Realisierung eines optischen Sensorsystems zur Rotorpositions- und Drehzahlerfassung für hochdrehende magnetisch gelagerte Schwungradspeicher

Abstract

Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde die Funktion eines berührungslosen optischen Abstandssensors, welcher basierend auf dem intensiometrischen Prinzip arbeitet, untersucht. Reflexionslichtsensoren die nach diesem Prinzip arbeiten, bestehen im einfachsten Fall aus einer Leuchtdiode und einer parallel dazu angeordneten Fotodiode. Im Speziellen wurde die Erfassung des Abstandes zwischen dem Sensor und einem rotierenden Objekt untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein reflexionskompensiertes Sensorkonzept entwickelt und getestet. Ausgehend von der Vorarbeit und den Ergebnissen aus der vom Autor verfassten Bachelorarbeit \cite{bachelor} wurde das Sensorprinzip weiter optimiert und verbessert. Zunächst wurde ein analytisches Modell für das optische Messprinzip herangezogen und adaptiert. Mit diesem Modell war es möglich, die Abstandscharakteristik unter Variation der grundlegenden Sensorabmessungen zu beschreiben. Um, wie gefordert, auch den Abstand zu einem rotierenden Objekte zu erfassen, bei dem sich der Reflexionsgrad über den Umfang ändert, wurde das erwähnte Modell auf das reflexionskompensierte Sensorkonzept erweitert. Das reflexionskompensierte Sensorprinzip basiert auf der gleichzeitigen Erfassung des Sperrstroms zweier Fotodioden. Diese beiden Fotodioden besitzen einen unterschiedlichen Abstand zur LED, wodurch auch zwei ungleiche Abstandskennlinien gegeben sind. Für die Auslegung des analogen Transimpedanzverstärkers, der Sperrstrom der Fotodiode in ein Spannungssignal wandelt wurde ein analytisches Modell herangezogen. Die Verifizierung der analytischen Berechnung erfolgte mit dem Simulationsprogramm PSpice. Mit den Ergebnissen der Berechnung wurde ein Prototyp des optischen Sensors realisiert. Entsprechend aktueller Entwicklungstendenzen wurde der Sensor, mittels Mikrocontroller, mit einem digitalen Interface mit CAN-Bus Funtionalität ausgestattet. Der entwickelte Prototyp besteht aus einer analogen und einer digitalen Schaltung und wurde am Institut für Mechanik und Mechatronik geätzt und bestückt. Zur Validierung des Sensors wurde ein Rotorsensorprüfstand konstruiert und gebaut. Dieser besteht aus einem soliden Aluminiumgehäuse mit einem wälzgelagerten Rotor, der für hohe Drehzahlen ausgelegt wurde und über einen Gleichstrommotor angetrieben wird. Abschließend wurden in dieser Arbeit die statischen und dynamischen Kennlinien des optischen Sensors bestimmt und mit den Ergebnissen der Auslegung verglichen.

In this master thesis the operation of a contactless optical distance sensor, based on the intensiometric principle was examined. Reflective proximity sensors which work on this principle, consist at least of a light emitting diode and a photodiode located in parallel. Especially the distance measuring towards a rotating object was tested. For this purpose a concept for compensating the reflection of the objects surface was examined. Based on the former work and the results from the bachelor thesis of the author [25] the sensor principle was further optimized and improved. At the beginning of the work an analytical model of the optical measuring principle was analysed and adapted. Using this model it was possible to describe the response of the distance characteristics when the basic geometry of the sensor is changed. Usually the reflection coefficient changes over the contour of a rotor. To realize distance measurements towards rotating objects the model was enhanced by the use of a reflection compensated concept. This concept uses the simultaneous measurement with two photodiodes which are placed in a different distance to the LED. Therefore the optical sensor has different distance characteristics for the two photodiodes. The dimensioning of the analogue transimpedance amplifier was done by the use of analytical models. The transimpedance amplifier transforms the inverse current of a photodiode into a sensor output voltage. Verification was done by using the electronic simulation program PSpice. For construction of a sensor prototype, the results from the analytical and the PSpice models were used. In order to respond to latest trend of development, the sensor was realized with a microcontroller with CAN-Bus functionality. The designed sensor consists of a digital and an analogue circuit board, which have been manufactured at the Institute for Mechanics and Mechatronics. To validate the performance of different sensor types, a rotor-sensor-system was constructed. The test rig consists of rigid aluminium body, as well as two ball bearings with a rotor. A direct current motor enables high speeds of this test rotor. In the last chapter measurements of the dynamic and static characteristics of the sensor performance were done, as well as a comparison of the measurements with the analytical models.