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.
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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
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