DE29623652U1 - Schwingförderer - Google Patents

Description

Poul Johansen Development A/S, Industrievej 8, DK-5560 Ärup/Dänemark "^v Schwingförderer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für Schwingförderer der Resonanzbauart, umfassend einen Elektromagneten mit einem Joch.

Um ziemlich kleine Gegenstände zu fördern, werden häufig Vibrations- oder Schwingförderer angewendet, die entweder linear oder schalenförmig ausgebildet sind. Eine typische Ausfiihrungsform eines Schwingförderers enthält eine Schale mit einer an der Innenseite spiralförmig verlaufenden Bahn für die zu fördernden Gegenstände. Die Schale ist an leicht geneigten Blattfedern aufgehängt, die ihrerseits an einem schweren Bodenelement befestigt sind. Diese Teile bilden zusammen ein mechanisches Resonanzsystem. Das Bodenelement ist gewöhnlich auf schwingungsgedämpften Elastomer-Füßen gelagert. An der Oberseite des Bodenelements sind ein oder mehrere Elektromagnete angebracht. Wenn diese an einen Wechselstrom angeschlossen sind, versetzen sie die Schale durch die wechselnde magnetische Anziehung des Jochs an der Schale in Schwingungen, und zwar im Takt mit der Frequenz des Wechselstroms. Normalerweise hat der angelegte Wechselstrom eine feste Frequenz, da die Stromquelle das öffentliche Netz ist. Um bei dieser Frequenz eine ausreichende Vibration zu erhalten, ist es erforderlich, das mechanische Resonanzsystem (annähernd) auf die gleiche Frequenz wie die der aufgebrachten Kraft abzustimmen. Im Falle eines Weicheisenkerns und -joches wird die Frequenz der Kraft das Zweifache der des Stromversorgungsnetzes sein, und zwar wegen der elektromagnetischen Anziehung sowohl während der positiven als auch während der negativen Stromrichtung. Die mechanische Resonanzfrequenz schwankt jedoch als Funktion einer Anzahl von Faktoren, wie zum Beispiel der Temperatur, der Alterung der Federn und der Masse der zu fördernden Gegenstände. Des weiteren ist die aufgebrachte Magnetkraft von den Schwankungen der Netzspannung abhängig. Die Bedienungsperson muß daher die Stromzufuhr zum Schwingförderer ständig einstellen, um eine stabile Förderung der Gegenstände zu erreichen. Sofern eine hohe Geschwindigkeit der Gegenstände verlangt wird, ist es weiterhin erforderlich, den Betrieb von Zeit zu Zeit zu unterbrechen, um die Resonanzfrequenz erneut abzustimmen.

Darüber hinaus hat es sich in der Praxis herausgestellt, daß die mechanische Resonanzfrequenz von der Schwingungsamplitude abhängt, und zwar in der Weise, daß sich die Re-

• · &bgr;

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sonanzfrequenz mit der Erhöhung der Schwingungsamplitude verringert. Falls das mechanische System auf eine höhere Frequenz als die Antriebsfrequenz abgestimmt ist, bewirkt die obige Beziehung eine positive Rückkopplung der Oszillation mit der Erhöhung der Schwingungsamplitude und eine negative Rückkoplung im Falle einer Verringerung der Amplitude. Als Folge davon läuft der Schwingförderer plötzlich außer Kontrolle, wenn mehr Energie zugeführt wird, und stoppt plötzlich, wenn die Energiezufuhr verringert wird. Des weiteren resultiert eine Erhöhung der Masse des oszillierenden Systems durch dessen Beladung mit schweren Gegenständen in einer niedrigeren Resonanzfrequenz, so daß diese sich an die Antriebsfrequenz annähert, wodurch sich die Schwingungsamplitude erhöht und das oben erwähnte Phänomen der positiven Rückkopplung sich manifestiert. Um ein stabiles Fördersystem zu erreichen, ist es daher erforderlich, die Resonanzfrequenz des Schwingförderers derart abzustimmten, daß sie 5 bis 10 % niedriger als die Antriebsfrequenz ist, wodurch eine größere Energiezufuhr erforderlich ist, um eine ausreichende Schwingungs- oder Vibrationsamplitude zu erzielen.

Obwohl der Energiebedarf aufgrund der Resonanz verringert wird, gibt es bei großen Förderanlagen aufgrund des großen Blindstroms, der durch die großen Luftspalte in den Elektromagneten verursacht wird, noch einen Bedarf an überdimensionierter elektrischer Auf- und Ausrüstung. Daraus ergeben sich entweder höhere Zahlungen an das Energieversorgungsunternehmen oder die Notwendigkeit der Anschaffung eines Phasenentzerrers. Bei herkömmlichen Systemen wird die Amplitude der Vibratorschwingung mittels eines verstellbaren Netztransformators (Stelltrafo) für jede individuell abgestimmte Fördereinheit eingestellt. Wahlweise kann eine Regulierung nach Art der Phasenanschnittsteuerung angewendet werden. All diese Faktoren werden als besondere Nachteile der bekannten Systeme angesehen.

Zur teilweisen Behebung dieser Nachteile wurde versucht, eine veränderliche Frequenz anzuwenden, um die Schwingförderer anzutreiben, das heißt, um die individuelle Antriebsfrequenz entsprechend den vorgegebenen mechanischen Resonanzen abzustimmen. Es wurden einfache Frequenzwandler benutzt, aber bessere Ergebnisse erhält man durch Bestimmung der Amplitude und der Frequenz der Schwingung selbst mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers, der Signale bereitstellt, die in einem geschlossenen Regelsystem (Closed-Loop-Regelung) der Frequenzgeneratoren angewendet werden können. Das bringt jedoch Schwierigkeiten bei der Installation mit sich, und es muß sichergestellt werden, daß das Kabel, welches das Signal des

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führt, keiner Zerstörung unterworfen ist oder keinen Mikrofoneffekt (Mikrofonie) bewirkt.

Aus der EP 0 629 568 A2 ist eine Konstruktion bekannt, bei der der Schwingförderer von einer Spannungsquelle angetrieben wird, die rechteckige Impulse erzeugt. Deren Frequenz und Impulsbreite kann so variiert werden, daß der effektive Spulenstrom in Frequenz und Amplitude verändert wird. Daraufhin wird die Schwingungsamplitude gemessen und als Amplitude der dritten Oberschwingung (Oberwelle) des Spulenstroms (im Falle von piezoelektrischen Vibratoren mittels der zweiten Oberschwingung) ausgedrückt. Es wurde gefunden, daß es eine annähernd lineare Beziehung zwischen dem Inhalt der dritten Oberschwingung und der Schwingungsamplitude gibt. Die Amplitude der dritten Oberschwingung wird in einem Regelkreis als Rückkopplung benutzt, damit eine gegebene Amplitude beibehalten werden kann. Die Resonanzfrequenz wird mittels Durchlaufens des Frequenzbereichs und Sperren der Antriebsfrequenz gefunden, wenn der Inhalt der dritten Oberschwingung ein Höchstwert ist. Von da an wird die Antriebsfrequenz konstant gehalten, bis eine gewünschte Schwingung - selbst bei maximalem Strom - nicht aufrechterhalten werden kann. Es wird ein neuer Durchlauf durchgeführt, und die Frequenz wird wieder verriegelt. Das bedeutet, daß zu jedem Zeitpunkt des Einfüllens von Gegenständen auf den Schwingförderer und zusammen mit dem Entladen der Gegenstände eine neue Frequenz abtastung erforderlich ist. Das hat pro Stunde sehr viele unerwünschte Unterbrechungen zur Folge.

Eine andere bekannte Ausführung wird in der US 48 11 835 beschrieben. Dieser Fall befaßt sich ausschließlich mit der bipolaren Bauart, d.h. bei einer solchen, bei der das Joch ein Permanentmagnet ist. Hierbei ist die mechanische Schwingungsfrequenz gleich der Antriebsfrequenz. Wenn die Antriebsspannung sinusförmig ist, wird dem Antriebsstrom ein Signal überlagert, das durch die Bewegung verursacht wird und das daher die gleiche Frequenz wie die Antriebsfrequenz hat. Die Phasenverschiebung des Signals folgt der Phase der Schwingung in der Weise, daß sie im Hinblick auf den Antriebsstrom um -90° und weit weg von der Resonanz um 0° oder 180° in bezug auf den Antriebsstrom verschoben wird. Bei Resonanz wird daher in dem Gesamtstrom ein Beitrag zur Phasenverschiebung geleistet, und entfernt von der Resonanz wird nur die Amplitude des Antriebstroms beeinflußt.

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Das Patent benutzt das, indem die Phase zwischen dem Strom und der Spannung laufend gemessen wird, und die Frequenz wird so eingestellt, daß die Phasenverschiebung zwischen dem Antriebsstrom und der Antriebsspannung ein Minimum ist (das heißt, die Phase der Schwingung ist -90°). Mit dieser Ausführung kann nicht bestimmt werden, ob die augenblickliche Antriebsfrequenz oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz liegt. Die Frequenz wird daher in einer gegebenen Richtung eingestellt, und zwar bis die Phasenänderung seit der letzten Messung positiv ist, das heißt, es erfolgt eine Verstellung weg von der Resonanz. Die Richtung wird geändert, und das Abtasten wird erneut gestartet. Um eine gleichbleibende Schwingungsamplitude aufrechtzuerhalten, werden die gemessenen Werte des Stroms und der Spannung zur Berechnung der zugeführten Energie benutzt. Die Amplitude der Antriebsspannung wird eingestellt, damit die zugeführte Energie konstant gehalten wird. Es wird angenommen, daß die Zuführgeschwindigkeit der Gegenstände eine lineare Abhängigkeit von der zugeführten Energie aufweist. Es gibt daher bei dieser Regelung keine Rückkopplung.

Eine dritte bekannte Ausführung ist in der EP 0 432 881 Al in bezug auf piezoelektrisch angetriebene Vibratoren beschrieben. Das Meßsignal erhält man auf ähnliche Weise wie oben beschrieben, aber die Phase wird benutzt, um die Leistungsaufnahme zu berechnen, und das ist es, was die Regelung konstantzuhalten versucht. Intervalle der Amplitudenregelung wechsein sich ab mit Intervallen der Frequenzregelung. Somit wird die Amplitude bei einer feststehenden Frequenz geregelt, so daß die Leistungsaufnahme ein vorbestimmter Wert wird und während der nachfolgenden Frequenzregelung das Ziel in einer maximalen Leistungsaufnahme besteht. Dieses Regelungsverfahren ist sehr langsam, und eine plötzliche Beladung mit Gegenständen verursacht eine lange Wartezeit bis zum Auffinden einer geeigneten Frequenz (Resonanz).

Keine der beschriebenen Ausführungen ist in der Lage, die Oszillation aktiv zu bremsen. Das Bremsen der Oszillation durch Regelung des Antriebsstroms in der Gegenphase zur Bewegung kann nur erreicht werden, wenn die Phase der Bewegung ständig bekannt ist und den Bremsstrom phasenverriegelt zur Bewegung regeln kann.

Um die obigen Nachteile zu beherrschen, und zwar ohne den Schwingförderer selbst mit weiteren Sensoren usw. zu komplizieren, basiert die vorliegende Erfindung auf einem Prinzip, bei dem die elektrischen Eigenschaften der Elektromagnete selbst als ein Mittel zur Ermittlung

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Bewegung des Vibrators verwendet werden, sowie zur Benutzung dessen, die Frequenz der Amplitude der zugeführten Energie ständig zu regeln, damit der Schwingförderer bei Resonanz angetrieben wird, und zwar so, daß eine gewünschte Amplitude der Schwingung aufrechterhalten wird.

Das Verfahren besteht in der Erzielung eines präzisen Ausdrucks für die Bewegung - wie sie auftritt - durch mathematische Berechnungen auf der Grundlage von gemessenen augenblicklichen Werten (Momentanwerten) für den Strom und die Spannung, die dem Elektromagnet zugeführt werden, und zwar ausgedrückt als momentaner Wert des Luftspaltes des Elektromagneten. Hierdurch erhält man eine wirklichkeitsgetreue Darstellung der Bewegung über der Zeit als sinusförmige Schwingung. Die Amplitude dieses berechneten Signals wird als Regelungswert für die Amplitude des Antriebsstroms verwendet, so daß eine Oszillation mit einer gegebenen Amplitude aufrechterhalten werden kann. Durch Messung der Phasenverschiebung zwischen dem zugeführten Strom und dem berechneten Signal für die Bewegung und durch Anwendung dessen als Regelungswert für die Frequenz des Antriebsstroms ist es eine einfache Sache, die mechanische Resonanzfrequenz mittels eines einfachen phasenverriegelten Regelkreises (PLL-Regelung) zu erreichen. Der Antriebsstrom kann daher im Hinblick auf Frequenz und Amplitude in zwei unabhängigen Regelkreisen geregelt werden, so daß die mechanische Resonanzfrequenz nachgeregelt und eine gewünschte Schwingungsamplitude aufrechterhalten wird.

Die Erfindung kann somit bei einem Schwingförderer der oben angegebenen Art verwirklicht werden, indem eine laufende Messung des Stroms und der Spannung durchgeführt wird, und indem die dadurch für die elektromagnetische Schaltung erhaltenen Eigenschaften zur Berechnung des augenblicklichen Luftspaltes verwendet werden, dessen Wert als Regelungsgröße für den Antriebsstrom benutzt wird, so daß man eine im wesentlichen sinusförmige Schwingung mit einer gewünschten Amplitude erhält.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die sich dadurch auszeichnet, daß die Frequenz des Antriebsstroms als Funktion der durch den augenblicklichen Luftspalt ausgedrückten Phase der Bewegung derart geregelt wird, daß der Antriebsstrom zur Eigenresonanz des Schwingförderers unabhängig von der Beladung phasenverriegelt (phasenstarr) ist, wird ein minimaler Energieverbrauch erreicht.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird erreicht, wenn die Berechnung des Luftspaltes dadurch stattfindet, daß in einem ersten Schritt die augenblickliche elektromotorische Kraft (EMK) von dem Elektromagneten als Generator durch Subtraktion der elektrischen Verluste in dem Elektromagneten von der augenblicklichen Spannung berechnet wird, wobei die elektromotorische Kraft in einem zweiten Schritt integriert wird, wodurch in einem dritten Schritt der durch den integrierten Wert geteilte Strom in einem Signal resultiert, das den augenblicklichen Luftspalt als Funktion der Zeit wiedergibt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung hebt sich dadurch hervor, daß sie umfaßt: Mittel zur Gleichrichtung und Glättung der Netzspannung auf eine entsprechende Gleichspannung, eine Energiestufe zur Erzeugung eines geregelten Antriebsstroms für den Elektromagneten, Einheiten zur Messung, Filterung und A/D-Umwandlung sowohl des Stroms als auch der Spannung, Mittel zur Einstellung der Verstärkung, einen digitalen Prozessor zur Berechnung der Bewegung des Vibrators, ausgedrückt als Referenzwert, der zur Regelung einer im wesentlichen sinusförmigen Energiezufuhr zum Elektromagneten verwendet wird, und zwar während der Regelung der Schwingungsfrequenz zur Resonanz und einer vorbestimmten Schwingungsamplitude.

Eine weitere Ausführungsform hebt sich dadurch hervor, daß sie Mittel zur Erfassung einer Vergrößerung des Luftspaltes und/oder einer Verringerung der Antriebsfrequenz ohne eine entsprechende Änderung des Energieverbrauches und zur Veranlassung der Anzeige einer Federermüdung umfaßt. Auf diese Weise können unerwünschte Unterbrechungen vermieden werden, da der Schwingförderer während einer regulären Wartungsabschaltung gewartet werden kann, bevor sich seine Funktion zu stark verschlechtert hat.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der Antriebsstrom in der Weise geregelt wird, daß er in Gegenphase zur Schwingung ist und somit benutzt werden kann, um diese zu bremsen. Aufgrund des hohen Q-Faktors des mechanischen Schwingungssystems setzt ein Schwingförderer normalerweise seine Oszillation über einen langen Zeitraum nach einer einfachen Unterbrechung der Energiezufuhr fort. Das ist ein bekannter Nachteil bei zur Verwaltung bzw. Führung von Gegenständen verwendeten Anlagen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die in dem System gespeicherte Energie schnell absorbiert, und somit wird der Schwingförderer sehr wirkungsvoll gestoppt.

-7-Die
Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung detailliert beschrieben, in der

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der grundlegenden Bauteile eines Schwingförderers, Fig. 2 eine typische Frequenzkennlinie eines Resonanzsystems mit einem hohen Q-Faktor,

Fig. 3 die grundlegenden Schwingförderer-Resonanzkurven sowohl in der Amplitude als auch in der Phase bei verschiedenen Antriebsströmen,

Fig. 4 die Funktion, die die Amplitude und den Strom bei dem in Fig. 3 beschriebenen Schwingförderer verbindet,

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Antriebssystems gemäß der Erfindung und

Fig. 6 ein vereinfachtes Fließdiagramm für die Datenverarbeitung, die in Verbindung mit der

in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform durchgefühlt wird, zeigt.

In Fig. 1 ist eine Masse 1 dargestellt, die von Federn 2 und 2' getragen wird. Gezeigt ist das Prinzip eines Schwingfordererantriebs, wobei der tatsächliche Aufbau in der Praxis durch die Bauart des Schwingförderers bestimmt ist. Ein Elektromagnet (Solenoid) 3 bildet zusammen mit dem Kern 4, dem Joch 5 und den Luftspalten 6 und 6' eine elektromagnetische Schaltung, die eine von der gesamten Länge der Luftspalte abhängige Impedanz darstellt. Eine Stromquelle 7, die regelbar sein kann, ist angeschlossen, und im Zusammenhang mit den Verbindüngen zu dem Elektromagneten können sowohl der Strom I(t) als auch die Spannung U(t) über diesem in Abhängigkeit von der Zeit t gemessen werden. Nach neuerer Praxis erfolgen die Messungen über Analog-Digital-Wandler, damit die Ergebnisse der Messungen einer digitalen Signalverarbeitung unterzogen werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer mathematischen Berechnung mit gemessenen Augenblickswerten des Stroms und der Spannung an dem Elektromagneten, um einen Ausdruck für die augenblickliche Größe des Luftspaltes des Elektromagneten zu erhalten. Somit erhält man ein zeitlich richtiges Bild der Bewegung als sinusförmige Schwingung. Die

Amplitude dieses berechneten Signals wird als Regelgröße für die Amplitude des Antriebsstroms verwendet, so daß eine Oszillation mit gegebener Amplitude beibehalten werden kann.

Die Phase zwischen der Bewegung und der Zuführung von Energie bei einem mechanischen Resonanzkreis ist als in Fig. 2 dargestellt bekannt. Durch Messung der Phasenverschiebung zwischen der Energiezufuhr und dem berechneten Signal, das die Bewegung repräsentiert, und Benutzung dessen als Regelgröße für die Frequenz des Antriebsstroms kann diese leicht geregelt werden, um mit der mechanischen Resonanzfrequenz übereinzustimmen, und zwar mittels eines einfachen phasen verriegelten Regelkreises (PLL-Kreis). 10

In Fig. 3 ist eine vollständig allgemeine Resonanzfunktion für einen Schwingförderer dargestellt, d.h. Kurven, die die Amplitude und die Phase der Schwingung wiedergeben, wenn diesem ein Wechselstrom mit einer konstanten Amplitude, aber veränderlicher Frequenz, zugeführt wird. Die Phase wird als die Phase der Bewegung in bezug auf die Phase des Stroms betrachtet. Der Qualitätsfaktor Q für das Schwingsystem ist die Amplitude, die man bei Resonanz im Vergleich mit der Antriebsamplitude erhält, und er kann im vorliegenden Fall mit etwa 10 angenommen werden und ist ein Ausdruck für die geringen Verluste, die in dem vorliegenden System vorhanden sind.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß man im Falle der Regelung der Frequenz in der Weise, daß die Phase zwischen der Bewegung und dem zugeführten Strom 90° ist, unabhängig von der Schwingungsamplitude eine Resonanzspitze erhält. Der Antriebsstrom kann daher in bezug auf die Frequenz und die Amplitude geregelt werden, und zwar unabhängig und sich nicht gegenseitig beeinflussend in zwei Regelkreisen, so daß die mechanische Resonanzfrequenz mitgemacht und eine gewünschte Schwingungsamplitude aufrechterhalten wird. Man kann daher mit einem Minimum an Energieaufwand eine Oszillation mit einer gewünschten Amplitude beibehalten, und zwar unabhängig von der Belastung und der Resonanzfrequenz.

Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt die nachfolgenden theoretischen Zusammenhänge zwischen den elektrischen Eigenschaften eines Elektromagneten mit einem Luftspalt und der Spaltlänge, wobei das magnetische Feld um den gesamten magnetischen Feld(linien)verlauf als homogen angenommen wird. Bei der Aufstellung der Ausdrücke werden die nachfolgenden Symbole verwendet:

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E(t) = Elektromotorische Kraft

U(t) = Spulenspannung

I(t) = Spulenstrom

G(t) = Magnetischer Luftspalt

R = Spulenwiderstand

A = magnetische Hache

Φ(0 = magnetischer Kraftfluß

1 = gesamte magnetische Länge

lfe = magnetische Länge im Kern und im Joch

&mgr;&egr; = effektive magnetische Permeabilität

lfe = relative magnetische Permeabilität von Kern und Joch

&mgr;&ogr; = Vakuum-Permeabilität

Entsprechend dem Faradayschen Gesetz erhält man:

(1) E(t) =

Der elektromagnetische Standardausdruck ist:

(2) Φ(0 = I(t)*(Ue *N*A)/1

Durch Umformen von (2) in bezug auf die Vakuum-Permeabilität erhält man:

(3) O(t) = I(t)*(uo*N*A)/((Wufc)+G(t)) Durch Einsetzen in (1) erhält man:

(4) E(t) = N*(uo*N*A)*(d/dt)[I(t)/((l_fe/_Ufe)+G(t))] Die Integration über die Zeit auf beiden Seiten ergibt:

(5) /E(t) = (uo*N²*A)[I(t)/((l_fe/_Pfe)+G(t))] +k

Wenn die Integration bei I(t) = 0 => k=0 beginnt, erhält man

(6) I(t)/ / E(t) = G(t)/(_Uo*N²* A) + (&ngr;&mgr;_&iacgr;&egr;)/(&mgr;₀*&Ngr;²*&Agr;), was eine lineare Funktion zwischen dem durch die integrierte elektromotorische Kraft dividierten Strom und der Länge des Luftspaltes darstellt. Die elektromotorische Kraft erhält man durch Subtraktion

· ♦

- 10-der
Verluste von der Spannung:

(7) E(t) = U(t)-R*I(t),

wonach E(t) integriert wird, und G(t) erhält man
durch Einsetzen von (7) in (6) zu
(8) G(t) = (&mgr;_&ogr;*&Ngr;²*&Agr;)* I(t)/(i(U(t)-R*I(t))+lfe/y_fe).

Es ist erkennbar, daß es nur Veränderungen in der Größe von &mgr;& in Verbindung mit der Sättigung des Eisens sind, die den Grad der Linearität in dem Ausdruck beeinflussen, da alle anderen Parameter als unveränderlich über die Zeit betrachtet werden. Jedoch liegt bei einem Elektromagneten von mittlerer Größe der Wert von (IiJ]Ik) in der Größenordnung von 0.04 mm (lfe = 200 mm und \if_e = 5000), und selbst eine Änderung von ± 50% würde nur einen Fehler von ca. ± 0.02 mm ergeben.

Durch fortlaufendes Berechnen von G(t) aus (8) erhält man ein Signal, das die Oszillation des Vibrators um einen konstanten Wert beschreibt, der Go + WUfe ist, das heißt der auf das Vakuum zurückgerechnete Durchschnittswert des magnetischen Pfades. Durch Benutzung der Amplitude dieser Schwingung zur Regelung der Amplitude des Antriebsstroms und durch Verwendung der Phase als Regelung der Antriebsfrequenz kann eine gegebene Schwingungsamplitude aufrechterhalten werden, und die Antriebsfrequenz kann bei der gegenwärtig vorhandenen Resonanzfrequenz gehalten werden. Für die Stabilität des Systems ist es wichtig, daß beide Parameter laufend geregelt werden, da sich mit einer Veränderung der Beladung/ Belastung sowohl die Resonanzfrequenz als auch die Schwingungsamplitude sehr schnell ändern können. Es ist besonders wichtig, daß die Frequenzregelung schnell und präzise erfolgt, so daß schnellen Änderungen in der Resonanzfrequenz gefolgt werden kann. Andernfalls kann die Schwingungsamplitude durch die Amplitudenregelung nicht beibehalten werden. Die Amplitudenregelung muß notwendigerweise ziemlich langsam (GBW = 0.5 bis 5 Hz) sein, da das Q des Resonanzkreises einen sehr niedrigen Frequenzpol (eine große Zeitkonstante) in dem Regelkreis für die Amplitude verursacht.

Es wurde experimentell festgestellt, daß durch Beladung des Schwingförderers mit einer schweren Last die Resonanzfrequenz um soviel wie 30 % fallen kann und der Strombedarf 400 % ansteigt, selbst wenn der Vibrator zu jeder Zeit bei Resonanz angetrieben wird. Wenn man jedoch eine gegebene Antriebsfrequenz beibehält, zum Beispiel entsprechend der Reso-

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im Falle eines Förderers mit einer geleerten Schale, ist die Resonanzfrequenz bis zu 30 % von der Antriebsfrequenz (weg), und der Bedarf an zusätzlicher Energie steigt sehr stark. In Fig. 3 ist dargestellt, daß eine Abweichung von nur 5% zu einem Ansteigen des Strombedarfs führt, der dreimal so groß ist, falls die Schwingungsamplitude beibehalten werden soll. Das entspricht 1200 % im Vergleich mit einer leeren Schale und bei einem Antrieb bei Resonanz.

Selbst bei konstanter Beladung wird der Vibrator nur mit großen Schwierigkeiten gleichmäßig angetrieben werden können, wenn die Antriebsfrequenz bei Resonanz festgelegt ist. Das beruht auf einer hochlinearen Funktion zwischen der Energiezufuhr und der Schwingungsamplitude, weil die Resonanzfrequenz als Funktion der Schwingungsamplitude auch verschoben wird. Die Antriebsfrequenz wird daher nicht in der Lage sein, die Resonanzspitze bei allen möglichen Schwingungsamplituden zu treffen. Falls in Fig. 3 die Antriebsfrequenz 95.5 Hz betragen soll, ist zu sehen, daß sich der Resonanzpunkt bei einer niedrigen oder keiner Vibration oberhalb der Antnebsfrequenz befinden wird, und es muß sehr viel Energie aufgewandt werden, um eine Oszillation zu bewirken. Wenn die Oszillation allmählich stärker wird, bewegt sich die Spitze der Resonanz näher zur Antnebsfrequenz, und die Oszillation vergrößert sich plötzlich stark (positive Rückkopplung), bis die Spitze der Resonanz die Antriebsfrequenz passiert hat. In der Folge ist eine weitere starke Energieerhöhung erforderlich, weil eine erhöhte Schwingungsamplitude nur bewirkt, daß die Spitze der Resonanz weiter von der Antriebsfrequenz weg bewegt wird (negative Rückkopplung). Dieses Phänomen ist in Fig. 4 graphisch dargestellt. Diese Nichtlinearität macht es sehr schwierig, die Schwingungsamplitude genau zu regeln.

In Fig. 4 ist der Zusammenhang zwischen der erzielten Amplitude und dem Strom bei unterschiedlichen Antriebsbedingungen wiedergegeben.

In Fig. 5 ist ein auf eine Ausführungsform der Erfindung bezogenes Blockdiagramm dargestellt. Der elektromechanische Resonanzkreis 8 enthält die Masse des Vibrators einschließlich des Joches, der Federn und des Elektromagneten mit seinem Eisenpfad und seinem Luftspalt G. Der Resonanzkreis wird durch die Energiestufe 9 angetrieben, und die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung eines richtigen Signals für diesen Zweck. Der von dem Resonanzkreis 8 aufgenommene Strom wird mittels der Einheit 10 gemessen, die ein parallelgeschalteter Widerstand (Nebenschlußwiderstand) sein kann, über dem die Spannung gemessen wird. Da

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eine digitale Signalverarbeitung gewünscht ist, wird das Signal in dem Filter 11 tiefpaßgefiltert, bevor eine kontinuierlich veränderliche Verstärkung an die Einheit 12 angelegt wird. Diese Einheit bildet selbst keinen Teil der Erfindung, aber sie macht es möglich, daß der Regelkreis eingestellt werden kann, um sowohl große als auch kleine Vibratoren steuern zu können, und zwar ohne irgendwelche Änderungen in ihrer Konstruktion. Anschließend wird das Signal in dem analog-zu-digital-Wandler 13 in ein digitales Signal umgewandelt. Auf ähnliche Weise wird die Spannung parallel zu den Anschlüssen des elektromechanischen Resonanzkreises über über einen Filter 14 gemessen und in dem analog-zu-digital-Wandler 15 in digitale Form umgewandelt. Diese Signale werden in einem Mikroprozessor 16 verwendet, der mit diesen eine Signalbearbeitung durchführt, und zwar derart, daß der Luftspalt G als Funktion G(t) der Zeit mittels der gemessenen Spannungen U(t) und Ströme I(t) ausgedrückt werden kann.

Der Mikroprozessor 16 regelt - in Abhängigkeit von der physikalischen Größe des elektromechanischen Resonanzkreises - auch die lineare Verstärkung des Stromsignals in der Einheit 12. Der Zweck dieser Regelung besteht darin, den Strom so zu regeln, daß die Kraft bei einer geeigneten Frequenz annähernd sinusförmig wird, die in einer weiteren Ausführungsform eine Frequenz ist, die zu dem Strom der mechanischen Resonanzfrequenz des Schwingförderers phasenverriegelt ist.

In Fig. 5 ist das Ergebnis der digitalen Signalverarbeitung ein digitaler Wert, der als Referenz für die Regelung des Stroms in dem Resonanzkreis 8 wirkt. In der dargestellten Ausführungsform wird dieser Wert in einem digital-zu-analog-Wandler 17 in einen analogen Wert umgewandelt, der in einem Impulsbreitenmodulator 18 als Referenz verwendet wird, und zwar als analoger Wert des momentanen Stroms für den Resonanzkreis 8. Dadurch erhält man einen Rückkopplungsschleife, die den Luftspalt G in einer gewünschten Art und Weise regelt. Das Ausgangssignal vom Impulsbreitenmodulator wird über einen Antriebsschaltkreis 19, 19' für positive bzw. negative Halbwellen zu dem Energieverstärker 9 geführt. Es ist einem Fachmann wohlbekannt, die jeweiligen Rückkopplungsschleifenverstärkungen und Zeitkonstanten einzustellen, um eine Eigenschwingung oder Sättigung in der Rückkopplungsschleife zu verhindern.

In Fig. 6a ist ein vereinfachtes Fließdiagramm für das Programm wiedergegeben, das von dem Mikroprozessor 16 durchgeführt wird, um Referenzsignale für die Regelung des dem Reso-

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• ·

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nanzkreis 8 zugeführten Stroms zu erhalten. Die Berechnung beruht auf den elektromagnetischen Grundregeln bezüglich der EMK in einer Spule und der Änderungsgröße des Flusses sowie dem Zusammenhang zwischen Flußstrom und magnetischer Weglänge, die den Luftspalt G einschließt. Hiermit kann der Luftspalt G(t) mittels des Stroms und des Integrals der EMK E(t)isoliert ausgedrückt werden. Praktisch erzeugt der elektrische Widerstand des Elektromagneten einen äquivalenten Spannungsabfall R &khgr; I(t), der, wenn er von der Klemmenspannung U(t) über dem Resonanzkreis abgezogen wird, seine EMK E(t) ergibt. Die nachfolgenden Schritte werden bei der Berechnung gemäß Fig. 6 durchgeführt:

1 neues Setzen des Wertes für den Bezugsstrom

2 Strom und Spannung werden gemessen

3 die elektromotorische Kraft E(t) wird errechnet

4 der Luftspalt des Elektromagneten wird errechnet

5 die Abweichung des Luftspaltes von dem Mittelwert des Luftspaltes wird errechnet

6 ein negativ verlaufender Nulldurchgang wird geprüft, und es wird, wenn das der Fall ist, die Phase gespeichert

7, 8 der Phasenfehler wird berechnet und die Probenzahl wird festgehalten

8 die Vollständigkeit der Schwingungsperiode wird
geprüft

9 der Fehler in der Schwingungsamplitude wird errechnet

10 der Amplitudenfaktor für den Referenzstrom wird in Funktion des Amplitudenfehlers eingestellt

12 die Frequenz wird in Funktion des Phasenfehlers

eingestellt
13 ein neuer Zyklus wird eingeleitet.

Der Mikroprozessor 16 enthält, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, eine Tabelle mit Referenzwerten des Stroms als Funktion der Zahl N, und in Fig. 6b ist wiedergegeben, wie diese Werte in der Errechnung benutzt werden.

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ist ohne weiteres ersichtlich, daß andere Schritte zur Berechnung und eine unterschiedliche Reihenfolge möglich sind, die zu den gleichen Ergebnissen führen, während noch von dem Grundgedanken der Erfindung Gebrauch gemacht wird.

Über die oben erwähnten Vorteile hinaus hat ein Antriebssystem gemäß der Erfindung folgende besonderen Vorteile: Die Funktion ist über die Zeit stabil, weil die Schwingförderer selbsteinstellend sind und sie unempfindlich gegenüber Beladungschwankungen, die die Amplitude bei den bekannten Vibratoren verändern, werden. Man hat mehr Freiheit bei der Wahl des Luftspaltes, was bei einem gegebenen Elektromagneten eine größere Amplitude ermöglicht, jedoch entsprechend einem sehr kleinen Wert des Luftspaltes die Einführung eines Minimums für G erforderlich macht, ohne jedoch eine mechanische Berührung zwischen dem Joch und dem Kern zu verursachen. Im Gegensatz zu - beispielsweise - einer Phasenregelung des zugeführten Netzstroms ist die Bewegung im vorliegenden Fall sinusförmig, so daß weniger akustische Geräusche verursacht werden, da kein Risiko bezüglich der Erregung höherer Oberschwingungen in dem Förderer besteht. Darüber hinaus kann die Hinzufügung einfacher Zählvorrichtungen für die Gegenstände für die tatsächliche Regelung der Fördergeschwindigkeit für die Gegenstände verwendet werden.

Claims (6)

—Patentansprüche: -15-

1. Ein Antriebssystem für Schwingförderer in Resonanzbauart, die einen Elektromagneten mit einem Joch umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß eine laufende Messung des Stroms und der Spannung des Elektromagneten durchgeführt wird, daß die dadurch für den elektromagnetischen Kreis erhaltenen elektrischen Kennwerte zur Er- bzw. Berechnung des augenblicklichen Luftspaltes verwendet werden, dessen Wert als Regelgröße für den Antriebsstrom benutzt wird, so daß eine im wesentlichen sinusförmige Schwingung mit einer gewünschten Amplitude aufrechterhalten wird.

2. Ein Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Antriebsstroms als Funktion der Phase der Bewegung, ausgedrückt durch den augenblicklichen Luftspalt, geregelt wird, derart, daß der Antriebsstrom zu der Eigenresonanz des Schwingförderers unabhängig von der Beladung phasenverriegelt ist.

3. Ein Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Luftspaltes in einem ersten Schritt durch Berechnen der augenblicklichen elektromotorischen Kraft (EMK) vom Elektromagneten als einem Schwingungserzeuger durch Subtraktion der elektrischen Verluste in dem Elektromagneten von der augenblicklichen Spannung erfolgt, wobei die elektromotorische Kraft in einem zweiten Schritt integriert wird, wodurch in einem dritten Schritt der durch den integrierten Wert dividierte Strom in einem Signal resultiert, das den augenblicklichen Luftspalt als eine Funktion der Zeit darstellt.

4. Ein Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zur Gleichrichtung und Glättung der Netzspannung auf eine entsprechende Gleichspannung, eine Energiestufe zur Erzeugung eines geregelten Antriebsstroms für den Elektromagneten, Einheiten zur Messung, Filterung und A/D-Wandlung sowohl des Stroms als auch der Spannung, Mittel zur Einstellung der Verstärkung, sowie einen digitalen Prozessor zur Berechnung der Bewegung des Vibrators, ausgedrückt als Referenzwert, der bei Regelung einer im wesentlichen sinusförmigen Energiezufuhr zum Elektromagneten verwendet wird, und zwar während der Regelung der Schwingungsfrequenz auf Resonanz und eine vorbestimmte Schwingungsamplitude, umfaßt.

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5. Ein Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zur Erfassung einer Vergrößerung des Luftspaltes und/oder einer Verringerung der Antriebsfrequenz ohne eine entsprechende Änderung im Energieverbrauch und zum Veranlassen der Anzeige einer Federermüdung umfaßt.

6. Ein Antriebssystem nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsstrom in der Weise geregelt wird, daß er in Gegenphase zu der Schwingung ist, um diese abzubremsen.