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Regelung der magnetischen Flussdichte in einem Magnetkreis

Stefan Neureiter

Der Bereich Qualitätssicherung gewinnt heutzutage zunehmend an Bedeutung, insbesondere in der Stahlindustrie. Um die Qualität des Stahlbleches bewerten zu können, wird das Prinzip einer Streuflussprüfung herangezogen. Bei diesem zerstörungsfreien Prüfverfahren wird der magnetische Streufluss, der von einem Elektromagneten erzeugt wird, über magneto-resistive Sensoren detektiert und aus den gewonnenen Signalen auf Blechdefekte und Fehlstellen im Stahlblech rückgeschlossen. Um konstante Messbedingungen zu garantieren, ist es notwendig, die Flussdichte auf einen konstanten Wert zu regeln unabhängig vom Luftspalt zwischen Elektromagnet und dem Stahlblech. Abbildung 1 zeigt den Magnetkreis mit eingezeichnetem Feldverlauf.

Abbildung 1: Magnetkreis mit eingezeichnetem Feldverlauf

Abbildung 1: Magnetkreis mit eingezeichnetem Feldverlauf

Das gesetzte Ziel, eine konstante Sensorspannung bzw. eine konstante magnetische Flussdichte zu erhalten, wurde erreicht, indem ein geschlossener Regelkreis entwickelt wurde, der den Spulenstrom des Elektromagneten auf Grund einer Änderung des Luftspaltes zwischen Elektromagnet und dem Stahlblech entsprechend nachregelt. In Abbildung 2 ist der dynamische Regelkreis schematisch dargestellt. Der Regelkreis besteht aus einem diskreten PI-Regler, welcher durch ein ATmega8-USB-Modul realisiert wird. Dieses stellt zugleich A/D- und D/A-Glieder bereit. Das D/A-Glied wird dabei über eine Pulsweitenmodulation mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter 1. Ordnung bewerkstelligt, um ein entsprechendes Gleichsignal zu erhalten. Im nächsten Schritt wird das Spannungssignal dem U/I-Verstärker zugeführt, welcher die Spule bestromt. Der magneto-resistive Sensor in Kombination mit einem Instrumentierungsverstärker erfasst die magnetische Streuflussdichte knapp unterhalb des Stahlbleches und gibt diese in Form einer proportionalen Spannung aus. Die Ausgangsspannung des Sensors wird dem A/D-Glied des diskreten PI-Reglers rückgeführt, der die neue Stellgröße berechnet, um so der Störgröße entgegenzuwirken.

Figure 2: Schematic concept of the closed loop control circuit. The transferfunction G(s) represents the dynamic behaviour of the magnetic circuit, whereas the discrete PI-controller is described by R(s). The U/I-amplifier and the magneto-resistive sensor are illustrated by the constant factors V und k. The disturbance variable dstör correspond to a change of the air gap between the electromagnet and the steel sheet.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Regelkreises, wobei die Übertragungsfunktionen G(s) und R(s) das dynamische Verhalten des Magnetkreises und des diskreten PI-Reglers beschreiben. Der U/I-Verstärker und der magneto-resistive Sensor werden durch die konstanten Verstärkungsfaktoren V und k modelliert. Die Störgröße dstör beschreibt eine Änderung des Luftspaltes zwischen Elektromagnet und dem Stahlblech.

Keywords: PI-Regler, Streuflussdichte, Regelkreis

16. August 2010