F¨ur den Aufbau eines druckneutralen Winkelsensors sind eine Vielzahl von Messverfahren denkbar. Wie zuvor erw¨ahnt, ist ein ber¨uhrungsloses Messverfahren gefordert. Aus diesem Grund ist eine Winkelmessung ¨uber ein Pr¨azisionspotentiometer nicht geeignet. Ein im Seewasser offen arbeitendes Potentiometer w¨urde dem Seewasser nicht lange standhalten.
Zwar k¨onnte man das Potentiometer in einem geschlossenen ¨Olbad arbeiten lassen, was aber nicht der Philosophie der druckneutralen Systeme entspricht, bei der elektronische Bauteile m¨oglichst in einer elastischen Vergussmasse eingebettet werden und mechani-sche Baugruppen seewasserbest¨andig ausgelegt sind. W¨urde das Potentiometer in einem Olbad laufen, so m¨¨ usste die Welle gegen¨uber dem Seewasser abgedichtet werden. Diese Dichtungen k¨onnen im Laufe der Zeit altern oder einreißen und somit undicht werden.
Eindringendes Seewasser w¨urde die Messwerte verf¨alschen und im schlimmsten Fall ein Man¨ovrieren des Fahrzeugs unm¨oglich machen, was mit einer sehr hohen Wahrschein-lichkeit zum Verlust des selbigen f¨uhren w¨urde. Ein ber¨uhrungsloses Messverfahren ist also eine Voraussetzung f¨ur einen druckneutralen Entwurf des Winkelsensors. Als weitere Messverfahren sind optische, induktive und magnetische Verfahren zur Winkelmessung geeignet. Im Folgenden sollen diese Messverfahren n¨aher erl¨autert und auf ihre Eignung in einem druckneutralen Winkelsensor hin untersucht werden.
Die optische Winkelmessung mit Hilfe von Inkrementalgebern (IGR) basiert zumeist auf dem optischen Auslesen von so genannten Encoderscheiben (siehe Abbildung 3-1). Diese aus d¨unnem Blech oder auch Glas hergestellten Scheiben unterbrechen bei der Rotation um einen bestimmten Winkel einen Lichtstrahl [Wal85]. Dabei kann es sich um eine Un-terbrechung eines reflektiven oder auch transmissiven Lichtstrahls handeln. Die reflektive Unterbrechung wird durch Elemente erzeugt, die entweder den Lichtstrahl reflektieren oder absorbieren. Bei einer transmissiven Unterbrechung wird hingegen der Lichtstrahl durch einen Schlitz hindurch gelassen oder absorbiert.
Blende Lichquelle
Photoempfänger
Welle Encoderscheibe
Abb. 3-1 Optisch inkrementeller Drehgeber nach [Tam09]
Die Messung eines Winkels mittels einer Encoderscheibe ist zwar eine ber¨uhrungslose opti-sche Messung, jedoch handelt es sich um ein inkrementales Messverfahren. Die Aufl¨osung des Sensors ist also direkt abh¨angig von der Anzahl der auf der Encoderscheibe aufge-brachten Inkremente. F¨ur eine hinreichende Aufl¨osung des Sensors (0,1°), muss die Enco-derscheibe mehr als 600 Inkremente auf 60° aufweisen. F¨ur eine absolute Winkelmessung ist zus¨atzlich eine weitere phasenverschobene Codierung auf der Encoderscheibe n¨otig, die es erm¨oglicht, die Drehrichtung zu erkennen. Der bei Encoderscheiben auftretende Bitfehler ist ein weiterer Nachteil, der einen inkrementalen Sensor als eine nicht optimale L¨osung darstellt. Um aber eine m¨oglichst hohe Aufl¨osung des angestrebten druckneutra-len Winkelsensors zu erziedruckneutra-len, soll daher eine analoge Messung vorgezogen werden. Da die Encoderscheibe weiterhin beim druckneutralen Aufbau dem Seewasser ausgesetzt wird, ist es fraglich, ob die Inkremente, bedingt durch Bewuchs und die Korrosion, ihrer Funk-tion ¨uber l¨angere Zeit nachkommen k¨onnen. Die Lichtquelle bzw. der Empf¨anger stellen hingegen weniger ein Problem dar.
Ein induktiver Winkelsensor, der analog arbeitet, bietet gegen¨uber einem optischen in-krementalen Sensor hinsichtlich der Aufl¨osung und dem druckneutralen Aufbaus Vorteile (siehe Abbildung 3-2). Mehrere Planarspulen, durch die ein Wechselstrom mit einer be-stimmten Frequenz fließt, werden einer ferromagnetischen Sensorplatte parallel gegen¨uber angeordnet. Durch eine Winkel¨anderung der Sensorplatte wird auch die Fl¨ache, die sich in der direkten N¨ahe der Spule befindet, vergr¨oßert bzw. verkleinert. Dadurch wird die Induktivit¨at der Spulen ver¨andert, so dass eine Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangsspannung auftritt [Par06].
Um eine m¨oglichst genaue Messung realisieren zu k¨onnen, werden mehrere Spulen und Sensorplatten in einer Differenzschaltung angeordnet. Dieses Sensorsystem ist f¨ur einen druckneutralen Aufbau geeignet. Die Planarspulen k¨onnten durch einen Verguss vor dem korrosiven Seewasser gesch¨utzt werden. Ebenso ist es m¨oglich, die ferromagnetische
Sen-Abb. 3-2 Beispiel eines induktiven Drehgebers [Pew09]
sorplatte durch eine Beschichtung aus Kunststoff vor Korrosion zu sch¨utzen. Die Br¨ ucken-schaltung der Planarspulen ben¨otigt allerdings einen Wechselstrom mit einer bestimmten Frequenz, der durch eine externe Schaltung erzeugt werden muss. Weiterhin liefert der Sensor keine winkelproportionale Spannung, sondern nur eine Phasenverschiebung. Um aus dieser ein analoges Ausgangsignal zu erzeugen, ist eine weitere externe Schaltung not-wendig.
Ein weiteres Prinzip der ber¨uhrungslosen Winkelmessung, welches sich f¨ur einen druck-neutralen Aufbau eignet, ist das magnetische Messverfahren. Dazu wird die Rotation eines diametral magnetisierten Permanentmagneten durch magnetisch sensitive Elemente detektiert. Dabei kommen verschiedene Arten von Sensoren zum Einsatz. Im Folgenden sollen kurz die verschiedenen Technologien f¨ur die Magnetfeldmessung erl¨autert werden.
Bei dem Hall-Effekt entsteht eine elektrische Hall-Spannung UH an einer Probe der Dicke d, durch die ein Strom I fließt und eine dazu senkrecht vorliegende magnetische Flussdich-te B anliegt. Die Probe muss, um einen signifikanFlussdich-ten Effekt zu erzielen, l¨anger als breit sein, also lb. Die Hall-Spannung UH berechnet sich dann nach
UH= AH
d IB (3-1)
Durch die magnetische Induktion B wird der durch die Probe fließende Strom I infolge der Lorentzkraft abgelenkt [Mic05]. Die Hall-Spannung ist also abh¨angig von der Stromst¨arke I und der magnetischen Induktion sowie dem Hall-Koeffizienten AH und der Dicke der Probe d. In Abbildung 3-3 sind die Zusammenh¨ange zwischen I, B und UH dargestellt.
F¨ur die messtechnische Nutzung des Hall-Effekts werden f¨ur so genannte Hall-Generatoren Materialen verwendet, die eine große Ladungstr¨agerbeweglichkeit sowie einen hohen Hall-Koeffizienten AH und somit niedrige Ladungstr¨agerdichten aufweisen. Aus diesem Grund
UH B
d
I l
b
Abb. 3-3 Anordnung zur Messung einer Hallspannung UH an einer Probe der Dicke d
finden nur Halbleitermaterialen, aber keine Metalle Anwendung.
Wie bei allen Halbleitern ist die Abh¨angigkeit der Temperatur auf die Ladungstr¨ agerdich-te zu beachagerdich-ten. Als Grundmaagerdich-terialen f¨ur Hall-Generatoren sind Indiumantimonid (InSb), Indiumarsenit (InAs), Silizium (Si) und Galliumarsenit (GaAs) zu nennen [Hei04].
Der zuvor erw¨ahnte Gauß-Effekt z¨ahlt zu den magnetoresistiven Effekten. Er tritt auf, wenn die Probe um ein Vielfaches breiter als lang ist (lb). Durch den Einfluss der ma-gnetischen Induktion B werden durch die Lorentz-Kraft, die Ladungstr¨ager abgelenkt. Da die Probe aber viel breiter ist, kann sich kein Hall-Feld aufbauen. Die Stromdichtevektoren werden um den Hall-Winkel abgelenkt, wodurch der Strom einen l¨angeren Weg durch den Leiter nehmen muss, was wiederum einer Widerstandserh¨ohung entspricht. Abbildung 3-4 zeigt die Wirkungsweise einer Probe unter dem Einfluss einer magnetischen Induktion B.
Der Widerstand, der abh¨angig von der magnetischen Induktion ist, kann nach R(B) = R0
1 + KH(µHB)2
(3-2) bestimmt werden. Hierbei wird mit dem Geometriefaktor KH der Einfluss der Geome-trie der Probe durch l und b, ber¨ucksichtigt. Die Hall-Beweglichkeit µH wird durch das Material beeinflusst und muss separat bestimmt werden. Unter der Annahme eines nicht vom Magnetfeld abh¨angigen spezifischen elektrischen WiderstandesρH berechnet sich der Widerstand der Probe ohne Vorhandensein einer magnetischen Induktion durch
R0 =ρH l
bd (3-3)
Mit dem Einsatz von Werkstoffen mit hoher Ladungstr¨agerbeweglichkeit wird eine hohe Empfindlichkeit erzielt. Daher werden wie bei Hallgeneratoren auch Halbleitermaterialen
B d
I l
b
Abb. 3-4 Anordnung zur Messung der Widerstands¨anderung in Folge des Gauß-Effekts
Hy a)
I
Mx
I b)
Mx
Θ
Abb. 3-5 Anordnung der ellipsoiden Elektronenwolken unter dem Einfluss der Magneti-sierung Mx ohne ¨außeres Feld a. Durch die Verdrehung der Elektronenwolken um den Winkel θ unter einem ¨außeren Feld Hy verringert sich der elektrische Widerstand und der Strom steigt an b
verwendet. Der Gauß-Effekt wird messtechnisch in Feldplatten eingesetzt.
Ein weiterer physikalischer Effekt, der f¨ur die Messung eines Magnetfeldes herangezogen werden kann, ist der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR). Dieser Effekt tritt bei be-stimmten ferromagnetischen Materialen unter Einfluss eines externen magnetischen Feldes auf. Eine Anisotropie des spezifischen elektrischen Widerstands ist allerdings Vorausset-zung f¨ur die Funktionsweise [Hei04]. Bei der Anfertigung der magnetischen Schichten, erhalten diese eine Vorzugsrichtung. Ein quer dazu gerichtetes ¨außeres magnetisches Feld Hy verdreht die Richtung der Magnetisierung im Material, was eine Verringerung des elek-trischen Widerstands zur Folge hat. Erkl¨art werden kann dieser Vorgang mit den durch die Magnetisierung zum Ellipsoid deformierten Elektronenwolken um die Atomkerne wie in Abbildung 3-5 b gezeigt. Durch den Einfluss eines ¨außeren magnetischen Feldes quer zur Stromrichtung werden die ellipsoiden Elektronenwolken mitgedreht, so dass es f¨ur einen freien Ladungstr¨ager energetisch einfacher ist, durch den Leiter zu springen (siehe Abbildung 3-5). Aus dem Zusammenhang
4R
R = cos2θ (3-4)
erschließt sich, dass f¨urθ=±90° die ¨Anderung des Widerstandes 4R gleich ist. Daraus folgt wiederum, dass eine Erkennung der Richtung des magnetischen Feldes nicht m¨oglich ist. Weiterhin ist der Verlauf der Kennlinie um θ = ±90° wie in Abbildung 3-6 gezeigt, stark nichtlinear. Eine Linearisierung kann jedoch durch eine Drehung der Stromrichtung zur Magnetisierung Mx um 45°erzielt werden. Daf¨ur werden um 45°zur Magnetisierungs-richtung verlaufende Metallelektroden, so genannte Barberpole, auf das Material
aufge-Abb. 3-6 Kennlinie eines AMR-Sensors. In blau der lineare Kennlinienbereich, in dem ein mit Barberpolen versehene Sensor arbeitet.
bracht. Bei dem Einwirken eines ¨außeren magnetischen Feldes arbeitet der Sensor nun in dem linearen Bereich der Kennlinie. Weiterhin ist durch die Eindeutigkeit des Kennlinien-verlaufs jetzt auch eine Richtungserkennung m¨oglich. Zur Erh¨ohung der Empfindlichkeit werden mehrere Proben zu einer Br¨ucke zusammen geschaltet (siehe Abbildung 3-6). Als Werkstoff wird beispielsweise eine Nickeleisenlegierung (Ni81Fe19 Permalloy) verwendet.
AMR-Sensoren sind 100-fach empfindlicher als Hall-Sensoren und eignen sich daher auch zur Messung kleiner magnetischer Felder.
Die Messung eines Winkels mittels magnetischen Sensoren ist besonders f¨ur einen druck-neutralen Aufbau geeignet, da der Permanentmagnet das einzige bewegte Teil in einem solchen Aufbau darstellt. Um die Empfindlichkeit der Sensoren zu erh¨ohen, soll als Per-manentmagnetwerkstoff Neodymeisenbor (NdFeB) benutzt werden. Permanentmagnete aus NdFeB besitzen im Gegensatz zu herk¨ommlichen Ferritmagneten h¨ohere Koerzitiv-feldst¨arken von bis zu 900 kA/m. Ferritmagnete erreichen hingegen nur 270 kA/m. Diese Permanentmagnete sind sehr korrosionsanf¨allig. Daher muss akribisch darauf geachtet werden, dass der Magnet vor dem korrosiv wirkenden Seewasser durch einen isolieren-den Verguss gesch¨utzt wird. Eine diametrale Magnetisierung des Permanentmagneten ist n¨otig, um eine ¨Anderung des Magnetfeldes abh¨angig vom Rotationswinkel zu errei-chen. Der Sensor selber kann je nach Baugr¨oße und Komplexit¨at der Schaltung problem-los druckneutral vergossen werden. Ein Messaufbau mit magnetischen Sensoren f¨uhrt zu einem sehr kleinen Aufbau, so dass eine platzsparende Integration in die Ruderanlage ohne Weiteres m¨oglich ist. Viele der zuvor gezeigten Sensoren wie Hall- MR- und AMR-Sensoren sind als Integrierte Schaltungen (IC) kommerziell erh¨altlich. Ein Aufbau mit ICs hat einen enormen Fertigungsvorteil, da die Sensoren nicht extra gebondet werden m¨ussen. Ein druckneutraler Aufbau mit drahtgebondeten Komponenten kann Probleme
Abb. 3-7 Blockdiagramm des AS5215 [Asm01]
in einem druckneutralen Verguss verursachen. Eine Beanspruchung der elastischen Ver-gussmasse durch den hydrostatischen Druck kann zu Deformationen des Vergusses f¨uhren, so dass die Bonddr¨ahte abreißen. Daher sollen integrierte Schaltungen verwendet werden, weil diese mit einem harten Verguss versehen sind, der sich unter Druck nicht deformiert.
Jedoch ben¨otigt die als IC aufgebaute Br¨uckenschaltung einen entsprechenden Verst¨arker, der wiederum als diskrete Schaltung druckneutral aufgebaut werden muss.
Einige Hersteller bieten allerdings vollintegrierte Sensoren an, in denen sowohl die Mess-br¨ucke als auch der Messverst¨arker in einem IC untergebracht sind. Ein Vertreter eines solchen hochintegrierten Winkelsensors ist der AS5215 der Firma Austriamicrosystems.
Dieser Sensor basiert auf zwei Hall-Sensor Feldern, welche 45° zueinander verdreht sind (siehe Abbildung 3-7). Der analoge Ausgang kann somit den Sinus- und Cosinus-Wert des sich drehenden diametral magnetisierten Permanentmagneten ¨uber dem Sensor ausgeben.
Bei der Verwendung des AS5215 als Winkelsensor ist der Auswahl des Permanentmagne-ten besondere Beachtung zu schenken, da die Spannungen der Hallgeneratoren lediglich mit einem bestimmten Faktor verst¨arkt am Ausgang des ICs anliegen. Ein zu schwacher oder gar zu kleiner Permanentmagnet w¨urde zu einer zu kleinen Ausgangsspannung oder einem nichtlinearen Verhalten f¨uhren. Der Hersteller empfiehlt einen zylindrischen diame-tral magnetisierten Permanentmagneten aus NdFeB N35H mit einem Durchmesser von 6 mm. Um am Ausgang eine Signal¨anderung von 100 % zu erreichen, gibt der Hersteller ein H¨ohen-Durchmesserverh¨altnis von 0,42 an [Asm01]. Daraus resultiert eine Magneth¨ohe von 2,5 mm. Der Magnetdurchmesser von 6 mm erlaubt einen radialen Versatz zwischen Messachse und Magnet von 0,5 mm.
Uber eine digitale Schnittstelle lassen sich die analogen Ausg¨¨ ange sowie die Verst¨arkung einstellen. Diese Programmierm¨oglichkeit bietet einen wesentlichen Vorteil bei der Inte-gration des Sensors in der Ruderanlage. Die Aufl¨osung des Sensors ist wegen der
Hall-Abb. 3-8 Blockdiagramm des KMA200 Winkelsensors [Mag10]
Generatoren nur durch das Rauschen beschr¨ankt. Daher ist bei der Verwendung des Sen-sors auf einen rauscharmen Betrieb zu achten.
Ein weiterer Vertreter von hochintegrierten magnetischen Winkelsensoren stellt der KMA200 von NXP Semiconductors dar. Dieser Sensor arbeitet auf Basis einer aniso-tropen magnetoresistiven Messbr¨ucke [Mag10]. Im Gegensatz zum AS5215 ist die im IC integrierte Elektronik um ein Vielfaches umfangreicher. So bietet der KMA200 einen vollst¨andig konfigurierbaren Messverst¨arker, der mit Hilfe eines ADCs in der Lage ist, die Messwerte auch digital auszugeben. Der KMA200 liefert im analogen Betriebsmodus eine winkelabh¨angige Ausgangsspannung. Der Messbereich sowie der Nullpunkt ist durch eine serielle Schnittstelle mit den Pins DATA und CLK frei programmierbar (siehe Abbildung
magnetoresistiver Winkelsensorchip digitaler Signal-prozessor
Abb. 3-9 Aufbau des magnetoresitiven Winkelsensors KMA200 von NXP Semiconduc-tors [Nxp10]
3-8). Alle vorgenommenen Einstellungen k¨onnen in einem internen EEPROM gesichert werden und sind damit auch nach Abschalten der Betriebspannung nicht verloren. Ein integrierter Temperatursensor bietet zus¨atzlich die M¨oglichkeit, eine Temperaturdrift der Ausgangssignale zu kompensieren. Der maximale Messbereich betr¨agt 180°, was auch der Werkseinstellung entspricht. Mit der Ausgabe des Winkels mittels einer analogen Span-nung ist es m¨oglich, den Sensor direkt in den Regelkreis einzubinden.
Ein weiterer Vorteil bietet der mechanische Aufbau des Sensors, bei dem das Sensor-element und die Auswerteelektronik getrennt sind (siehe Abbildung 3-9). Somit ist es beispielsweise m¨oglich, das Sensorelement um 90° abzuwinkeln, um Spielraum f¨ur einen mechanischen Aufbau zu erhalten. Der Sensor hat eine sehr flache Bauform, die eine me-chanische Integration vereinfacht. Die Aufl¨osung wird vom Hersteller mit 0,05°angegeben.
Da der KMA200 den gr¨oßten Funktionsumfang hat und in der Lage ist, direkt eine win-kelproportionale Spannung auszugeben, soll dieser Sensor f¨ur den Aufbau eines druck-neutralen Winkelsensors dem AS5215 vorgezogen werden. Die Einstellungen und die Pro-grammierung des KMA200 zum Nullpunkt und Messbereich werden in Kapitel 3.4 be-schrieben.