DE19544207C2 - Process for model-based measurement and control of movements on electromagnetic actuators - Google Patents
Process for model-based measurement and control of movements on electromagnetic actuatorsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektromagnetischen Aktoren.The invention relates to a method for model-based measurement and control of Movements on electromagnetic actuators.
Zur Messung und Regelung der Antriebsbewegung von elektromagnetischen Aktoren werden meist aufwendige mechanische Sensoren, wie z. B. inkrementale Lineargeber verwendet. Die hierdurch entstehenden Kosten und die Verschlechterung der Eigenschaften des Antriebes (z. B. durch zusätzliche Masseträgheiten) belasten eine preisgünstige Lösung für das Gesamtsystem geregelter Aktor. Außerdem ist für viele Aufgaben die von solchen Sensoren erreichte, meist sehr hohe Genauigkeit nicht unbedingt erforderlich. Ebenso wird wegen der Kosten in anderen Fällen oft auf eine Überwachung oder Messung an einem elektromagnetischen Aktor verzichtet, obwohl die Sicherheit und die Qualität des Gesamtsystems dadurch erhöht würde.For measuring and controlling the drive movement of electromagnetic actuators mostly complex mechanical sensors, such as. B. incremental linear encoder used. The costs and the deterioration of the properties of the drive (e.g. due to additional mass inertias) burden an inexpensive solution for the overall system controlled actuator. In addition, for many tasks, the level achieved by such sensors is usually very high high accuracy not absolutely necessary. Likewise, because of the cost in other cases monitoring or measurement on an electromagnetic actuator is often omitted, although this would increase the security and quality of the overall system.
Werden bei der Regelung eines Antriebes Weg und Geschwindigkeit gleichzeitig benötigt, um z. B. eine übliche kaskadierte Positionsregelung auszuführen, so wird fast immer nur ein Sensor verwendet und das andere Signal aus diesem abgeleitet. Oft werden inkrementale Wegsensoren eingesetzt, aus deren Wegsignal über den Zeitabstand zwischen zwei Inkrementen die Geschwindigkeit bestimmt wird. Inkrementale Geber erreichen höchste Genauigkeiten, besitzen aber meist eine relativ große bewegte Masse, eine große Bauform und sind teuer. Auch die Anwendung potentiometrischer Wegsensoren (Widerstandsänderung durch Verschieben der Schleiferposition) ist mit Nachteilen behaftet. Infolge der gleitenden Kontakte auf dem Widerstandsmaterial tritt Reibung auf, die zum einen das tatsächliche Verhalten des Aktors verfälscht, als auch die Lebensdauer dieses Sensors beschränkt und empfindlich gegen Verschmutzung ist. Um den Einfluß des Sensors auf das bewegte System klein zu halten, werden berühungslose Sensoren wie z. B. Differentialtrafos oder induktive Geschwindigkeitssensoren bevorzugt eingesetzt. Bei solchen induktiven Sensoren muß nur noch eine kleine zusätzliche Masse, z. B. ein ferromagnetischer Kern vom Aktor mitbewegt werden.Are path and speed needed to control a drive at the same time, for example. B. to carry out a common cascaded position control, almost always becomes only one sensor used and the other signal derived from this. Incremental displacement sensors are often used used, from whose path signal over the time interval between two increments the Speed is determined. Incremental encoders achieve the highest levels of accuracy but usually a relatively large moving mass, a large design and are expensive. Also the Use of potentiometric displacement sensors (change in resistance by moving the Grinder position) has disadvantages. As a result of the sliding contacts on the Resistance material occurs, which on the one hand affects the actual behavior of the actuator falsified, as well as limited the life of this sensor and sensitive to Pollution is. In order to keep the influence of the sensor on the moving system small non-contact sensors such as B. differential transformers or inductive speed sensors preferably used. With such inductive sensors, only a small additional one is required Mass, e.g. B. a ferromagnetic core can be moved by the actuator.
Bei den bisher genannten Sensoren kann nicht von einer rückwirkungsfreien Bewegungserfassung gesprochen werden. Wirklich rückwirkungsfrei sind Sensoren für mechanische Bewegungen z. B. auf der Basis einer Ultraschallaufzeitmessung oder Lasermeßverfahren, bei denen durch die Auswerteelektronik Weg und Geschwindigkeit als digitale und/oder analoge Signale zur Verfügung gestellt werden. Solche Sensoren sind allerdings teuer und oft wenig robust, so daß man sie selten in industriellen und Automatisierungsanlagen antrifft. With the sensors mentioned so far, there can be no retroactive motion detection be spoken. Sensors for mechanical movements are really non-reactive. B. on the basis of an ultrasonic transit time measurement or laser measurement method, in which the Evaluation electronics Path and speed as digital and / or analog signals Will be provided. However, such sensors are expensive and often not very robust, so that one it rarely occurs in industrial and automation systems.
Aus DE-OS 41 08 688 A1 ist bekannt, den magnetischen Fluß zur Gewinnung eines ungefähr wegproportionalen Signales zu verwenden. Die dort vorgeschlagene Variante beruht auf einer groben linearen Näherung unter Vernachlässigung der nichtlinearen Eiseneigenschaften und der magnetischen Streuverluste, so daß die Signalgüte wie angegeben nicht für eine statische Positionierung ausreicht, sondern nur zur Erzeugung von Schwingungen < 10 Hz genutzt werden kann. Das liegt aber nicht wie angeführt an dem Fehler des Integrators, sondern daran, daß die der Regelung zugrunde liegende lineare Beziehung zwischen Strom, magnetischen Fluß und Luftspalt eine für diese Aufgabe unzureichende Näherung darstellt, selbst wenn man den Stellbereich auf vorzugsweise 0,1 bis 1 mm grenzt.From DE-OS 41 08 688 A1 it is known to obtain an approximate magnetic flux to use path-proportional signals. The variant proposed there is based on a rough linear approximation neglecting the nonlinear iron properties and the magnetic leakage losses, so that the signal quality as stated is not for a static Positioning is sufficient, but only used to generate vibrations <10 Hz can. However, this is not due to the error of the integrator as stated, but to the fact that the Regulation underlying linear relationship between current, magnetic flux and air gap is an inadequate approximation for this task, even if you open the adjustment range preferably limits 0.1 to 1 mm.
Ferner ist aus der DE 43 30 531 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dämpfung der Bewegung des Ankers von Elektromagneten bekannt, wonach aus den Momentan werten von Strom und Spannung des Magneten ein Signal gewonnen wird, daß der An kergeschwindigkeit als Funktion der Luftspaltbreite proportional ist und dazu benutzt wird, die Ankergeschwindigkeit zu verringern. Jedoch verfälschen Fehleinflüsse infolge Messung der Erregerspulenspannung erheblich die Proportionalität von Induktionsspan nung zur Magnetgeschwindigkeit und somit die Regelung, da die Induktionsspannung von der Änderung des Erregerspulenstromes während der Ankerbewegung wesentlich beeinflußt wird. Zusätzliche Abweichungen treten durch die Änderung des Wicklungs widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur auf. Eine wirkliche Positions- und Geschwindigkeitsmessung ist nach DE 43 30 531 A1 auch schon deshalb nicht möglich, weil gemäß der angegebenen Berechnungsvorschrift zur Ermittlung der Magnetge schwindigkeit der von der Stromänderung verursachte Anteil unberücksichtigt bleibt.Furthermore, DE 43 30 531 A1 describes a device and a method for damping the movement of the armature of electromagnets is known, according to which at the moment values of current and voltage of the magnet a signal is obtained that the An core speed as a function of the air gap width is proportional and used for this will decrease the anchor speed. However, false influences as a result falsify Measurement of excitation coil voltage significantly increases the proportionality of induction chip voltage to the magnetic speed and thus the regulation, since the induction voltage of the change in the excitation coil current during the armature movement being affected. Additional deviations occur due to the change in the winding resistance depending on the temperature. A real position and According to DE 43 30 531 A1, speed measurement is therefore not possible either, because according to the specified calculation rule for determining the magnet speed, the proportion caused by the change in current is disregarded.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bzw. mehrere kostenaufwendige Bewegungs sensoren für die Messung an und die Regelung von elektromagnetischen Aktoren gegen einen oder mehrere preiswerte und rückwirkungsfreie Sensoren zu ersetzen.The invention has for its object one or more expensive movement sensors for measuring and controlling electromagnetic actuators against one or to replace several inexpensive and non-reactive sensors.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen geben die Ansprüche 3 bis 7 an.This object is achieved by those stated in the characterizing part of claims 1 to 2 Features resolved. Advantageous embodiments specify claims 3 to 7.
Die erfindungsgemäße Lösung kann für elektromagnetische Antriebe, deren Antriebskraft an Grenzflächen zwischen Stoffen unterschiedlicher Permeabilität entsteht und die man auch als Reluktanzantriebe bezeichnet, genutzt werden. Aktoren in diesem Sinne sind Klappanker-, E- und U-Magnete, wie sie z. B. in elektromagnetischen Relais- und Schützantrieben zu finden sind, Topfmagnete, die z. B. in Magnetventilen Anwendung finden und ähnliches.The solution according to the invention can be used for electromagnetic drives, their driving force Interfaces between substances of different permeability are created and are also called Reluctance drives are used. Actuators in this sense are hinged anchor, E and U magnets, such as those used for. B. can be found in electromagnetic relay and contactor drives, Pot magnets, the z. B. find application in solenoid valves and the like.
Wird mit einem geeigneten Sensor der magnetische Fluß Φ im Arbeitsluftspalt gemessen, kann bei bekannter Querschnittsfläche A des Magnetschenkels mit der Maxwell' sehen Zugkraftformel die Antriebskraft des Magneten FMagnet berechnet werden.If the magnetic flux Φ is measured in the working air gap with a suitable sensor, the driving force of the magnet F magnet can be calculated with the Maxwell's tensile force formula if the cross-sectional area A of the magnet leg is known.
Wenn man nun ein Kräftegleichgewicht am Anker zwischen Antriebs- (FMagnet), Last- (z. B. Federkräfte, Druck eines Fluids, Reibung der Führung, Anschlagskraft u. ä.), Gewichts- (FGewicht) und Trägheitskräften aufstellt, kann man bei bekannten Lastkräften FLast und bei bekannter bewegter Masse m (z. B. Ankermasse, Masse des Kontaktapparates u. ä.) die wirkende Beschleunigung a bestimmen.If one can now establish a balance of forces on the armature between drive (F magnet ), load (e.g. spring forces, pressure of a fluid, friction of the guide, stop force, etc.), weight (F weight ) and inertial forces one determines the effective acceleration a with known load forces F load and with known moving mass m (e.g. armature mass, mass of the contact apparatus and the like).
Aus der Beschleunigung läßt sich durch Integration die Geschwindigkeit und der zurückgelegte Weg errechnen. Die ermittelten Bewegungskenngrößen Beschleunigung a, Geschwindigkeit v und Weg x können vorzugsweise zu einer wegabhängigen Geschwindigkeits- oder Beschleunigungs regelung des Aktors nach einem in Abhängigkeit von der Position des Ankers vorgegebenem Sollwert verwendet werden. Außerdem sind sie für bekannte Positionsregelkreise verwendbar, bei denen einem äußeren Wegregelkreis, ein Geschwindigkeits- und ein Beschleunigungsregelkreis für gute dynamische Regeleigenschaften unterlegt werden. Durch die Verwendung von nur einer einzigen Meßgröße und der indirekten Ermittlung des Wegsignales über die Magnetkraft und Integrationsschritte ergibt sich ein sehr stabiles und robustes Signal. Das Verfahren ist allerdings nur für bekannte Lastkennlinien, bekannte bewegte Massen und eine wegen der berücksichtigten Gewichtskraft feste Lage im Raum geeignet, weil diese Größen in die Rechnung mit einbezogen werden. Auch die Ausgangslage des Aktors muß bekannt sein, was aber in den meisten Fällen gegeben sein dürfte.Acceleration can be used to integrate the speed and the distance traveled Calculate route. The determined movement parameters acceleration a, speed v and Path x can preferably lead to a path-dependent speed or acceleration control of the actuator according to a predetermined one depending on the position of the armature Setpoint can be used. They can also be used for known position control loops, at an outer path control loop, a speed and an acceleration control loop for good dynamic control properties are underpinned. By using only one single measured variable and the indirect determination of the path signal via the magnetic force and Integration steps result in a very stable and robust signal. The procedure is however only for known load characteristics, known moving masses and one because of the considered Weight strength fixed position in the room because these sizes are included in the calculation become. The starting position of the actuator must also be known, but in most cases should be given.
Eine zweite Möglichkeit zur Berechnung des tatsächlichen Luftspaltes x besteht in dem folgenden
Ansatz:
A second possibility for calculating the actual air gap x is the following approach:
Aus dem gemessenen Strom I durch die w Windungen der Erregerwicklung und dem kraft erzeugenden Fluß Φ kann mit Gleichung (3) der Weg x ermittelt werden. Der Nullpunkt des Weges x wird an die Polfläche des feststehenden Magnetkerns gelegt, so daß der Weg x mit der Größe des Luftspaltes übereinstimmt. In Einzelfällen kann der erste Term der vorgeschlagenen Gleichung ausreichend sein. Meist muß der zweite nichtlineare Term zur Korrektur des Zusammenhanges, insbesondere beim Einfluß der Sättigung des Eisens, benutzt werden. Der Exponent m des zweiten Terms ist dabei immer geradzahlig. Der dritte konstante Term ist umgekehrt proportional zur Induktivität des elektromagnetischen Aktors bei minimalem Luftspalt und entspricht bei Magnetsystemen mit Restluftspalt in etwa diesem. Dieser konstante Term kann in der Regel weggelassen oder mit einer Offsetkorrektur berücksichtigt werden.From the measured current I through the w turns of the field winding and the force generating flow Φ, the path x can be determined with equation (3). The zero point of the Path x is placed on the pole face of the fixed magnetic core, so that the path x with the The size of the air gap matches. In individual cases, the first term can be the suggested one Equation will be sufficient. Usually the second nonlinear term has to be corrected for the Context, especially when influenced by the saturation of iron. The Exponent m of the second term is always an even number. The third constant term is inversely proportional to the inductance of the electromagnetic actuator with a minimal air gap and corresponds approximately to this for magnet systems with a residual air gap. This constant term can usually omitted or taken into account with an offset correction.
Die vorgeschlagene Gleichung für den Weg als Funktion des Stromes und des Magnetflusses
basiert auf folgenden Modellvorstellungen. Der Magnetkreis wird als Reihenschaltung von
magnetischer Urspannung Θ, magnetischem Eisenwiderstand RFe und magnetischem Luftspalt
widerstand RL betrachtet. Die Streuung wird als konstant angenommen und durch eine mit einem
Streufaktor k (k < 1) verringerte magnetische Urspannung berücksichtigt. Somit lautet die
Maschengleichung des magnetischen Kreises:
The proposed equation for the path as a function of the current and the magnetic flux is based on the following models. The magnetic circuit is regarded as a series connection of the original magnetic voltage Θ, the magnetic iron resistance R Fe and the magnetic air gap resistance R L. The scatter is assumed to be constant and is taken into account by a magnetic original voltage reduced with a scatter factor k (k <1). So the mesh equation of the magnetic circuit is:
Θ = k . I . w = Φ . (RFe + RL) (4)Θ = k. I. w = Φ. (R Fe + R L ) (4)
Folgender normierter Ansatz wird zur Beschreibung des nichtlinearen Eisenverhaltens genutzt:
The following standardized approach is used to describe the non-linear iron behavior:
Die Parameter a, b und n werden durch Approximation der Funktion (5) an eine Kurve I(Φ) von
Meßwerten des Stromes und des magnetischen Flusses bei einem Einschaltversuch mit
geschlossenem Magnetkreis ermittelt. Wird Gleichspannung als Steuerspannung eingesetzt, so
verwendet man vorteilhafterweise den stationären Magnetfluß bei geschlossenem Magnetkreis als
ΦN und den stationären Strom als IN. Mit diesem Ansatz ergibt sich der magnetische Eisen
widerstand RFe zu:
The parameters a, b and n are determined by approximating the function ( 5 ) to a curve I (Φ) of measured values of the current and the magnetic flux in an attempt to switch on with a closed magnetic circuit. If DC voltage is used as the control voltage, the stationary magnetic flux with a closed magnetic circuit is advantageously used as Φ N and the stationary current as I N. With this approach, the magnetic iron resistance R Fe results in:
Der magnetische Luftspaltwiderstand RL eines U-Magnetsystems beträgt bei einem Luftspalt der
Größe x und der Polfläche eines Schenkels A:
The magnetic air gap resistance R L of a U-magnet system with an air gap of size x and the pole area of a leg A is:
Setzt man die Gleichungen (6) und (7) in die Gleichung (4) ein, so erhält man nach der Umstellung
nach dem Ankerweg x folgende Funktion:
If equations (6) and (7) are inserted into equation (4), the following function is obtained after the changeover to anchor path x:
Die Gleichung (8) stimmt mit Gleichung (3) wie angedeutet überein. Alle Parameter werden zu
den Konstanten c1, c2 und c3 zusammengefaßt und der Exponent m ergibt sich aus n - 1. Die
Konstante c3 kann auch aus der Induktivität L0 bei geschlossenem Magnetkreis bestimmt werden:
Equation (8) agrees with equation (3) as indicated. All parameters are combined into the constants c 1 , c 2 and c 3 and the exponent m results from n - 1. The constant c 3 can also be determined from the inductance L 0 with the magnetic circuit closed:
Die zweite Lösungsvariante kann genauso zur Ermittlung des Weges herangezogen und für eine Regelung, z. B. mit einem äußeren Wegregelkreis und unterlegten Geschwindigkeits- und Stromregelkreisen genutzt werden. Sie ist besonders geeignet für Magnetantriebe mit geringer Streuung, wie z. B. Topfmagnete. Die Verwendung von zwei Meßsignalen zur indirekten Wegmessung kann bei größeren Sensorfehlern Probleme verursachen. Die Ausgangslage muß bekannt sein und eine Behandlung des Falles Φ = 0 vorgesehen werden. Vorteilhaft ist bei dieser Lösungsvariante, daß sie auch bei veränderlichen Lasten, z. B. dem unbekannten Druck eines Fluids verwendet werden kann.The second solution variant can also be used to determine the route and for one Regulation, e.g. B. with an outer path control loop and underlying speed and Current control loops can be used. It is particularly suitable for magnetic drives with less Scattering such as B. Pot magnets. The use of two measurement signals for indirect Distance measurement can cause problems with larger sensor errors. The starting position must be known and treatment of the case Φ = 0 can be provided. This is advantageous Solution variant that they even with variable loads, for. B. the unknown pressure of one Fluids can be used.
Der magnetische Fluß wird vorteilhafterweise durch Integration der mittels einfacher Induktions spulen unmittelbar am Arbeitsluftspalt gemessenen Induktionsspannung oder über die im Luftspalt gemessene Flußdichte B ermittelt. Die Nutzung einer Feldplatte oder eines Hallelements zur Ermittlung der Flußdichte B ist nur dann zu empfehlen, wenn der Anker zum Stator einen nicht zu unterschreitenden Minimalluftspalt einhält und der Sensor in diesem Restabstand direkt im Arbeitsluftspalt Platz findet. Wird der Luftspalt dagegen ganz geschlossen, so sollte die unmittelbar am Rand des Arbeitsluftspaltes angebrachte Induktionsspule Anwendung finden. The magnetic flux is advantageously obtained by integrating it by means of simple induction coil induction voltage measured directly at the working air gap or via that in the air gap measured flux density B. The use of a field plate or a Hall element for Determining the flux density B is only recommended if the armature does not close to the stator below the minimum air gap and the sensor remains within this distance There is space for the working air gap. If, on the other hand, the air gap is completely closed, then the Induction coil installed directly at the edge of the working air gap can be used.
Aufgrund des Streufeldes der Erregerspule und des Magnetkreises empfiehlt sich die Befestigung der Induktionsspule am Anker, da dort der Fluß gemessen wird, der die wirkende Magnetkraft erzeugt. Ist das wegen der großen Stellwege, der hohen Stellgeschwindigkeit oder aus anderen Gründen nicht möglich, kann mit Hilfe eines Korrekturfaktors von dem im Stator gemessen magnetischen Fluß annähernd auf den krafterzeugenden Fluß geschlossen werden.Due to the stray field of the excitation coil and the magnetic circuit, the attachment is recommended the induction coil on the armature, because there the flux is measured, which is the acting magnetic force generated. Is that because of the large travel ranges, the high positioning speed or other reasons? Not possible for reasons, can be measured using a correction factor from that in the stator magnetic flux can be approximated to the force-generating flux.
Bei Magnetsystemen mit mehreren Arbeitsluftspalten kann der Fluß an jedem dieser Luftspalte gemessen werden oder auch nur an einem Schenkel. Liegt eine bezüglich des Magnetkreises symmetrische Anordnung vor, wie z. B. bei U-Magneten mit Erregerwicklungen auf jedem der beiden Schenkel, so kann der an einem Schenkel ermittelte Fluß einfach verdoppelt werden. Bei einer bezüglich des Magnetkreises unsymmetrischen Anordnung, wie z. B. bei E-Magneten, sind die Magnetflüsse in den verschiedenen Schenkeln durch Streufeldern nicht proportional zueinander und man muß mit Hilfe einer meßtechnisch ermittelten oder auf Modellvorstellungen basierenden Funktion von dem Fluß in einem Schenkel auf den im anderen Schenkel schließen. Nur im geschlossenen Zustand ist bei E-Magneten der Fluß in einem der beiden Außenschenkel etwa halb so groß wie der im Mittelschenkel, während bei maximalem Luftspalt der Fluß im Außenschenkel durch Streuflüsse wesentlich geringer ist. Die Erregerwicklung zur Messung der Induktions spannung heranzuziehen ist meist ungünstig, weil der temperatur- und stromabhängige Spannungs abfall über dem ohmschen Widerstand der Erregerwicklung von der gemessenen Steuerspannung abgezogen werden muß und außerdem keine galvanische Trennung von Meß- und Steuerstrom kreis vorliegt, kann aber in Einzelfällen zu einem besonders einfachen Aufbau führen.In the case of magnet systems with several working air gaps, the flow can occur at each of these air gaps be measured or even only on one leg. There is one regarding the magnetic circuit symmetrical arrangement, such as. B. with U-magnets with excitation windings on each of the both legs, the flow determined on one leg can simply be doubled. At an asymmetrical with respect to the magnetic circuit arrangement, such as. B. with E-magnets are the magnetic fluxes in the different legs due to stray fields are not proportional to each other and one must with the help of a metrologically determined or based on model ideas Infer function from the flow in one leg to that in the other leg. Only in closed state, the flux in one of the two outer legs is about half as large as that in the middle leg, while at maximum air gap the flow in the outer leg due to stray flows is much lower. The excitation winding for measuring induction It is usually unfavorable to use voltage because of the temperature and current-dependent voltage drop across the ohmic resistance of the excitation winding from the measured control voltage must be deducted and also no electrical isolation of the measurement and control current circle is present, but in individual cases can lead to a particularly simple structure.
Die Messung des Erregerstromes erfolgt z. B. über einem Strommeßwiderstand oder mit einem auf Hallsensoren oder ähnlichem beruhenden berührungslosen Stromsensor.The excitation current is measured e.g. B. over a current measuring resistor or with one Hall sensors or similar based non-contact current sensor.
Die beiden vorgeschlagenen Varianten zur Ermittlung der Bewegungsgrößen aus Magnetfluß oder aus Strom und Magnetfluß sind nicht nur für einen kleinen Luftspaltbereich, der annähernd mit einer linearen Näherung beschrieben werden kann, anwendbar. Der Hub des Magnetsystems ist nicht beschränkt und kann bei üblichen technischen Anwendungen z. B. 20 mm betragen. Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Verwendung einfacher und billiger Sensoren zur indirekten Messung der Bewegung, wie einer Induktionsspule mit Integrator. Damit hat man mit Hilfe eines preiswerten Flußsensors (z. B. Induktionsspule, Hallelement, Feldplatte) und eines einfachen Modells, das in einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller implementiert wird, einen bzw. mehrere aufwendige Bewegungssensoren ersetzt. Die Bewegungsgrößen stehen zur Ver fügung und können im selben Mikrocontroller für eine Anzeige aufbereitet, überwacht oder in einer Regelung verwendet werden.The two proposed variants for determining the movement quantities from magnetic flux or of current and magnetic flux are not only for a small air gap area, which is approximately with a linear approximation can be used. The stroke of the magnet system is not limited and can be used in conventional technical applications such. B. 20 mm. The solution according to the invention is based on the use of simple and inexpensive sensors indirect measurement of motion, such as an induction coil with integrator. So you have with With the help of an inexpensive flow sensor (e.g. induction coil, Hall element, field plate) and one simple model that is implemented in a microprocessor or microcontroller, one or replaced several complex motion sensors. The movement sizes are available and can be prepared, monitored or integrated in the same microcontroller for display a regulation can be used.
Zur Verdeutlichung der Merkmale und Vorteile soll die Erfindung anhand eines Ausführungs beispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: To clarify the features and advantages, the invention is intended to be based on an embodiment example will be explained in more detail. In the accompanying drawings:
Fig. 1: Das allgemeine Wirkprinzip eines elektromagnetischen Aktors mit einem Algorithmus zur Berechnung der mechanischen Bewegungsgrößen aus dem Kräftegleichgewicht, Fig. 1: The general principle of operation of an electromagnetic actuator with an algorithm for calculating the mechanical movement amounts from the equilibrium of forces,
Fig. 2: Das allgemeine Wirkprinzip eines elektromagnetischen Aktors mit einem Algorithmus zur Berechnung des Luftspaltes aus einer strom- und magnetflußabhängigen Funktion, Fig. 2: The general principle of operation of an electromagnetic actuator with an algorithm for calculating the air gap from a power and magnetflußabhängigen function,
Fig. 3: Einen Vergleich von gemessenen Werten von Ankerweg und -geschwindigkeit mit den nach dem ersten Verfahren berechneten Werten, FIG. 3 shows a comparison of measured values of armature travel and speed with the calculated values according to the first method,
Fig. 4: Ein Blockschaltbild einer v(x)-Bahnregelung eines Elektromagneten für ein Schaltgerät als eine Anwendung des in Fig. 1 dargestellten Rechenvorganges, . FIG. 4 is a block diagram of a v (x) -Bahnregelung an electromagnet for a switching device as an application of the computing process shown in Figure 1,
Fig. 5: Eine prinzipielle Schaltungsanordnung für diese Bahnregelung mit Mikrocontroller und Fig. 5: A basic circuit arrangement for this path control with microcontroller and
Fig. 6: Die Ergebnisse der Bahnregelung nach der Schaltungsanordnung aus Fig. 4. Fig. 6: The results of the path control according to the circuit arrangement of Fig. 4.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines linearen elektromagnetischen Aktors, bestehend aus Anker 1, Stator 2 und Erregerspule 3, dargestellt. Die an der Erregerspule angelegte Betriebs spannung USpule erzeugt eine magnetische Urspannung nach dem Durchflutungsgesetz, die einen magnetischen Fluß Φ durch Stator 2, Luftspalt und Anker 1 treibt. Dieser Fluß Φ verursacht eine Kraftwirkung FMagnet auf den Anker 1, die eine Bewegung des Ankers 1 in Richtung des feststehenden Stators 2 hervorruft und den Luftspalt schließt. Die Last, hier die Rückdruckfeder 4, dient nach Abschalten der Betriebsspannung und nach Zusammenbrechen des Magnetfeldes zur Bewegung des Ankers zurück in seine Ausgangslage.In Fig. 1 the basic structure of a linear electromagnetic actuator, consisting of armature 1 , stator 2 and excitation coil 3 , is shown. The operating voltage applied to the excitation coil U coil generates a basic magnetic voltage according to the Flood Act, which drives a magnetic flux Φ through stator 2 , air gap and armature 1 . This flux Φ causes a force effect F magnet on the armature 1 , which causes the armature 1 to move in the direction of the fixed stator 2 and closes the air gap. The load, here the back pressure spring 4 , serves to move the armature back to its starting position after the operating voltage has been switched off and after the magnetic field has collapsed.
Mit Hilfe eines Sensors 5, der den Magnetfluß Φ (z. B. Induktionsspule) oder die magnetische Flußdichte B (z. B. Feldplatte o. Hall-Element) mißt, kann diese Kraftwirkung über Formel (1) berechnet werden. Entsprechend des in Fig. 1 dargestellten Rechenvorganges lassen sich die mechanischen Bewegungsgrößen Ankerbeschleunigung a, -geschwindigkeit v und -weg x ermitteln, da bis auf den Magnetfluß Φ sämtliche Größen, wie Luftspaltfläche A, Last- und Gewichtskräfte sowie die Ankermasse m bekannt sind und aus dem realem Objekt abgeleitet werden können.With the help of a sensor 5 , which measures the magnetic flux Φ (e.g. induction coil) or the magnetic flux density B (e.g. field plate or Hall element), this force effect can be calculated using formula (1). According to the calculation process shown in FIG. 1, the mechanical movement variables armature acceleration a, speed v and displacement x can be determined, since apart from the magnetic flux Φ all variables such as air gap area A, load and weight forces and the armature mass m are known and are known from can be derived from the real object.
In Fig. 2 ist die zweite Variante zur Ermittlung des Ankerweges x über eine strom- und magnetflußabhängige Funktion dargestellt. Dazu wird mit Hilfe eines Sensors 5 der Magnetfluß Φ und mit einem Sensor 6 der Strom I durch die Erregerwicklung 3 gemessen und mit einem Berechnungsalgorithmus der Weg x ermittelt.In FIG. 2, the second variant for determining the armature path x is represented by a current and magnetflußabhängige function. For this purpose, the magnetic flux Φ is measured with the aid of a sensor 5 and the current I through the excitation winding 3 is measured with a sensor 6 and the path x is determined with a calculation algorithm.
Fig. 3 zeigt einen Vergleich von gemessenen Bewegungsgrößen an einem E-Magnetsystem mit den nach dem Algorithmus in Fig. 1 errechneten Werten. Es ist zu sehen, daß das tatsächliche Verhalten sehr gut nachgebildet wird. Die errechneten Werte sind so genau, daß sie zu einer nachfolgenden Bahregelung und Positionserfassung weiterverwendet werden können. Außerdem kann zu jedem Zeitpunkt des betrachteten Anzugsvorganges die genaue Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Aktors angegeben werden. FIG. 3 shows a comparison of measured movement quantities on an E-magnet system with the values calculated according to the algorithm in FIG. 1. It can be seen that the actual behavior is reproduced very well. The calculated values are so precise that they can be used for subsequent stretcher control and position recording. In addition, the exact position, speed and acceleration of the actuator can be specified at any time during the tightening process under consideration.
Eine mögliche Anwendung dieses Verfahrens ist als Blockschaltbild in Fig. 4 aufgezeichnet. In elektromagnetischen Schaltgeräten ist es zum Teil notwendig, die Ankergeschwindigkeit v einem optimalen v(x)-Profil anzupassen, um das Prellen der elektrischen Kontakte während des Schließens zu minimieren. Das führt zu einer Verringerung des Kontaktabbrandes, die zur Erhöhung der Lebensdauer des Schaltgerätes oder zur Verringerung des eingesetzten Kontaktmaterials genutzt werden kann. Das Regeln nach dieser vorgegebenen Sollbahn setzt aber die Kenntnis von aktueller Ankerposition x und -geschwindigkeit v voraus. Diese Signale können aber bisher nur mit Hilfe von relativ kostenaufwendigen mechanischen Bewegungssensoren gewonnen werden, wodurch die Gesamtkosten des Systems für eine industrielle Anwendung nicht mehr vertretbar sind.A possible application of this method is recorded as a block diagram in FIG. 4. In electromagnetic switching devices, it is sometimes necessary to adapt the armature speed v to an optimal v (x) profile in order to minimize the bouncing of the electrical contacts during closing. This leads to a reduction in the contact erosion, which can be used to increase the service life of the switching device or to reduce the contact material used. The regulation according to this predetermined target path requires knowledge of the current anchor position x and speed v. So far, however, these signals can only be obtained with the aid of relatively expensive mechanical motion sensors, as a result of which the total costs of the system are no longer justifiable for industrial use.
In der vorgeschlagenen Anordung nach Fig. 4 werden zwei Magnetflußsensoren 5 am Mittel schenkel und an einem Außenschenkel benutzt, weil durch luftspaltabhängige Streuflüsse keine Proportionalität zwischen den Teilflüssen ΦMS und ΦAS vorhanden ist. Es besteht genauso die Möglichkeit, nur einen der beiden Teilflüsse zu messen, und mit einem durch Messungen oder rechnerisch ermittelten Zusammenhang auf den andern Teilfluß und die von ihm verursachte Kraftwirkung zu schließen. Dieser Zusammenhang muß dann aber zusätzlich zu den anderen externen Parametern abgespeichert und abgearbeitet werden.In the proposed arrangement according to FIG. 4, two magnetic flux sensors 5 are used on the middle leg and on an outer leg, because there is no proportionality between the partial flows Φ MS and Φ AS due to air gap-dependent stray flows. There is also the possibility to measure only one of the two partial flows and to draw conclusions about the other partial flow and the force effect caused by it by means of measurements or calculations. This relationship must then be saved and processed in addition to the other external parameters.
Die Änderung des magnetischen Flusses im Mittelschenkel ΦMS und des Flusses im Außen schenkel ΦAS des Stators 2 wird mit Induktionsspulen 5 bekannter Windungszahl detektiert. Die induzierten Spannungen UiMS und UiAs werden mit Hilfe der Integratoren 7 zu den Flüssen ΦMS und ΦAS integriert und stehen nun zu Berechnung der Magnetkraft FMagnet in einem Rechenwerk 8 zur Verfügung. Diese Kraft FMagnet läßt sich nach Formel (1) ermitteln und in der anschließenden Kräftebilanz aus den bekannten Gewichts- und Lastkräften kann auf die resultierende Antriebskraft Fres am Anker geschlossen werden. Daraus folgt die Ankerbeschleunigung a sowie mittels Integration die Ankergeschwindigkeit v und abermaliger Integration die Ankerposition x.The change in the magnetic flux in the middle leg Φ MS and the flux in the outer leg Φ AS of the stator 2 is detected with induction coils 5 of known number of turns. The induced voltages U iMS and U iAs are integrated with the help of the integrators 7 to the fluxes Φ MS and Φ AS and are now available in a calculator 8 for calculating the magnetic force F magnet . This force F magnet can be determined according to formula (1) and in the subsequent balance of forces from the known weight and load forces, the resulting drive force F res on the armature can be concluded. This results in the armature acceleration a and, by means of integration, the armature speed v and, once again, the armature position x.
Durch einen Vergleich 9 (Fig. 4) der gewonnenen Geschwindigkeits- und Wegwerte mit einem vorhandenen v(x)-Sollprofil läßt sich eine Regeldifferenz Δv einem Zweipunktregler mit Hysterese 10 zuführen, der ein Stellsignal einem elektronischen Stellglied 12 zuführt. Dieser Pulssteller schaltet je nach Soll-Ist-Vergleich die durch einen AC-DC-Wandler 11 bereitgestellte Betriebs spannung USpule der Erregerspule 3 entweder zu oder ab. Die der Erregerwicklung 3 parallel geschaltete Diode 13 dient bei Abschalten der Betriebsspannung USpule als Freilaufzweig und garantiert das Weiterfließen des Spulenstroms I. Die durch Öffnen des Stellgliedes 12 hervor gerufene Unterbrechung der Energiezuführung im elektrischen Teil des Schaltgerätes überträgt sich auf den Magnetkreis und damit auf den Magnetfluß Φ. Die Veränderung des magnetischen Flusses Φ erhöht oder vermindert die Magnetkraft FMagnet, die direkt die Beschleunigung a des Ankers I bewirkt. Eine Verringerung der Magnetkraft FMagnet hat eine Verkleinerung der Ankerbeschleunigung a zur Folge. Dadurch wird die Geschwindigkeit v des Ankers 1 einstellbar.By comparing 9 ( FIG. 4) the speed and distance values obtained with an existing v (x) target profile, a control difference Δv can be fed to a two-point controller with hysteresis 10 , which feeds an actuating signal to an electronic actuator 12 . Depending on the target-actual comparison, this pulse controller switches the operating voltage U coil of the excitation coil 3 provided by an AC-DC converter 11 either on or off. When the operating voltage U coil is switched off, the diode 13 connected in parallel with the excitation winding 3 serves as a freewheeling branch and guarantees that the coil current I continues to flow. The interruption of the energy supply in the electrical part of the switching device caused by the opening of the actuator 12 is transferred to the magnetic circuit and thus to the Magnetic flux Φ. The change in the magnetic flux Φ increases or decreases the magnetic force F Magnet , which directly causes the acceleration a of the armature I. A reduction in the magnetic force F magnet results in a reduction in the armature acceleration a. This makes the speed v of the armature 1 adjustable.
Als hardwaremäßige Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens ist in Fig. 5 eine mögliche Schaltungsanordnung mit Mikrocontroller angegeben, in der der in Fig. 1 dargestellte Rechen vorgang durch Maschinenalgorithmen nachvollzogen wird. Dabei wurden zur internen Berech nung nur Ganzzahlen verwendet, um Abtast- und Rechenzeiten so gering wie möglich zu halten. Das Spannungssignal der beiden Sensorspulen 5 wird über einen Input-Port des Mikrocontrollers, einer AD-Wandlungseinheit ADC, aufgenommen und in digitale Größen gewandelt. Die anschlie ßende Integration zum Magnetfluß Φ übernimmt ein numerisches Rechenverfahren, dem die Trapezregel zugrunde liegt. Danach wird die Magnetkraft FMagnet nach bekannter Formel (1) bestimmt und der Kräftebilanz zugeführt. In einem EPROM abgelegte Tabellen repräsentieren die Werte der Lastkraft FLast, des Gewichts FGewicht, die v(x)-Sollkurve sowie die Größen Masse m, Arbeitsluftspaltfläche A etc. Aus der Kräftebilanz ergibt sich die momentane Beschleunigung. Ihre Integration zur Geschwindigkeit v und zum Ankerweg x übernimmt ebenfalls ein numerisches Verfahren. Der nachfolgende Soll-Istvergleich erzeugt die Regeldifferenz v, die von einem Regel algorithmus eines Zweipunktreglers 10 ausgewertet wird. Dieser Zweipunktregler 10 setzt je nach Ergebnis des Vergleichs einen Output-Port des Mikrocontrollers entweder auf High oder Low, womit das elektronische Stellglied 12 veranlaßt wird, die vom AC-DC-Wandler 11 bereitgestellte Spulenbetriebspannung an die Erregerwicklung 3 an- oder abzuschalten. Mit 13 ist wiederum eine Freilaufdiode bezeichnet, die der Erregerwicklung 3 eines elektromagnetischen Schaltgerätes parallelgeschaltet ist.As a hardware implementation of the proposed method, FIG. 5 shows a possible circuit arrangement with a microcontroller, in which the computing process shown in FIG. 1 is reproduced by machine algorithms. Only integers were used for internal calculation in order to keep sampling and calculation times as short as possible. The voltage signal of the two sensor coils 5 is received via an input port of the microcontroller, an AD conversion unit ADC, and converted into digital quantities. The subsequent integration to the magnetic flux Φ takes over a numerical calculation method, which is based on the trapezoidal rule. The magnetic force F magnet is then determined according to the known formula (1) and supplied to the balance of forces. Tables stored in an EPROM represent the values of the load force F load , the weight F weight , the v (x) target curve and the quantities mass m, working air gap area A etc. The momentary acceleration results from the balance of forces. Their integration to the speed v and the anchor path x also takes over a numerical procedure. The subsequent target / actual comparison generates the control difference v, which is evaluated by a control algorithm of a two-point controller 10 . Depending on the result of the comparison, this two-point controller 10 sets an output port of the microcontroller either to high or low, which causes the electronic actuator 12 to switch the coil operating voltage provided by the AC-DC converter 11 on or off to the excitation winding 3 . 13 in turn designates a free-wheeling diode which is connected in parallel with the field winding 3 of an electromagnetic switching device.
Fig. 6 zeigt die Ergebnisse eines solchen Regelvorganges nach einer v(x)-Bahnkurve. Die Ankergeschwindigkeit wurde entsprechend Sollkurvenvorgabe eingestellt und führt hier zu der gewünschten Verringerung des Kontaktprellens. Fig. 6 shows the results of such a control process for a v (x) -Bahnkurve. The anchor speed was set according to the target curve specification and leads to the desired reduction in contact bounce.
Durch diese Erfindung wird es relativ einfach, Positionsmessungen an linearen Aktoren indirekt über die Messung einer magnetischen oder einer magnetischen und einer elektrischen Hilfsgröße, für die sehr preiswerte Sensorprinzipe existieren, zu realisieren. Die Erfindung hat genauso eine große Bedeutung für miniaturisierte elektromagnetische Aktoren, weil die vorgeschlagenen indirekten Messungen keine Rückwirkung auf den Aktor haben, nur eine geringe Baugröße besitzen und leicht mit in den Aktor integriert werden können. Mit Hilfe zweier gut nachvollzieh barer Modelle wird die gemessene Hilfsgröße in die tatsächlichen Bewegungskenngrößen trans feriert. Der Aufwand für dieses Prinzip wird in die immer preiswertere Elektronik verlagert. Die mit diesem Modell ermittelten Bewegungsgrößen besitzen ausreichende Genauigkeit für eine breite Palette von industriellen Anwendungen. Entsprechend der Überschaubarkeit der Modell struktur und der geringen Anzahl von Parametern und Rechenschritten kann ein entsprechender Algorithmus dir einen Mikrocontroller ohne die Verwendung von rechenzeitintensiver Gleit- oder Festpunktarithmetik realisiert werden. Die verwendeten Werte lassen sich mit Standard-Integer zahlen nachbilden. Daraus resultieren geringe Rechenzeiten und hohe Abtastraten, die weit unter den Zeitkonstanten des jeweiligen elektromagnetischen Aktors liegen.This invention makes it relatively easy to take position measurements on linear actuators indirectly about the measurement of a magnetic or a magnetic and an electrical auxiliary variable, exist for the very inexpensive sensor principle. The invention also has one great importance for miniaturized electromagnetic actuators because of the proposed ones indirect measurements have no effect on the actuator, only a small size own and can be easily integrated into the actuator. With the help of two well understand models, the measured auxiliary variable is converted into the actual movement parameters celebrated. The effort for this principle is shifted to the increasingly cheaper electronics. The Movement quantities determined with this model have sufficient accuracy for a wide range of industrial applications. According to the manageability of the model structure and the small number of parameters and calculation steps can be a corresponding Algorithm you a microcontroller without the use of computation-intensive sliding or Fixed point arithmetic can be realized. The values used can be used with standard integers replicate numbers. This results in low computing times and high sampling rates that are far below the time constants of the respective electromagnetic actuator.
Aufgrund der quasikontinuierlichen Verfügbarkeit der Positionswerte des Ankers sind Positioniervorgänge, Endlagendetektierung, v(x)-Bahnregelungen und vieles mehr realisierbar. Da sich in Zukunft der Mikrocontroller in vielen Anwendungen mehr und mehr durchsetzen wird, kann diese modellbasierte Ermittlung von Bewegungsgrößen ohne großen Aufwand integriert werden bzw. von dem dafür eingesetzten Mikrocontroller können andere Aufgaben mit übernommen werden. Optische Zustandsmitteilungen über Displays, z. B. der aktuellen Position, Selbstdiagnose, Busfähigkeit, Lernvermögen gekoppelt mit dieser Erfindung eröffnen den Weg dir quasiintelligente Sensor-Aktor-Systeme in breiten Teilen von Forschung, Haushalt und Industrie.Due to the quasi-continuous availability of the position values of the anchor Positioning processes, end position detection, v (x) path controls and much more can be implemented. There the microcontroller will prevail in many applications in the future, this model-based determination of movement variables can be integrated with little effort or by the microcontroller used for it can perform other tasks be taken over. Optical status messages via displays, e.g. B. the current position, Self-diagnosis, bus ability, learning ability coupled with this invention open the way for you quasi-intelligent sensor-actuator systems in large parts of research, household and industry.
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