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Inhalt:

Kontaktloser Resonant Gekoppelter Induktiver Absolut Positionssensor für Lineare Position und Drehwinkel Messanwendungen

Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Aschenbrenner

   

Betreuer und 1. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

2. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Oszkar Biro

Rigorosum:

14. Juli 2015

Das Ziel dieser Arbeit war, einen neuartigen absolutmessenden Winkelmesssensor für Durchgangswellen zu entwickeln.
Eine Herausforderung bestand darin dieses Winkelmesssystem so schlank zu entwickeln, dass dieses in den Lagerdeckel eines Kugellagers integriert werden kann.
Die Firma SKF Österreich AG beauftragte das Austrian Center of Competence in Mechatronics (ACCM) mit dieser Forschungsarbeit.
Das entwickelte Sensorprinzip ist ähnlich dem Prinzip eines Resolvers, jedoch wird der Sensor in einer planaren Ausführung über Platinentechnologie realisiert.
Der Sensor besteht aus einer entsprechend dem Durchmessers des Kugellagers flexiblen Antennenplatine, die sich der Krümmung des Lagerdeckels anpasst und somit die Welle kreisförmig umschließt.
Neben einer rechteckigen Anregespule beinhaltet die Antennenplatine zwei Paare sinusförmiger Positionsmessspulen mit zwei unterschiedlichen Periodenlängen.
Die Abwicklung der Antennenplatine ist in der Abbildung 1 dargestellt.
Der Positionsgeber ist ein serieller RLC Schwingkreis, welcher in Abbildung 2 dargestellt ist.
Dieser berührungslose, induktive und absolute Positionssensor ist für raue Industrieumgebungen geeignet, misst Absolutpositionen über einen relativ weiten Messbereich, bietet eine präzise Positionsauflösung, und kann gleichzeitig mehrere Positionsgeber an unterschiedlichen Stellen entlang der Messachse erfassen.
Die Absolutpositionsauflösung wurde verbessert durch das Hinzufügen einer Nonius-Positionsmessspule die mehrere Perioden entlang der Antennenplatine aufweist. Je nach gewählter Anregung ist das positionsgeber abhängige Ausgangssignal amplitudenmoduliert oder phasenmoduliert. Durch die Verwendung von gekoppelten Resonanzen konnte die schwache induktive Koppelung zwischen der rechteckigen Anregespule und Positionsgeberspule kompensiert werden.
Die Berechnung der Cramer-Rao-Lower-Bound erlaubt die kleinste mögliche erreichbare Unsicherheit der Positionsmessung zu evaluieren.

Parasitäre Effekte wurden analysiert und es wurden Methoden entwickelt um diese parasitären Effekte zu reduzieren.
Die Methode des Bandpassunterabtasten wurde angewandt um die amplitudenmodulierten Sensorsignale zu demodulieren und diskretisieren. Ein Prüfstand für die Verifikation des entwickelten Drehwinkelsensors wurde konstruiert, und die Messergebnisse dieser Verifikation wurden im Detail analysiert.

Abbildung 1:  Die Antennenplatine beinhaltet die rechteckige Anregespule und zwei Paare der Positionsmessspulen mit zwei unterschiedlichen Periodenlängen. Diese Positionsmessspulen ermöglichen eine absolute und präzise Positionsmessung.

Abbildung 1: Die Antennenplatine beinhaltet die rechteckige Anregespule und zwei Paare der Positionsmessspulen mit zwei unterschiedlichen Periodenlängen. Diese Positionsmessspulen ermöglichen eine absolute und präzise Positionsmessung.

Abbildung 2:  Abbildung 2: Die Abbildung zeigt den Positionsgeber, der als passiver RLC Serienschwingkreis ausgeführt ist. Die rechteckige Spule ist über vier Leiterschichten auf der Platine verteilt.  Jede Leiterschicht enthält fünf Windungen.

Abbildung 2: Die Abbildung zeigt den Positionsgeber, der als passiver RLC Serienschwingkreis ausgeführt ist. Die rechteckige Spule ist über vier Leiterschichten auf der Platine verteilt. Jede Leiterschicht enthält fünf Windungen.

Keywords: Induktiver Positionssensor, Gekoppelte Resonanzen, Durchgangswelle, Bandpassunterabtastung, Cramer-Rao-Ungleichung, Absolute Positions-Messung

Die Arbeit ist gesperrt ab 13. Juli 2015 für die Dauer von 5 Jahren.