Software: SimX - Nadelantrieb - Struktur-Optimierung - Struktur-Modifikation

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Struktur-Modifikation (Modell)

Vorbereitung des SimulationX-Modells

Das für die aktuelle Etappe benötigte Simulationsmodell Etappe5_xx.isx (mit xx=Teilnehmer 00..99) erzeugen wir als Kopie aus der Modell-Datei der vorherigen Etappe:

• Dieses SimulationX-Modell muss mit den Parametern des in der Etappe3 erreichten Nennwert-Optimums konfiguriert sein.
• Es enthält die erforderlichen Ergänzungen für die Durchführung der probabilistischen Simulation.

Wichtig:

• Die Nennwert-Optimierung in Etappe3 erfolgte mit einer angenommenen Spulen-Temperatur T_Spule=90°C.
• Im Rahmen der Toleranz-Analyse wurde der obere Grenzwert für den zulässigen Temperaturbereich auf 70°C präzisiert.
• Um dies zu berücksichtigen, muss für die erneute Nennwert-Optimierung CAD.T_Spule=70°C gesetzt werden!

Wir haben uns noch nicht auf eine konkrete neue Schutzbeschaltung als Ersatz für den Schutzwiderstand festgelegt. Jedoch ist die Dimensionierung einer elektrischen Schutzbeschaltung für die Magnet-Spule immer abhängig von den zulässigen elektrischen Grenzwerten. Deshalb erweitern wir die Liste der CAD-Parameter um die elektrische Grenzwerte der Spule im "CAD_Data-Compound":

i_Grenz_Spule   = 1.5 A        [Max. Spulenstrom    ]
v_Grenz_Spule   = 200 V        [Max. Spulenspannung ]

• Diese CAD-Parameter ermöglichen eine nachträgliche Anpassung bzw. Präzisierung der elektrischen Grenzwerte an zentraler Stelle.
• Die Einspeisung dieser Grenzwerte in die zugehörigen Schaltelemente gewährleistet eine automatische Anpassung an die aktuellen Vorgaben.
• Hinweis: Der Wert i_Grenz=1.5 A entspricht der aktuellen Forderung aus Sicht des verfügbaren Netzteils. Dieser Wert muss im Verlaufe der Struktur-Optimierung an die funktionellen "Bedürfnisse" des E-Magneten angepasst werden!

Modifikation der Ansteuerschaltung im Controller-Compound

Die elektrischen Spulen-Grenzwerte werden für die Dimensionierung der Schaltungselemente benötigt. Dafür sind im Controller-Compound die beiden zusätzlichen Parameter-Komponenten zu ergänzen:

i_Grenz  = CAD.i_Grenz_Spule   [Max. Spulenstrom    ]
v_Grenz  = CAD.v_Grenz_Spule   [Max. Spulenspannung ]

Beachte:

• Innerhalb des Type-Designers sollte nicht Bezug auf übergeordnete Bezeichner des konkreten Modells genommen werden!
• Deshalb sollten bei der Definition der neuen Parameter im Controller-Compound unsere vorläufigen Werte als Standardwerte benutzt werden.
• Die Zuweisung der CAD-Werte erfolgt dann erst über die Parameter des aktualisierten Elektronik-Teilmodells.

Die Änderung der Schutzbeschaltung für die Magnet-Spule muss in der Srukturansicht des Controller-Compound erfolgen. Bisher wurde darin nur eine Spannungsreduktion mittels des zu einer Freilauf-Diode in Reihe geschalteten ohmschen Widerstands vorgenommen:

Spannungsbegrenzung mit Z-Diode

Der bisherige konstante ohmsche Widerstand kann einfach durch eine sogenannte Z-Diode ersetzt werden. Damit wird der Spannungsabfall über die Spule automatisch bei jedem Abschaltstrom auf die vorgegebene Grenzspannung begrenzt:

• In Durchlassrichtung verhalten sich Z-Dioden wie normale Dioden. In Sperrrichtung sind Z-Dioden bei geringen Spannungen sperrend, genauso wie normale Dioden. Ab einer gewissen Sperrspannung, der so genannten Durchbruchspannung steigt der Strom innerhalb weniger hundert Millivolt um viele Größenordnungen an.
• Z-Dioden sind zwar für Durchbruchspannungen für bis zu 300 V verfügbar, können aber dabei aber nicht den im Beispiel erforderlichen Strom von mehreren Ampere aufnehmen!
• Es gibt aber die Möglichkeit, durch eine einfache Zusatzschaltung funktionell eine Z-Diode beliebig hoher Leistung zu erzeugen (Siehe: Die Power-Zenerdiode aus Z-Diode und Transistor).

Vereinfacht verwenden wir nur das Modell-Element der Z-Diode (aus Bibliotheken > Elektronik > Analog > Halbleiter) mit seinen Standard-Parametern:

• Als Durchbruchspannung Vbv der Z-Diode weisen wir den v_Grenz-Wert des Controller-Compound-Parameter zu.
• R_Schutz als Parameter wird im Controller-Compound den nicht mehr benötigt -> mit dem SimulationX-TypeDesigner in den Compound-Komponenten löschen.
• Mit v_Grenz=200 V dürfte sich am Verhalten des Magnet-Antriebs nichts merklich ändern, da der Kraftabbau hierbei nur sehr wenig beeinflusst wird.
• Die gemessene Maximalspannung v_Max = -201,4 V resultiert:
  1. aus die Durchlass-Spannung von ca. 0,8 V der in Reihe geschalteten Freilaufdiode und
  2. aus der um ca. 0,6 V über der Durchbruchspannung sich einstellenden Z-Diodenspannung.
• Diese systematische Überschreitung der Grenzspannung von ca. 1,4 V kann man akzeptieren (insbesondere da bei den Kennwerten der Spule Sicherheitsfaktoren berücksichtigt sind!).

===>>> Die folgenden Abschnitte werden noch überarbeitet !!!

Strombegrenzung

Wir greifen die naheliegende Idee auf und versehen das Netzteil mit einem Strombegrenzungselement iGrenz:

• Leider enthält die Modell-Bibliothek keinen Strombegrenzer als Elementtyp, so dass wir selbst ein solches Element entwickeln müssen.
• Wir benutzten dafür direkt einen normalen elektrischen Widerstand, dessen Widerstandswert R sich in Abhängigkeit vom durchfließenden Strom ändern soll:
  R=| i / i_Grenz |⁵¹²
• Der Wert für den Maximalstrom iGrenz wird im Geometrie-Element als zusätzlicher Parameter definiert.

1. Für i<i_Grenz geht der Widerstandswert gegen Null.
2. Für i>i_Grenz nimmt der Widerstandswert große Werte an, um den Strom zu begrenzen.

• Der Exponent=512 hat sich als numerisch günstiger Kompromiss zwischen numerischer Stabilität und Begrenzungsfunktion erwiesen.
• Insbesondere der 2. Fall führt infolge der Exponentialfunktion im Zusammenspiel mit den Eigenarten der numerischen Simulation schnell zu numerischen Problemen. Deshalb erfolgt für den Widerstandsparameter iGrenz.R eine Begrenzung der Exponentialfunktion unter Berücksichtigung der Ereignisbehandlung:

if noEvent(abs(self.i/Geometrie.iGrenz)<1.1)then pow(abs(self.i/Geometrie.iGrenz), 512)else pow(1.1,512)

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