Drehzahlsensor nach dem Wirbelstromprinzip für Servoantriebe

Reimer, Jan

Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst die Anforderungen an hochdynamische Servoantriebe mit schnelldrehenden Synchronmaschinen. Zusätzlich zu den üblichen Winkelsensoren, wie Inkrementalgeber oder Resolver wird ein neuartiger Drehzahlsensor nach dem Wirbelstromprinzip verwendet, um das Betriebsverhalten des Antriebs zu verbessern. Der Sensor wird statorseitig mit einer sinusförmigen Wechselspannung mit ca. 10kHz Erregerfrequenz gespeist. Der Rotor besteht aus einem homogenen, elektrisch leitfähigem Material. In ihm fließen Wirbelströme, die sich drehzahlabhängig ändern. Eine Messwicklung erfasst diese Wirbelströme. Das Ausgangssignal ist proportional zur Drehzahl. Die Bestimmung der Eigenschaften des Wirbelstromsensors erfolgt über eine analytische zweidimensionale Feldberechnung unter Verwendung des magnetischen Vektorpotentials, die den Skin-Effekt im Rotor und neben der Grundwelle auch die Oberwellen des Luftspaltfeldes berücksichtigt. Das ortsfeste Erregerfeld wird in der Berechnung durch zwei entgegengesetzt umlaufende Drehfelder repräsentiert. Die Eigenschaften des Sensors, wie die Empfindlichkeit, die Bandbreite und die Linearität, können in Abhängigkeit der mechanischen Abmessungen, der Erregerfrequenz und der elektrischen Leitfähigkeit optimiert werden. Nachdem eine Auswwerteelektronik für den Wirbelstromdrehzahlsensor vorgestellt wurde, wird dieser in Kombination mit einem Winkelgeber in einem Servoantrieb erprobt. Die Drehzahlauflösung und die Bandbreite in der Drehzahlerfassung kann erheblich verbessert werden.

The paper describes the characteristics of a servo drives with high speed synchronous motors. In addition to the commonly used angle encoders like resolver or incremental encoder a new and robust rotational speed sensor is introduced. The sensor utilises a high frequency AC excited primary and a homogeneous electrically conducting secondary. A pick-up winding detects the rotation by means of the field changes produced by the motion. The typical calculation models for this Ferraris motor can not be used because they neglect the skin effect. With the new sensor the skin depth is small compared to the radial dimension of the rotor. The behaviour of the sensor is calculated analytically using a two-dimensional model. The Helmholtz equation is solved for the rotor. Sensitivity, bandwidth and linearity of the sensor depend on physical dimensions, conductivity and exciting frequency. They can be optimised for a given application. This eddy current speed sensor is used in combination with an angle encoder. The paper further describes the electronic for sensor evaluation and it gives an overview about possible improvements on speed control loop of the drive regarding bandwidth and control quality.

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Reimer, Jan: Drehzahlsensor nach dem Wirbelstromprinzip für Servoantriebe. 2002.

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