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Betreuung: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar
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.
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.
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.
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.
Schlagwörter: PI-Regler, Streuflussdichte, Regelkreis
16. August 2010
