DE19544207C2 - Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektromagnetischen Aktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektromagnetischen Aktoren.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 F_Magnet berechnet werden.

Wenn man nun ein Kräftegleichgewicht am Anker zwischen Antriebs- (F_Magnet), Last- (z. B. Federkräfte, Druck eines Fluids, Reibung der Führung, Anschlagskraft u. ä.), Gewichts- (F_Gewicht) und Trägheitskräften aufstellt, kann man bei bekannten Lastkräften F_Last und bei bekannter bewegter Masse m (z. B. Ankermasse, Masse des Kontaktapparates u. ä.) die wirkende Beschleunigung a bestimmen.

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.

Eine zweite Möglichkeit zur Berechnung des tatsächlichen Luftspaltes x besteht in dem folgenden Ansatz:

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.

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 R_Fe und magnetischem Luftspalt­ widerstand R_L 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:

Θ = k . I . w = Φ . (R_Fe + R_L) (4)

Folgender normierter Ansatz wird zur Beschreibung des nichtlinearen Eisenverhaltens genutzt:

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 Φ_N und den stationären Strom als I_N. Mit diesem Ansatz ergibt sich der magnetische Eisen­ widerstand R_Fe zu:

Der magnetische Luftspaltwiderstand R_L eines U-Magnetsystems beträgt bei einem Luftspalt der Größe x und der Polfläche eines Schenkels A:

Setzt man die Gleichungen (6) und (7) in die Gleichung (4) ein, so erhält man nach der Umstellung nach dem Ankerweg x folgende Funktion:

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:

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.

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.

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.

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.

Die Messung des Erregerstromes erfolgt z. B. über einem Strommeßwiderstand oder mit einem auf Hallsensoren oder ähnlichem beruhenden berührungslosen Stromsensor.

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.

Zur Verdeutlichung der Merkmale und Vorteile soll die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Das allgemeine Wirkprinzip eines elektromagnetischen Aktors mit einem Algorithmus zur Berechnung der mechanischen Bewegungsgrößen aus dem Kräftegleichgewicht,

Fig. 2: Das allgemeine Wirkprinzip eines elektromagnetischen Aktors mit einem Algorithmus zur Berechnung des Luftspaltes aus einer strom- und magnetflußabhängigen Funktion,

Fig. 3: Einen Vergleich von gemessenen Werten von Ankerweg und -geschwindigkeit mit den nach dem ersten Verfahren berechneten Werten,

Fig. 4: Ein Blockschaltbild einer v(x)-Bahnregelung eines Elektromagneten für ein Schaltgerät als eine Anwendung des in Fig. 1 dargestellten Rechenvorganges,

Fig. 5: Eine prinzipielle Schaltungsanordnung für diese Bahnregelung mit Mikrocontroller und

Fig. 6: Die Ergebnisse der Bahnregelung nach der Schaltungsanordnung aus 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 U_Spule 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 F_Magnet 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.

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.

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.

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.

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.

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 Φ_MS und Φ_AS 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.

Die Änderung des magnetischen Flusses im Mittelschenkel Φ_MS und des Flusses im Außen­ schenkel Φ_AS des Stators 2 wird mit Induktionsspulen 5 bekannter Windungszahl detektiert. Die induzierten Spannungen U_iMS und U_iAs werden mit Hilfe der Integratoren 7 zu den Flüssen Φ_MS und Φ_AS integriert und stehen nun zu Berechnung der Magnetkraft F_Magnet in einem Rechenwerk 8 zur Verfügung. Diese Kraft F_Magnet läßt sich nach Formel (1) ermitteln und in der anschließenden Kräftebilanz aus den bekannten Gewichts- und Lastkräften kann auf die resultierende Antriebskraft F_res am Anker geschlossen werden. Daraus folgt die Ankerbeschleunigung a sowie mittels Integration die Ankergeschwindigkeit v und abermaliger Integration die Ankerposition 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 U_Spule der Erregerspule 3 entweder zu oder ab. Die der Erregerwicklung 3 parallel­ geschaltete Diode 13 dient bei Abschalten der Betriebsspannung U_Spule 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 F_Magnet, die direkt die Beschleunigung a des Ankers I bewirkt. Eine Verringerung der Magnetkraft F_Magnet hat eine Verkleinerung der Ankerbeschleunigung a zur Folge. Dadurch wird die Geschwindigkeit v des Ankers 1 einstellbar.

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 F_Magnet nach bekannter Formel (1) bestimmt und der Kräftebilanz zugeführt. In einem EPROM abgelegte Tabellen repräsentieren die Werte der Lastkraft F_Last, des Gewichts F_Gewicht, 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.

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.

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.

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.

Claims (7)

1. Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektro­ magnetischen Aktoren, wobei unmittelbar am Arbeitsluftspalt der magnetische Fluß ge­ messen wird, dadurch gekennzeichnet, daß daraus die magnetische Antriebskraft berechnet und über ein Kräftegleichgewicht zwischen magnetischer Antriebskraft (F_Magnet), Last- (F_Last) und Gewichtskräften (F_Gewicht) die resultierende Kraft (F_res) auf den Anker (1) des Aktors (1, 2, 3) bestimmt wird und daraus bei bekannter bewegter Masse (m) die Beschleunigung (a) auf den Anker (1) und gegebenenfalls durch nachfolgende Integration die Geschwindigkeit (v) und der Weg (x) des Ankers (1) berechnet und zur Messung der Aktorbewegung oder zur Regelung mit bekannten Regelstrukturen verwendet werden.

2. Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektro­ magnetischen Aktoren, wobei der magnetische Fluß im Aktor gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum magnetischen Fluß (Φ) der Strom (I) durch die Erregerwicklung (3) gemessen wird und daraus über eine Gleichung x = c₁ . I/Φ - c₂ . ^{Φ m} - c₃ der Ankerweg (x) und wenn es notwendig ist durch Differentiation die Ankergeschwindigkeit (v) ermittelt und zur Messung der Aktorbewegung oder zur Regelung mit bekannten Regelstrukturen verwendet werden, wobei gegebenenfalls der zweite und/oder der dritte Term der Gleichung entfallen können, mit den Konstanten c₁, c₂, c₃ und dem positiv reallen Exponenten m.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungskenn­ größen nicht explizit errechnet werden, sondern schon die den Bewegungsgrößen proportionalen Signale zur Regelung genutzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß (Φ) durch Integration der mittels Induktionsspulen (5) in unmittelbarer Nähe des Arbeitsluftspaltes gemessen Induktionsspannung (Ui) oder über die im Arbeitsluftspalt gemessene Fluß­ dichte (B) ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß (Φ) bei Magnetsy­ stemen mit mehreren Arbeitsluftspalten an jedem dieser Luftspalte erfaßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Magnetsystemen mit mehreren Arbeitsluftspalten der Fluß (Φ) nur in einem Schenkel gemessen wird und der Fluß in den anderen Schenkeln über Funktionen in Abhängigkeit vom Luftspalt (x) und von dem gemessenen Fluß bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Be­ wegungskenngrößen Beschleunigung (a), Geschwindigkeit (v) und Weg (x) zu einer wegabhängigen Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsregelung des Aktors (1, 2, 3) nach einem in Abhängigkeit von der Position des Ankers (1) vorgegebenem Sollwert verwendet werden.