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Soft Landing and Self-Sensing Strategies for Electromagnetic Actuators

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Soft Landing and Self-Sensing Strategies for Electromagnetic Actuators

Tobias Glück (Unbekannter Einband, Englisch)

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Optischer Zustand

Beschreibung

Typischerweise zeichnen sich mechatronische Produkte durch eine hohe funktionelle Komplexität und einen hohen Integrationsgrad von elektrischen, mechanischen und informationsverarbeitenden Komponenten aus. Oft werden sie für den autonomen Echtzeitbetrieb konzipiert und müssen hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit erfüllen. Bei der Aktivierung finden insbesondere elektromagnetische Aktuatoren aufgrund ihrer hohen Rentabilität breiten Einsatz, da sie einfach anzusteuern sind, kostengünstig hergestellt werden können, sich durch eine kompakte Baugröße gepaart mit einer relativ hohen Bandbreite auszeichnen und es dabei ermöglichen relativ große Kräfte zu erzeugen. Der steigende Kostendruck auf mechatronische Produkte in der Fluidtechnik verlangt nach pneumatischen und hydraulischen Systemen, die mithilfe von günstigen und zuverlässigen elektromagnetischen Ventilen gesteuert werden können. Beispielhaft sei erwähnt, dass zunehmend bei der Servoregelung von Kolbenzylindern das kostenintensive Porportional-Wegeventil durch eine pneumatische/hydraulische Vollbrücke, bestehend aus kostengünstigen schnellschaltenden Ventilen, ersetzt wird. In anderen industriellen Anwendungen, wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, werden schnellschaltende Wegeventile für Sortieraufgaben eingesetzt, mit immer höheren Anforderungen hinsichtlich der Taktzeiten und der Lebensdauer. Elektromagnetische Ventile in diesen Anwendungen müssen also schnelle Ventilschaltzeiten aufweisen, um eine hohe Bandbreite bzw. einen maximalen Durchsatz zu erreichen. Gleichzeitig muss für den Ventilanker garantiert werden, dass dieser zur Verringerung der Geräuschentwicklung bzw. des Verschleißes von mechanischen Komponenten mit einer minimalen Aufprallgeschwindigkeit in den Endanschlag prellt. In dieser Arbeit wird daher eine Steuerstrategie entwickelt, die das zeitoptimale Schalten von elektromagnetischen Schnellschaltventilen mit minimaler Aufprallgeschwindigkeit des Ventilankers ermöglicht. Fortgeschrittene Algorithmen zur Minimierung der Aufprallgeschwindigkeit des Ventilankers verwenden meist adaptive Regelungsstrategien, um externen Störungen und Modellunsicherheiten entgegenwirken zu können. Die Adaption basiert in der Regel auf der Messung der Position des Ventilankers. Diese Messung ist allerdings kostenintensiv und mindert die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Daher besteht der Wunsch, die klassische Sensorik durch eine sogenannte virtuelle Sensorik zu ersetzen. Diese virtuelle Sensorik beruht auf dem synergetischen Zusammenwirken von Konstruktion und Entwurf des Gesamtsystems, der integrierten Sensorik für andere Systemgrößen und der Entwicklung intelligenter signal- und modellbasierter Algorithmen. In diesem Zusammenhang wird eine neue Positionsschätzstrategie basierend auf der Strom- und Spannungsmessung für elektromagnetische Aktuatoren vorgeschlagen. Zunächst wird der Entwurf einer Steuerung für das zeitoptimale Schalten von elektromagnetischen Schnellschaltventilen mit minimaler Aufprallgeschwindigkeit des Ventilankers in den Endanschlag präsentiert. Dieser erfolgt anhand der Formulierung eines eingangsbeschränkten, zeitoptimalen Optimalsteuerungsproblems für die Punkt-zu-Punkt-Bewegung des Ventilankers. Hierzu wird ein konzentriertparameterisches Ventilmodell hergeleitet und der quasi-zeitoptimale sowie der zeitoptimale Fall näher untersucht. Neben der numerischen Lösung des quasi-zeitoptimalen Optimalsteuerungsproblems anhand einer Volldiskretisierung wird durch Anwendung des Maximumsprinzips von Pontryagin das eingangsbeschränkte, quasi-zeitoptimale und zeitoptimale Optimalsteuerungsproblem in ein äquivalentes Zweipunktrandwertproblem umgeformt. In dieser Darstellung ist direkt ersichtlich, dass die eingangsbeschränkte und zeitoptimale Lösung für das Öffnen und Schließen des Ventils eine bang-singular-bang Steuerung ist. Messergebnisse an einem Versuchsstand bestätigen die theoretischen Ergebnisse und zeigen die Anwendbarkeit der vorgestellten Methodik. Die entwickelte Steuerstrategie wurde als nationales Patent eingereicht und von Seiten des Industriepartners ist es zukünftig geplant, diese für die Serie weiterzuentwickeln und in das Produkt zu integrieren. Das zweite Hauptthema dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Postionsschätzalgorithmus für elektromagnetische Systeme. Dieser nutzt die durch die pulsweitenmodulierte Steuerspannung hervorgerufene Änderung des Stromes zur Schätzung der positionsabhängigen Induktivität und damit der Position. Die Induktivitätsschätzung beruht auf einer Least Squares Identifikation kombiniert mit einer modellbasierten Korrektur. Der Schätzalgorithmus zeichnet sich dadurch aus, dass er systematisch den Einfluss des elektrischen Widerstandes, der Änderung des Tastverhältnisses der pulsweitenmodulierten Ansteuerung und der Bewegung des Objektes kompensiert. Die Anwendbarkeit der Positonsschätzstrategie wird anhand der sensorlosen Regelung einer Magnetlagerung verdeutlicht. Die echtzeitfähige Implementierung auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA) ermöglicht dabei die erfolgreiche Umsetzung der sensorlosen Regelungsstrategie auf einem Laborversuch. Messergebnisse zeigen die gute Performance und Robustheit des Positonsschätzalgorithmus. Für diese robuste und echtzeitfähige Schätzstrategie der Position von pulsweitenmoduliert angesteuerten elektromagnetischen Systemen wurden zwei nationale Patente erteilt. Weniger zeigen

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Produktinformationen

Technische Daten

Erscheinungsdatum

21.12.2013

Sprache

Englisch

EAN

9783844024289

Herausgeber

Shaker

Serien- oder Bandtitel

Modellierung und Regelung komplexer dynamischer Systeme

Sonderedition

Nein

Autor

Tobias Glück

Seitenanzahl

135

Auflage

Einbandart

Unbekannter Einband

Warnhinweise und Sicherheitsinformationen

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