs 3-Punkt-Linearisierung über Potentiometer Synchronisationsmöglichkeit Durch Zubehör/Kabel zu mehreren Sensoren Eddy NCDT 3100 von Micro-Epsilon Webinterface Durch Zubehör/Kabel MNHμCON-24V RM von Messotron Konfigurationsschnittstelle Keine Angabe VMS 830 von Meggitt Potentiometer und DIP-Schalter 2-Kanal-System verfügbar Im Beitrag beschriebene Lösung der WHZ Automatisiert bei Betätigung eines Tasters 2 Sensoren arbeiten synchron Art der Auswerteelektronik Analog Mixed Signal Analog Mixed Signal Mixed Signal Variable Sensorleitungslänge Verschiedene vordefinierte Längen Verschiedene vordefinierte Längen Verschiedene vordefinierte Längen Verschiedene vordefinierte Längen Bandbreite / Dynamik 25 kHz 25 kHz 10 kHz 5 kHz 160 kHz Parameterangaben ausgewählter Hersteller diverser Wirbelstrom-Abstandserfassungen [7] In verschiedenen Längenbereichen frei wählbar 64 antriebstechnik 5/2018

SENSORIK UND MESSTECHNIK weise ist auch von Seiten der Hersteller am Markt befindlicher Messwertsysteme bekannt. Die Kurve der Sprungantwort (rot, Bild 12) zeigt das PT1-Verhalten des Trägertiefpasses. Hier liegt die – 3 dB Eckfrequenz (rote Kurve Bild 13) des prototypischen Aufbaus bei 160 kHz. 15 Programmablauf am Beispiel des automatisierten Abgleichvorgangs zum Maximalwert Aufbau der Mikrocontroller-Programme Als Schnittstelle zwischen digitalen und analogen Schaltungskomponenten steht ein Mikrocontroller mit integrierten ARM-Cortex-M4- Prozessorkern zur Verfügung. Der Einsatz eines Discovery-Boards mit dem STM32F429 der Firma STMicroelectronics, hielt die für den Digitalteil des Prototyps notwendigen Schaltungskosten extrem niedrig. Die auf dem Board befindliche Zusatzhardware, wie TFT-LCD, Taster, LEDs, Speicherbausteine und vor allem die Programmierschnittstelle und der Debugger per USB reduzierten den Entwicklungsaufwand des Prototyps. Als Programmierumgebung kam die leistungsfähige Toolchain Microcontroller Development Kit (MDK) der Firma armKeil zum Einsatz. Nach der Initialisierung aller notwendigen Peripheriebaugruppen schließt sich die Main-Loop des Programms an. Das Einlesen der Messwerte erfolgt mit einem Analog Digital Konverter (ADC) pro Sensor-Kanal. Dieser läuft im Continuous-Conversion-Mode, d. h. sobald ein Messwert vorliegt, startet sofort das Einlesen eines neuen Wertes. Im Mikrocontroller sind zwei ADCs im Parallelbetrieb. Somit ist zeitgleich das Auslesen von zwei Sensoren möglich. Der Datenverkehr geschieht im Hintergrund mit dem Direct-Memory-Access (DMA), ohne den Prozessor dabei rechenzeitmäßig zu belasten. Im gewählten Modus liegt die Abtastzeit laut Datenblatt für einen 12-Bit-großen Messwert bei 15 Zyklen und die Umwandlungszeit bei zwölf Zyklen. Bei einer ADC-Taktfrequenz von 22,5 MHz liegt die Abtastrate zum Einlesen der Messwerte: Und damit ausreichend über den gemessenen 160 kHz des analogen Teils der Schaltung, um die Echtzeitfähigkeit zu garantieren. Zu Beginn des automatisierten Abgleichvorgangs wird die Verstärkung des Digitalpotentiometers, bei möglichst größter Entfernung des Sensors zum Zielmaterial, auf das Minimum gestellt. Das garantiert, dass die Ausgangsspannung des Systems nicht den Maximalbereich des ADC überschreitet. In Abhängigkeit des einzusetzenden Sensortyps tastet der DDS den eingestellten Frequenzbereich von 1,7 bis 1,85 MHz mit einer Sprungweite von 5 Hz ab. Die analog demodulierte Spannungsamplitude am ADC des Mikrokontrollers schließt den automatisierten Prozess zum Finden des Resonanzpunktes ab. Nun folgt die automatische Einstellung der Signalverstärkung auf den Maximalwert des ADC-Bereichs mit programmierbaren Halbleiterpotentiometern. Der automatische Abgleich zum Minimum gestaltet sich ähnlich. Fazit Im Zuge des realisierten Projektes konnte die praktische Anwendung des momentanen Scheitelwertverfahrens zur Erfassung des Abstandes nach dem Wirbelstromsensor-Prinzip erfolgreich demonstriert werden. Die analoge Auswerteschaltung erreicht bei diesem System eine deutlich höhere Grenzfrequenz (Tabelle) als die von derzeit auf dem Markt befindlichen, vergleichbaren Systemen, bei denen hohe Dynamiken nur durch Messbereichseinschränkungen möglich sind. Zudem erleichtert der hier entwickelte automatische Abgleich das Einstellen der Parameter der Folgeelektronik enorm und spart damit auch sehr viel Zeit innerhalb des Wartungszeitraums einer Anlage. Ein besonderes Augenmerk sei darauf gerichtet, dass der Einsatz digitaler und analoger Techniken einer sinnhaften und präzisen Abwägung zwischen Anwendbarkeit und Realisierung unterliegen muss. Dabei bilden die erreichten Ergebnisse eine erfolgversprechende Grundlage, d. h. einen soliden Ausgangspunkt für eine im Weiteren zu erwägende Überführung in ein Serienprodukt. Fotos: 01: EAAT GmbH Chemnitz; 02+03: Siemens Literaturverzeichnis: [1] Böge, Wolfgang; Plaßmann, Wilfried. „Formeln und Tabellen Elektrotechnik“; Wiesbaden, Vieweg Verlag, 2007, ISBN 978-3-528-03973-8 [2] Karki, James. „Voltage Feedback vs. Current Feedback OP Amps“; Texas Instruments, 1998, SLVA051 [3] Papula, Lothar. „Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler Band 1“; Wiesbaden, 2009, ISBN 978-3-8348-0545-4 [4] Tietze, U. und Schenk, Ch. „Halbleiter-Schaltungstechnik“; Berlin Heidelberg, Springer Verlag, 2010, ISBN 978-3-642-01621-9 [5] Mosig Patrick, Diplomarbeit „Alternative Abstandserfassung mit Wirbelstromsensoren“; November 2016 [6] EAAT GmbH Chemnitz, Elektrische Automatisierungs- und Antriebstechnik Gottfried-Schenker-Straße 4, 09244 Lichtenau [7] Internet-Datenblattangaben aus dem Produktportfolio des jeweiligen Herstellers antriebstechnik 5/2018 65

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