Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Tristan Braun betrachtet den Entwurf nichtlinearer Beobachter auf der Basis eines generischen dynamischen Magnetaktormodells. Diese Methode zur Positionsbestimmung ermöglicht eine systematische Berücksichtigung nichtlinearer und transienter Effekte, die z. B. bei schnellen Schaltvorgängen nicht vernachlässigbar sind. Dafür schlägt er einen geeigneten Zugang zum Beobachterentwurf vor, der auf der singulären Störungsrechnung basiert. Ferner untersucht der Autor Verfahren zur Positionsbestimmung, die auf der Injektion eines periodischen Signals sowie der Schätzung frequenz- und positionsabhängiger Parameter beruhen und insbesondere zur Rekonstruktion langsamer Ankerbewegungen geeignet sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
Elektromagnetisch betätigte Aktoren (kurz Magnetaktoren) bilden als elektromechanische Energiewandler wichtige Antriebskomponenten, gleichermaßen in mechatronischen Systemen, in industriellen Anlagen, in der Luftfahrtindustrie und in der Fahrzeugtechnik [How00,TPDA18]. Es können verschiedene Typen von Magnetaktoren unterschieden werden, bezüglich ihrer Funktionsmerkmale, wie die Verrichtung mechanischer Arbeit durch rotatorische oder translatorische Bewegungen, sowie hinsichtlich ihrer Positionierungsgenauigkeit und Reaktionszeiten [How00]. Magnetaktoren, die eine translatorische Bewegung durchführen sind bspw.
Tristan Braun

Kapitel 2. Vorbetrachtungen: Modellbildung und Zugang zum nichtlinearen Beobachterentwurf

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden einführend die Grundlagen zum nichtlinearen Beobachterentwurf für Magnetaktoren gelegt. Dazu wird zum einen, zu deren mathematischer Beschreibung, ein geeignetes, möglichst allgemeines dynamisches Modell vorgeschlagen. Dabei wird vorrangig auf die für diese Arbeit wesentlichen Aspekte eingegangen; umfangreiche Beiträge zur Modellierung magnetischer Aktoren sind z.B. in den Arbeiten [Kir01, Pir99, Ros99, Sch97] zu sehen. Zum anderen wird ein Zugang zum Beobachterentwurf für eine allgemeine Klasse nichtlinearer Systeme vorgestellt, zu der das System des Magnetaktors gehört.
Tristan Braun

Kapitel 3. Entwurf nichtlinearer Beobachter für Magnetaktoren

Zusammenfassung
Zunächst wird ein nichtlinearer Gleitregimebeobachter für das Modell des Magnetaktors entworfen und die Stabilität der Fehlerdynamik mithilfe der singulären Störungsrechnung analysiert. Auf dieser aufbauend wird ein reduzierter Beobachter mit unbekanntem Eingang entworfen, wobei das Modell des mechanischen Teilsystems des Magnetaktors nicht bekannt sein muss. Der Einfluss von Modellunbestimmtheiten auf die Stabilität wird im Beobachterentwurf berücksichtigt und durch Simulationen veranschaulicht.
Tristan Braun

Kapitel 4. Steuerungsentwurf und beobachterbasierte Folgeregelung

Zusammenfassung
Eine praxisrelevante regelungstechnische Aufgabe beim Betrieb translatorischer Magnetaktoren ist die Reduktion der Aufprallgeschwindigkeit beim Schalten, um Geräusche, mechanische Vibrationen und den Verschleiß zu verringern („softlanding“), siehe z. B. [CKL07, Glü13, PS04].
Tristan Braun

Kapitel 5. Fallbeispiele zum Einsatz der Beobachter

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird der Einsatz der Beobachter zur Zustandsbestimmung und zur sensorlosen Trajektorienfolgeregelung anhand praktischer Ergebnisse diskutiert. Dabei werden sowohl ein schnell schaltendes Magnetventil als auch eine magnetische Kupplung betrachtet. Für die Experimente steht ein dSPACE-System mit einer Prozessor-Karte DS1005 und einer FPGA-Karte DS5203 zur Verfügung. In Abb. 4.1 sind die wesentlichen Komponenten des Signalflussplans des Mess- und Regelungssystems dargestellt. Das FPGA wird zur Programmierung einer unterlagerten Stromregelung und zur Generierung der PWM-Signale verwendet. Der Aktor wird mittels einer Leistungselektronik bestromt. Außerdem steht ein hochauflösender optischer Sensor zur Validierung der Experimente zur Verfügung.
Tristan Braun

Kapitel 6. Positionsbestimmung mittels Signalinjektion

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Zugänge zur Positionsbestimmung basierend auf der Injektion eines harmonischen Testsignals in die Magnetspule vorgestellt, siehe Abb. 5.1. Grundsätzlich wird dabei dem treibenden, niederfrequenten Eingang des Systems ein Signal mit einer höheren Frequenz und vergleichsweise geringer Amplitude überlagert, sodass der Ausgang ebenfalls verschiedenfrequente Signalanteile enthält. Die Auswertung des höherfrequenten Signalanteils des Ausgangs erlaubt aufgrund der beharrlichen Erregung des Systems die Bestimmung frequenz- und positionsabhängiger Parameter. Mittels eines geeigneten, invertierbaren Modells der Positionsabhängigkeit der ermittelten Parameter kann die Position bestimmt werden. Mögliche Sättigungseffekte können dabei im Parametermodell berücksichtigt werden.
Tristan Braun

Kapitel 7. Fallbeispiele zur sensorlosen Regelung mittels Signalinjektion

Zusammenfassung
Die praktische Anwendung der signalinjektionsbasierten Positionsbestimmung zur sensorlosen Folgeregelung wird nun anhand verschiedener Falluntersuchungen demonstriert. Dabei wird die sensorlose Regelung des Schiebers eines Proportional-Wegeventils betrachtet und diese als Anwendungsbeispiel zur unterlagerten Volumenstromregelung in einer Positionsregelung eines Hydraulikzylinders eingesetzt. Außerdem wird ein schnell schaltendes Magnetventil betrachtet und mittels einer sensorlosen Folgeregelung demonstriert, dass der Ventilstößel langsamen Bewegungsvorgaben, ähnlich wie bei einem Proportionalventil, folgen kann.
Tristan Braun

Kapitel 8. Zusammenfassung

Zusammenfassung
Es wurden Methoden zur Bestimmung der nicht direkt gemessenen Zustandsgrößen von elektromagnetisch betätigten translatorischen Aktoren untersucht. Diese sind die mechanisch begrenzte Ankerposition und die Geschwindigkeit des Ankers, wobei die elektrischen Größen, d. h. Spulenstrom und Spulenspannung, als bekannt vorausgesetzt wurden.
Tristan Braun

Backmatter

Weitere Informationen