Software: SimX - Nadelantrieb - Aktordynamik - Elektronik
Anforderungen an die Magnet-Ansteuerung
Für die Inbetriebnahme des Elektromagneten verbanden wir die Spulen-Anschlüsse mit einer konstanten Gleichspannung. Damit ließ sich der Anzugsvorgang des Magneten nachbilden:
Anstatt einer einfachen Gleichspannungsquelle benötigt man einen Controller, welcher folgende Aufgaben übernimmt:
- Wählbare Betriebsspannung → wir dimensionieren aktuell den Antrieb für Vel = +24 V und iMax = 1.5 A.
- Ereignisgesteuerte Abschaltung:
- Es soll unter unterschiedlichsten Betriebsbedingungen ein sicheres Prägen gewährleistet sein (mit konstanter Einschaltzeit kaum realisierbar!).
- Erst nach vollständigem Prägen (Praegung=1) soll die Spule von der Betriebsspannung getrennt werden.
- Begrenzung der Abschaltspannung an der Spule durch eine geeignete Schutzbeschaltung.
- Schneller Abbau des Magnetfeldes nach dem Abschalten → Anker mit Nadel möglichst schnell in Ruhelage
Controller-Compound
Diese Controller-Baugruppe soll in Form eines Compound-Teilmodells modelliert werden:
- Die elektrische Masse (Null-Potential der elektrischen Domäne) verbleibt auf der Ebene des Modells. Im Unterschied zur magnetischen Domäne erstreckt sich die elektrische Domäne in Form der elektrischen Anschlüsse von Magnet und Controller nicht nur in der internen Compound-Struktur.
- Wir ersetzen praktisch die Spannungsquelle "Netzteil" (nur diese markieren!) mittels "Zusammenfassen zu einem Compound" durch eine Controller-Baugruppe.
- Dabei erfolgt eine automatische Generierung der benötigten elektrischen Anschlüsse.
- Wir folgend wieder dem bekannten Schema bei der Definition und Konfiguration der Compound-Struktur.
Allgemein
Das automatisch generierte Symbolbild (nur "Spannungsquelle") widerspiegelt nicht ansatzweise die komplexe innere Struktur der Controller-Baugruppe. Deshalb verzichten wir darauf und kreieren minimalistisch den Text "Controller" innerhalb der umrahmten Symbolfläche:
- Vergrößern der Symbolgröße auf 90 x 30
- Löschen des automatisch generierten Bilds der Spannungsquelle
- Zeichnen eines Linien-Zuges entlang der Symbolkante
- Text='Controller' erzeugen (Standard-Vorgaben zum Stil sind ausreichend)
- Verschieben und Anpassen des Textfeldes in den Symbol-Rahmen
Anschlüsse
Die beiden Marker der automatisch erzeugten elektrischen Anschlüsse befinden sich noch mitten im Symbol:
- Wir verschieben sie an die äußeren Gitterlinien der oberen Symbolkante. Damit sollte eine optisch ansprechende Verbindung mit dem Magnet-Compound gelingen.
- Der Kommentar für die Anschlüsse bezieht sich noch auf den Namen des Netzteil-Elementes → kann man in "Controller" ändern:
Komponenten (Parameter)
Hier definieren wir diejenigen Baugruppen-Parameter, welche für die Konfiguration der vorläufigen inneren Struktur benötigen:
- Wir platzieren die Parameter vor die automatisch generierte "Liste" der Modell-Elemente der inneren Compound-Struktur:
- Es sind folgende Parameter mit sinnvoller Standardbelegung zu definieren (z.B.):
V_el = 24 V : Spannung el. Netzteil R_Schutz = 100 Ohm : Begrenzung Abschaltspannung Praegestatus = 0 : (0...1) Ruhelage=0 / geprägt=1
Bevor wir in die Strukturansicht des Magnet-Compounds wechseln, sichern wir den erreichten Bearbeitungszustand:
- TypeDesigner > Fertigstellen
- Elektronik als Element-Name für den Controller im Modell ("ordentlich" platzieren und verbinden)
- Datei > Speichern:
Strukturansicht (Elektronische Schaltung)
In der geöffneten Modelldatei öffnen wir für den Controller-Compound die Strukturansicht, um die erforderlichen Bauteile zur bereits vorhandenen Spannungsquelle hinzuzufügen:
- Der Minus-Pol des Netzteils bleibt dabei weiterhin mit dem elektrischen Anschluss pin2 verbunden.
- Gelöscht werden muss die Verbindung zwischen dem Plus-Pol des Netzteils und pin1.
- Im Verlaufe der Schaltungserweiterung muss man die Bauelemente in ihrer Position entsprechend sinnvoll anpassen:
Netzteil
Damit man den Elektromagneten bei Bedarf für unterschiedliche Betriebsspannungen dimensionieren kann, wurde dieser Spannungswert als Compound-Parameter definiert und wird nun der Spannungsquelle zugewiesen:
Ereignisgesteuerter Schalter
Für jeden einzelnen Prägezyklus wird der Praegestatus des Papiers als Realzahl [0...1] erfasst. Der Elektromagnet soll eingeschalten bleiben, solange das Papier noch nicht vollständig geprägt ist (Praegestatus<1):
- Wir nutzen einen "Idealen Schalter" (Elektrotechnik > Analog > Ideal).
- Schalter.onoff benötigt 0=geöffnet / 1=geschlossen.
- Praegestatus ändert sich stetig von Null zum Wert=1 → geeignete Funktion f für onoff=f(Praegestatus) benötigt
- Die Funktion sign(x) liefert -1 / 0 / +1 ("Vorzeichen" von x) → Damit kann man korrektes Schalten realisieren:
Schalter.onoff: sign (1 - Praegestatus)
- Aus numerischen Gründen erfolgt auch im geöffneten Zustand des Schalters keine Trennung der Leitungsverbindung, sondern es wird ein hinreichend großer Widerstandswert verwendet. In unserem Beispiel kann der Standardwert benutzt werden:
- Analog dazu ist im geschlossen Zustand der Kontaktwiderstand nicht Null, sondern nur hinreichend klein (in der Realität wäre dies der messbare Kontaktwiderstand im µOhm-Bereich).
Schutzbeschaltung
Infolge der Spulen-Induktivität kann sich der Strom durch die Spule nur stetig ändern. D.h., beim Abschalten entsteht schlagartig eine Spannung zwischen den Spulenanschlüssen, welche den aktuellen Stromwert aufrechterhalten kann (z.B. über eine Funkenstrecke):
- Ein E-Magnet muss zur Vermeidung hoher Abschaltspannungen mit einer Schutzschaltung betrieben werden!
- Üblich sind z.B. Schutz-Dioden mit einem Reihenwiderstand:
- Der Widerstand begrenzt die Abschaltspannung auf einen zulässigen Wert und gewährleistet gleichzeitig eine möglichst schnelle Umwandlung der Magnetfeld-Energie in Wärme.
- Die Diode verhindert den Stromfluss durch diesen Parallel-Widerstand bei eingeschaltetem Magneten.
- Wir konfigurieren die Halbleiter > Diode als "Reale Diode" mit den Vorgabewerten.
- Der Widerstand erhält den Parameter-Wert R_Schutz, dessen Optimalwert wir dann für den Controller bestimmen können.
Inbetriebnahme des Elektronik-Teilmodells (Controller-Compound)
Prinzipiell sind die Parameter der Elektronik-Baugruppe (Betriebsspannung und Schutzbeschaltung) Bestandteil der CAD-Daten. Vorläufig konfigurieren wir diese Werte noch direkt ín den Eigenschaften des Elektronik-Compounds:
- Den Praegestatus übernehmen wir aus dem Messung-Compound.
- Für Betriebsspannung und Schutzwiderstand genügen die vordefinierten Standardwerte:
Achtung: Bevor wir das Modellverhalten durch Simulation validieren, sollte man den aktuellen Bearbeitungszustand speichern!
Es genügt im weiteren eine Simulationszeit von 10 ms:
- In einem Ergebnisfenster sind aussagekräftige Signalverläufe wesentlicher Modellgrößen darzustellen:
- Es muss sich qualitativ das folgende Verhalten eines kompletten Prägezyklusses ergeben:
- Der Abbau der Magnetkraft erfolgt ziemlich langsam und verzögert den Abfallvorgang beträchtlich.
- Ursache ist der "kleine" Wert des Schutzwiderstandes von 100 Ohm. Vergrößert man diesen um den Faktor 10 auf R_Schutz=1000 Ohm, so wird die magnetische Feldenergie wesentlich schneller in Wärme umgewandelt:
- Jetzt erkennt man auch deutlicher die Spannungsspitze beim Abschalten und der Einfluss der Bewegungsinduktion auf den Stromverlauf beim nun schnelleren Abfallvorgang wird geringer.
- Bei näherem Hinschauen wird man bemerken, dass der Prägezyklus von den in der ersten Etappe erreichten Optimalwerten trotzdem noch ziemlich weit entfernt ist:
- Dass es überhaupt mit den Standardwerten der Spule zu einem sinnvollen Bewegungsvorgang kommt, ist Zufall!
- Mit etwas Mühe könnte man die Parameter des Antriebs so ändern, dass wir uns besseren Werten nähern.
- Das geht jedoch mit der Optimierung, die wir im Folgenden durchführen werden, viel einfacher!
