Optimierung dynamischer Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mittels numerischer Modelle zur Systemsimulation

Baumgartl, Hanna Sophie GND

The application of electromagnetic force compensated balances (EMFB) for dynamic purposes demands both high resolution at good reproducibility and short measurement times. To fulfil this ambitious goal, the EMFB including their components and their interactions must be optimized concerning their dynamical characteristics. This optimization can be carried out experimentally or numerically, with the advantage of the latter, that no time consuming and expensive manufacturing of prototypes has to be carried out.In this thesis, two approaches for the modelling for optimization purposes of dynamic EMFBs are presented: One based on a rigid body model for the balance mechanics, and one based on a FEM-model. These mechanical models are coupled to models for the other components, represented by characteristic curves and transfer functions. The resulting two models represent the complex behaviour of the mechatronic system EMFB, both for open and closed loop very well. In order to avoid the manufacturing of prototypes, particular attention was paid on the attempt of representing the behaviour of each component by simulations. Therefore, methods for the characterization of higher order resonance modes in rigid body models based on a defined adding of degrees of freedom and spring constants, as well as the modelling of the system damping caused by eddy currents were investigated. Additionally, a general rule of thumb for the appropriate choice of time constants and the time step control was identified and approved. The resulting models are easy-to-manage and can be applied to different configurations of EMFB.In order to validate the models, simulation results were compared to significant measurement results. To generate these results, two load exchanger facilities were designed and set up, one working pneumatically, the other bases on electromagnetic force generation. Furthermore, with the latter it was shown that due to the mechanical properties of EMFB it is reasonable and recommendable to perform the system identification with two inputs: A force acting on the weighing pan, the other on the lever.Based on the retrieved understanding, a digital controller was designed and implemented, whereby a significant improvement of the performance was achieved.

Der Einsatz von elektromagnetisch kraftkompensierten Waagen (EMKW) in der dynamischen Wägetechnik vereint die Forderung nach hohen Auflösungen bei guter Reproduzierbarkeit mit der nach möglichst geringen Messzeiten. Um diesen ambitionierten Zielen gerecht werden zu können, bedarf es EMKW, welche in ihren Komponenten und deren Zusammenspiel hinsichtlich ihrer dynamischen Eigenschaften optimiert sind Diese Optimierung kann experimentell oder auf numerischem Wege erfolgen, wobei letztere Variante den großen Vorteil birgt, dass die zeitaufwändige und teure Fertigung von Prototypen entfällt. In dieser Arbeit werden zwei Herangehensweisen zur Modellerstellung für die Optimierung einer dynamischen EMKW vorgestellt: Auf Basis der Modellierung der Mechanik mittels eines Starrkörpermodells sowie mittels eines FEM-Modells. Diese mechanischen Modelle werden mit Modellen für die übrigen Komponenten in Form von Kennlinien und Übertragungsfunktionen zu je einem Gesamtmodell verknüpft, welches das komplexe Verhalten des mechatronischen Systems EMKW sowohl im offenen als auch im geschlossenen Regelkreis sehr gut abbildet. Um die Fertigung von Prototypen umgehen zu können, lag besonderes Augenmerk darauf, das Verhalten sämtlicher Komponenten anhand von Simulationen beschreiben zu können. Hierfür wurden insbesondere Methoden zur Abbildung höherer Schwingungsformen in Starrkörpermodellen durch gezieltes Einbringen von Zusatzgelenken und Federsteifigkeiten, sowie die Modellierung der Systemdämpfung durch Wirbelströme untersucht. Darüber hinaus konnte eine allgemeine Faustregel zur geeigneten Wahl der Schrittweitensteuerung ermittelt und erprobt werden. Die entstandenen Modelle sind leicht handhabbar, universell und auf verschiedene Bauformen von EMKW anwendbar.Zur Validierung der Modelle wurden Simulationsergebnisse mit charakteristischen Messwerten verglichen. Um diese zu generieren kamen zwei speziell hierfür konzipierte Lastwechslereinrichtungen mit pneumatisch bzw. elektromagnetisch wirkendem Prinzip zum Einsatz. Mit letzterem wurde darüber hinaus gezeigt, dass auf Grund der mechanischen Eigenschaften einer EMKW eine Systemidentifikation an zwei Eingängen (Hebel und Waagschale) sinnvoll und empfehlenswert ist.Auf Basis der erzielten Erkenntnisse erfolgte die Dimensionierung eines Digitalreglers, mit dem eine signifikante Verbesserung der Performance erzielt wurde.

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Baumgartl, Hanna Sophie: Optimierung dynamischer Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mittels numerischer Modelle zur Systemsimulation. 2015.

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