Software: SimX - Nadelantrieb - Aktordynamik - Elektronik

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Elektronische Schaltung (Controller-Compound)

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:

===>>> Der folgende Abschnitt wird zur Zeit überarbeitet in Hinblick auf die Compound-Bildung !!!

Komponenten (Parameter)

Hier definieren wir nur diejenigen Baugruppen-Parameter, welche für die Konfiguration der vorläufigen inneren Struktur benötigen. Abschließen mit Speichern des Bearbeitungszustandes.

Strukturansicht (Elektronische Schaltung)

• Der 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 schnelle Umwandlung der Magnetfeld-Energie in Wärme.
  • Die Diode verhindert den Stromfluss durch diesen Widerstand bei eingeschaltetem Magneten.
  • Wir nutzen einen "Idealen Schalter".
• Hinweise:
  • Praegung.y ändert sich stetig von Null zum Wert=1.
  • Schalter.onoff benötigt 0=geöffnet / 1=geschlossen.
  • Die Funktion sign(x) liefert -1 / 0 / +1 ("Vorzeichen" von x).
  • Damit kann man den Schalter zum richtigen Schalten veranlassen: Schalter.onoff: sign(1-in1)
    
• Wir konfigurieren die Diode als "Reale Diode" mit den Vorgabewerten.
• Der Schutz-Widerstand sollte wegen der numerischen Stabilität des Modells möglichst "klein" sein. Wir wählen einen hinreichend großen Widerstandswert, welcher nach dem Abschalten des Magneten eine "schnelle" Konvergenz des Spulenstromes gegen Null bewirkt (Größenordnung 1 kΩ).
• Es muss sich qualitativ das folgende Verhalten eines kompletten Prägezyklusses ergeben:
  
• Bei näherem Hinschauen wird man bemerken, dass der Prägezyklus von den in der ersten Etappe erreichten Optimalwerten noch ziemlich weit entfernt ist:
  • Dass es überhaupt mit den Standardwerten der Spule zu einem sinnvollen Anzugsvorgang 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!

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