Glück, T. (2013). Soft landing and self-sensing strategies for electromagnetic actuators [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/160085
Typischerweise zeichnen sich mechatronische Produkte durch eine hohe funktionelle Komplexität und einen hohen Integrationsgrad von elektrischen, mechanischen und informationsverarbeitenden Komponenten aus. Oft werden sie für den autonomen Echtzeitbetrieb konzipiert und müssen hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit erfüllen Der steigende Kostendruck auf mechatronische Produkte in der Fluidtechnik verlangt nach pneumatischen und hydraulischen Systemen, die mithilfe von günstigen und zuverlässigen elektromagnetischen Ventilen gesteuert werden können. Beispielhaft sei erwähnt, dass zunehmend bei der Servoregelung von Kolbenzylindern das kostenintensive Porportional-Wegeventil durch eine pneumatische/hydraulische Vollbrücke, bestehend aus kostengünstigen schnellschaltenden Ventilen, ersetzt wird.<br />In anderen industriellen Anwendungen, wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, werden schnellschaltende Wegeventile für Sortieraufgaben eingesetzt, mit immer höheren Anforderungen hinsichtlich der Taktzeiten und der Lebensdauer. Elektromagnetische Ventile in diesen Anwendungen müssen also schnelle Ventilschaltzeiten aufweisen, um eine hohe Bandbreite bzw. einen maximalen Durchsatz zu erreichen.<br />Gleichzeitig muss für den Ventilanker garantiert werden, dass dieser zur Verringerung der Geräuschentwicklung bzw. des Verschleißes von mechanischen Komponenten mit einer minimalen Aufprallgeschwindigkeit in den Endanschlag prellt. In dieser Arbeit wird daher eine Steuerstrategie entwickelt, die das zeitoptimale Schalten von elektromagnetischen Schnellschaltventilen mit minimaler Aufprallgeschwindigkeit des Ventilankers ermöglicht. Fortgeschrittene Algorithmen zur Minimierung der Aufprallgeschwindigkeit des Ventilankers verwenden meist adaptive Regelungsstrategien, um externen Störungen und Modellunsicherheiten entgegenwirken zu können.<br />Die Adaption basiert in der Regel auf der Messung der Position des Ventilankers. Diese Messung ist allerdings kostenintensiv und mindert die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Daher besteht der Wunsch, die klassische Sensorik durch eine sogenannte virtuelle Sensorik zu ersetzen. Diese virtuelle Sensorik beruht auf dem synergetischen Zusammenwirken von Konstruktion und Entwurf des Gesamtsystems, der integrierten Sensorik für andere Systemgrößen und der Entwicklung intelligenter signal- und modellbasierter Algorithmen. In diesem Zusammenhang wird eine neue Positionsschätzstrategie basierend auf der Strom- und Spannungsmessung für elektromagnetische Aktuatoren vorgeschlagen.<br />Zunächst wird der Entwurf einer Steuerung für das zeitoptimale Schalten von elektromagnetischen Schnellschaltventilen mit minimaler Aufprallgeschwindigkeit des Ventilankers in den Endanschlag präsentiert.<br />Dieser erfolgt anhand der Formulierung eines eingangsbeschränkten, zeitoptimalen Optimalsteuerungsproblems für die Punkt-zu-Punkt-Bewegung des Ventilankers. Hierzu wird ein konzentriertparameterisches Ventilmodell hergeleitet und der quasi-zeitoptimale sowie der zeitoptimale Fall näher untersucht. Neben der numerischen Lösung des quasi-zeitoptimalen Optimalsteuerungsproblems anhand einer Volldiskretisierung wird durch Anwendung des Maximumsprinzips von Pontryagin das eingangsbeschränkte, quasi-zeitoptimale und zeitoptimale Optimalsteuerungsproblem in ein äquivalentes Zweipunktrandwertproblem umgeformt. In dieser Darstellung ist direkt ersichtlich, dass die eingangsbeschränkte und zeitoptimale Lösung für das Öffnen und Schließen des Ventils eine bang-singular-bang Steuerung ist. Messergebnisse an einem Versuchsstand bestätigen die theoretischen Ergebnisse und zeigen die Anwendbarkeit der vorgestellten Methodik. Die entwickelte Steuerstrategie wurde als internationales Patent eingereicht und von Seiten des Industriepartners ist es zukünftig geplant, diese für die Serie weiterzuentwickeln und in das Produkt zu integrieren. Das zweite Hauptthema dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Postionsschätzalgorithmus für elektromagnetische Systeme. Die Induktivitätsschätzung beruht auf einer Least Squares Identifikation kombiniert mit einer modellbasierten Korrektur. Der Schätzalgorithmus zeichnet sich dadurch aus, dass er systematisch den Einfluss des elektrischen Widerstandes, der Änderung des Tastverhältnisses der pulsweitenmodulierten Ansteuerung und der Bewegung des Objektes kompensiert. Die Anwendbarkeit der Positonsschätzstrategie wird anhand der sensorlosen Regelung einer Magnetlagerung verdeutlicht. Die echtzeitfähige Implementierung auf einem Field Programmable Gate Array (FPGA) ermöglicht dabei die erfolgreiche Umsetzung der sensorlosen Regelungsstrategie auf einem Laborversuch. Messergebnisse zeigen die gute Performance und Robustheit des Positonsschätzalgorithmus. Für diese robuste und echtzeitfähige Schätzstrategie der Position von pulsweitenmoduliert angesteuerten elektromagnetischen Systemen wurden zwei internationale Patente erteilt.<br />
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Typically, mechatronic products are characterized by a high functional complexity and a high integration level of electrical, mechanical and information processing components. Often they are designed for autonomous real-time operation and must meet high requirements in terms of reliability and operational safety.<br />The increasing cost pressure on mechatronic products in fluid power applications demands the development of cheap and reliable electromagnetic control valves. In servo control of pneumatic piston cylinders, for instance, the expensive directional control valve may be replaced by a pneumatic full bridge consisting of low-cost fast-switching valves. In other industrial applications, like for example in the food industry, fast-switching valves are utilized to perform sorting tasks with the ever increasing demand for higher cycle times and a longer lifetime. Thus in all these applications, electromagnetic valves must exhibit fast valve switching times in order to achieve a high bandwidth and a maximum throughput. At the same time, a minimum impact velocity of the valve plunger has to be guaranteed to reduce noise and wear of the mechanical components. Strategies ensuring a minimum impact velocity of the valve plunger are frequently called soft landing strategies.<br />Advanced soft landing strategies make use of adaptive control to counteract external disturbances and model uncertainties. For the adaptation in general, the position of the valve armature has to be measured. This measurement, however, is costly and reduces the reliability of the overall system. Therefore, there is a need to replace the classical sensors by so-called virtual sensors. These virtual sensors rely on a synergetic interplay between the construction and design of the system, the integrated measurements of other system quantities and the development of intelligent signal- and model-based algorithms. In this context, a new position estimation strategy is proposed based on the current and voltage measurements of the electromagnetic actuator.<br />A feedforward controller is developed for time-optimal switching of electromagnetic fast-switching valves with minimum impact velocity of the valve plunger at the limit stop. The feedforward controller is based on the formulation of an input-constrained, time-optimal control problem for the point-to-point motion of the plunger. For this purpose, a mathematical model of a fast-switching valve is derived and the quasi-time-optimal and the time-optimal case are examined. In addition to the numerical solution of the quasi-time-optimal control problem utilizing a full-discretization, the input-constrained time-optimal control problem is reformulated by applying Pontryagin's maximum principle providing an equivalent two-point boundary value problem. In this representation it is evident that the input-constrained and time-optimal solution for the opening and closing of the valve is a bang-singular-bang control. Measurement results at a test bench confirm the theoretical results and demonstrate the feasibility of the proposed approach. This optimal feedforward control concept has been applied for a patent and is going to be implemented in the series production by the industrial partner.<br />A second key topic of this thesis is concerned with the development of a new position estimation strategy for electromagnetic valves that exploits the change of the current caused by the pulse-width modulated voltage to estimate the position-dependent inductance and thus the position. The inductance estimation is performed by a least squares identification in combination with a model-based correction. This estimation algorithm systematically takes into account the influence of the electrical resistance, the change of the duty ratio and the movement of the object. The feasibility of the position estimation algorithm is illustrated by means of the self-sensing control of a magnetic levitation system. The real-time implementation on a Field Programmable Gate Array (FPGA) allows the successful implementation of the self-sensing control on a laboratory test bench. Measurement results demonstrate the good performance and robustness of the position estimator. Two international patents were granted for the proposed position estimation strategy.<br />