DE10053647A1

DE10053647A1 - Stromquelle für hochdynamischen Aktuator

Info

Publication number: DE10053647A1
Application number: DE2000153647
Authority: DE
Inventors: Prof Dr Sc Techn Dr H C Budig; Ralf Werner; Steffen Sieradzki
Original assignee: ELEK SCHE AUTOMATISIERUNGS und
Current assignee: ELEK SCHE AUTOMATISIERUNGS und
Priority date: 2000-10-28
Filing date: 2000-10-28
Publication date: 2002-05-08

Abstract

Stromquelle für einen hochdynamischen und sehr genau positionierenden linearen Antrieb mit Unterteilung der Stromquellen und Energiebereitstellung aus einer Kondensatorbatterie.

Description

Ein hochdynamischer linearer Aktuator benötigt eine Stromquelle die den dynamischen Anforderungen entspricht. Es sollen vom Aktuator Beschleunigungen in der Größe von 4 000 m/s² realisiert werden. Weiterhin muß der Weg-Zeitverlauf der Bewegung einstellbar sein Bild. 1. Der Strom darf aus thermischen Gründen die zu bewegende Spule betreffend, nur eine begrenzte Zeit fließen und es muß möglich sein den Weg- Zeitverlauf variieren zu können.

Damit bestehen die folgenden Forderungen an die Stromquelle:

1. Stromanstiegsgeschwindigkeit 0,5 bis 2 A/µs
2. Stromregelung mit einer Zeitkonstante von 4 µs
3. Stromflußdauer kleiner 2 ms bei Maximalstrom
4. Bereitstellung der Antriebsenergie. Während der Bewegungsvorgänge wird eine maximale Antriebsleistung von etwa 450 kW benötigt.

Diese Aufgaben können mit keinem bekannten Stellerprinzip der Leistungselektronik realisiert werden.

Erfindungsgemäß wird daher die Aktuatorspule in Teilspulen unterteilt, deren jede eine eigene Stromquelle erhält. Damit kann der Energiebedarf der Einzelspulen verkleinert werden proportional zur Zahl der Teilspulen.

Die erforderliche Antriebsenergie kann dem Netz nicht entnommen werden da einerseits der zeitliche Stromverlauf nicht realisierbar ist und zum anderen diese große Energiemenge nicht verfügbar ist. Daher erfolgt die Energiebereitstellung aus Kondensatoren. Jede Teilelektronik erhält eine eigene Kondensatorbatterie. Diese wird aus einem Gleichstromkreis geladen. Dieser Vorgang erfolgt so schnell, daß der zeitliche Betätigungszyklus nicht beeinträchtigt wird.

Da der zeitliche Bewegungsablauf des Aktuators vorgegeben ist, muß der Strom entsprechend geregelt werden. Das erfordert die Messung der Position der Aktuatorspule.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst:

1. Die Messung der Position erfolgt mittels eines optischen Lagemeßsystems, welches wie folgt arbeitet:
Ein Laser-Beam-Sensor besteht aus einem Sender und dem diesen gegenüberstehenden Empfänger. Bewegt sich in diesem Laserstrahl ein Gegenstand, so wird der Laserstrahl je nach Eindringtiefe des Gegenstandes teilweise abgedeckt. Am Ausgang der Sensors steht ein wegproportionales Signal zur Verfügung.
2. Der Aufbau des leistungselektronischen Teiles der Stromteilquellen ist wir folgt zu beschreiben: Es liegt ein 4-Quadrantenpulssteller vor. Dieser muß mit Strömen von einigen 100 A bei Spannungen von einigen 100 Volt arbeiten. Die Steller arbeitet "Stomgeregelt" im Pulsbetrieb.
3. Die Positionsregelung erfolgt analog mit einer PID-Struktur. Basis des Reglers ist in bekannter Weise der Soll-Istwertvergleich des Meßwertes den das Lagemeßsystem liefert. Um eine analog-Digitalwandlung der Istgrößen von Strom und Lage zu vermeiden wird eine Reglerstruktur verwendet wie in Bild dargestellt. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß der analoge Ausgangswert des Stromreglers zur Ansteuerung der digital arbeitenden Pulssteller in bekannter Weise in ein digitales Signalpaket gewandelt wird.
4. Die Synchronisation der Teilstromquellen erfolgt so, daß eine derselben als Master arbeitet und mittels geeigneter elektronischer Koppelelemente, die auch die galvanische Trennung gewährleisten, die anderen Stromquellen in allen 4 Quadranten mitführen.
5. Veränderungen des zeitlichen Verlaufes der Bewegung werden dadurch möglich, daß die in einem Speicher abgelegten Weg-Zeitverläufe neu programmiert und abgespeichert werden oder über eine analoge Schnittstelle von einem Funktionsgenerator vorgegeben werden.
6. Die Bereitstellung der Antriebsenergie erfolgt aus Kondensatorbatterien die aus einer Gleichstromquelle geladen wir. Der zeitliche Verlauf des Ladevorganges kann durch diskrete Bauelemente variiert werden.

Claims

1. Stromquelle zur Speisung eines hochdynamischen und hochgenau positionierenden linearen Aktuators dadurch gekennzeichnet, daß diese in Teilstromquellen, die ihrerseits Teilspulen des Aktuators speisen, unterteilt ist.

2. Stromquelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche elektrische Energie einer Kondensatorbatterie entnommen wird, die in den Pausen zwischen den Bewegungsvorgängen aus einer Gleichstromquelle geladen wird.

3. Teilstromquelle nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß diese im 4 Quadrantenbetrieb als Pulssteller mit einer Pulsfrequenz im Bereich einiger hundert kHz arbeiten.

4. Regelung des Weg-Zeitregimes eines von der Stromquelle = Summe aller Teilstromquellen dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung des Ist-Wertes des Lage des Aktuators durch einen Laser-Beam Sensor erfolgt.

5. Synchronisation der Teilstromquellen dadurch gekennzeichnet, daß eine dieser Teilstromquellen als Master arbeitet und mittels geeigneter Hard- und/oder Soft ware die Synchronisation der zeitlichen Verläufe der Ströme, die die Aktuatorteilspulen speisen, erfolgt.