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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, mit welcher das elektrische
Anschlussverhalten von elektrischen Komponenten zur
Durchführung von Simulationen nachbildbar ist.
Stand der Technik
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Zur Prüfung bzw. für die Entwicklung von komplexen Steuer-
und Regelsystemen ist es häufig erforderlich, Komponenten
dieser Systeme durch Modelle nachzubilden, die sich
weitgehend identisch zum wirklichen System verhalten. Das
heißt, die Modelle sollten elektrisch wie auch in
kybernetischer Hinsicht das gleiche Verhalten aufzeigen. Der
einzige Unterschied bei der Modellierung soll in den meisten
Fällen nur darin bestehen, dass z. B. bei einem Aktuator keine
wirkliche, mechanische Bewegung erzeugt wird.
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Der Vorteil einer solchen Modellierung liegt in der einfachen
Möglichkeit, auf das Verhalten des Modells in
unterschiedlicher Weise eingreifen zu können. Dies ist bei
einer wirklichen Komponente in einem System nur schwer oder
oftmals gar nicht zu erreichen. Damit könnte mit wirklichen
Komponenten tatsächlich auftretendes Fehlverhalten nur mühsam
oder überhaupt nicht getestet werden. Beim Modell hingegen
kann eine dem Fehlverhalten entsprechende Eingriffnahme
leicht vorgesehen werden. Insbesondere komplexe
Systemsimulatoren lassen sich daher unter Einsatz von
modellierten Komponenten realisieren. Der Aufbau derartiger
Systemsimulatoren ist jedoch oftmals vergleichsweise
aufwändig und unübersichtlich.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der einleitend bezeichneten Art bereitzustellen, mit welcher
die Modellierung von insbesondere Systemen mit mehreren
Einzelkomponenten vereinfacht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung geht von einer Vorrichtung aus, mit welcher das
elektrische Anschlussverhalten von elektrischen Komponenten
mit einem mechanisch bewegten Element zur Durchführung von
Simulationen in Abhängigkeit wenigstens einer physikalischen
Größe, die mit der Bewegung des Elements im Zusammenhang
steht und die sich auf das Anschlussverhalten auswirkt,
nachbildbar ist. Die Vorrichtung umfasst eine elektrische
Schaltung, deren elektrische Anschlusswerte derart steuerbar
sind, dass sich das gleiche Anschlussverhalten wie bei der
nachzubildenden Komponente bei entsprechenden
Betriebszuständen erzielen lässt, eine Rechnereinheit, der
das Verhalten der Komponente auf eine Änderung der wenigstens
einen physikalischen Größe aufgrund der Bewegung des Elements
zur entsprechenden Steuerung der elektrischen Schaltung zur
Verfügung steht, elektrische Anschlüsse so wie bei der
elektrischen Komponente sowie einen Datentransferanschluss.
Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass die elektrische
Schaltung, die Rechnereinheit, die elektrischen Anschlüsse
sowie die Datentransferanschlüsse in einem gemeinsamen
Gehäuse untergebracht sind. Vorzugsweise handelt es sich bei
dem Gehäuse um ein möglichst kompaktes Gehäuse, z. B. ein
Gehäuse, das in einen normierten insbesondere 19-Zoll-
Schaltschrank eingeschoben werden kann. Für den Aufbau eines
Systemmodulators lassen sich eine Vielzahl derartiger
Vorrichtungen als z. B. "19-Zoll-Einschübe" in einem
entsprechenden Schaltschrank (19-Zoll-Rack) unterbringen. Die
Kommunikation zwischen den einzelnen Vorrichtungen, die
verschiedene Einzelkomponenten eines Gesamtsystems
nachbilden, erfolgt dann über den an jeder Vorrichtung
vorgesehenen Datentransferanschluss. Der
Datentransferanschluss ist vorzugsweise als Schnittstelle für
einen in vielfältiger Weise ausbildbaren Bus, insbesondere
CAN-Bus ausgestaltet. Der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Aufbau von
Systemsimulatoren bislang die Einzelkomponenten des Systems
nicht wie die tatsächlichen Komponenten sich jeweils örtlich
auf eine Stelle konzentrieren, sondern die Funktionalitäten
der Komponenten an verschiedenen Stellen über die Ausdehnung
des Simulators untergebracht und zusätzlich unübersichtlich
verkabelt sind. Zwar lassen sich dadurch gegebenenfalls
Einzelbauteile einsparen, die Gesamtanordnung ist jedoch nur
schwer nachzuvollziehen und Änderungen im Systemsimulator
werden zur Fleißaufgabe. Die erfindungsgemäße Vorrichtung,
mit welcher sich eine Komponente des Systems nachbilden
lässt, ist hingegen eine vollkommen eigenständige Einheit,
die leicht mit anderen entsprechenden Vorrichtungen über
einen Datenbus zusammenschaltbar ist bzw. falls notwendig,
durch eine Vorrichtung mit geänderten Eigenschaften
problemlos austauschbar ist. Wie bei der tatsächlichen
Komponente verfügt diese kompakte Einheit über gleiche
Anschlüsse, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
"anschlusstechnisch" wie die tatsächliche Komponente
behandelt werden kann. Vorzugsweise ist in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung auch eine
Stromversorgungseinheit für die elektrische Schaltung und den
Rechner integriert, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei einer Installation neben den Anschlüssen der
tatsächlichen Komponente nur mit einem Stromanschlusskabel
und einem Buskabel zu versehen ist. Das erfindungsgemäße
Vorgehen eignet sich daher ganz besonders für hochkomplexe
Systemsimulatoren oder Systemsimulatoren, bei welchen eine
Vielzahl von gleichen Komponenten nachzubilden sind.
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Über den Datentransferanschluss, z. B. einen CAN-Busanschluss,
lassen sich an der Vorrichtung zentral in einfacher Weise
Betriebszustände einstellen, insbesondere fehlerhafte
Betriebszustände vorgeben, um die Auswirkungen auf ein
Gesamtsystem mit vielen derartiger Komponenten und
vorzugsweise zusätzlichen Peripheriegeräten, z. B. ein
Steuergerät für einen Schrittmotor, der durch eine
erfindungsgemäße Vorrichtung nachgebildet ist, zu simulieren.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
sind die elektrische Schaltung und die Rechnereinheit dazu
ausgelegt, das elektrische Verhalten eines Aktuators,
vorzugsweise eines Schrittmotors, wiederzuspiegeln, wobei die
wenigstens eine physikalische Größe eine durch eine
Motorbewegung zu erreichende Position ist. Die Vorrichtung
hat dabei die gleichen Anschlüsse wie der tatsächliche
Aktuator und kann wie der tatsächliche Aktuator als
eigenständiges Element behandelt werden, das lediglich
zusätzlich eine gegebenenfalls weitere Stromversorgung und
den Datentransferanschluss, z. B. einen CAN-Bus-Anschluss,
besitzt.
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Insbesondere im Zusammenhang mit Aktuatoren ist es im
Weiteren vorteilhaft, wenn die elektrische Schaltung zur
Nachbildung des Anschlussverhaltens wenigstens einen
Widerstand, z. B. ohmschen und/oder induktiven Widerstand,
aufweist, der entsprechend einer Änderung eines
Anschlusswiderstandes der elektrischen Komponente aufgrund
einer Bewegung des mechanischen Elements steuerbar ist. Zum
Beispiel umfasst die elektrische Schaltung wenigstens ein
steuerbares Potentiometer zur Nachbildung eines Weggebers.
Dieses Potentiometer kann dann die Schnittstelle zu einem
peripheren System, das ein Wegsignal benötigt, darstellen.
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Über einen gegebenenfalls veränderbaren Widerstand kann auch
die Wicklung einer Spule, z. B. eines Selenoids, für
beispielsweise ein Magnetventil oder einer Motorwicklung
eines Elektromotors nachempfunden werden.
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Um insbesondere für Aktuatoren Endstellungen in die
Simulation mit einbeziehen zu können, ist es im Weiteren
bevorzugt, wenn die elektrische Schaltung wenigstens einen
steuerbaren Schalter umfasst.
Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine tatsächlich
nachzubildende Schrittmotoreinheit ist in den Zeichnungen
dargestellt und unter Angabe weiterer Vorteile und
Einzelheiten näher erläutert.
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Es zeigen
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Fig. 1 ein Anschlussschema einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Modellierung einer
Schrittmotoreinheit,
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Fig. 2 ein reglungstechnisches Blockschaltbild der
Vorrichtung zur Modellierung der
Schrittmotoreinheit,
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Fig. 3a-d die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1
und 2 in einer Front- und Rückansicht
(Fig. 3a und 3c) und einer Seitenansicht
(Fig. 3b) sowie einer Drauf- und identischen
Unteransicht (Fig. 3d),
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Fig. 4 die Vorrichtung gemäß der Fig. 3a-d zerlegt
in einer perspektivischen Darstellung,
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Fig. 5 die nachzubildende Schrittmotoreinheit in
perspektivischer Darstellung und
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Fig. 6 das Anschlussschema der tatsächlichen,
nachzubildenden Schrittmotoreinheit.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Fig. 5 zeigt eine Schrittmotoreinheit 50 mit einem
Anschlussstecker 51. Das Anschlussschema der
Schrittmotoreinheit 50 ist in Fig. 6 abgebildet.
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Dementsprechend sind Anschlüsse 60a, 61a, 62a für drei
Wicklungen 60, 61, 62 der dreiphasigen Schrittmotoreinheit 50
vorgesehen. Die Motorwicklungen 60, 61, 62 besitzen einen
gemeinsamen Mittelabgriff 63.
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Des Weiteren sind zwei Potentiometer 64 und 65 vorhanden mit
Anschlüssen 64a, 64b, 64c bzw. 65a, 65b, 65c. Die Anschlüsse
64b bzw. 65b sind jeweils die Mittelabgriffe der
Potentiometer. Die Potentiometer stellen Weggeber dar, aus
der sich die Position des Schrittmotors ergibt. Die
vorliegende Schrittmotoreinheit wird im Flugzeugbau
eingesetzt, weshalb zwei Potentiometer 64, 65 für die
Erzeugung einer Redundanz (es wird tatsächlich nur ein
Potentiometer für die Funktion benötigt) vorhanden sind. Aus
dem selben Grund sind zwei Endschalter 66, 67 vorgesehen, die
Endschalter 66, 67 weisen einen gemeinsamen Mittelanschluss
68 sowie Anschlüsse 66a, 66b bzw. 67a, 67b auf.
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Die Potentiometer 64, 65 sind z. B. über Gewindestangen (nicht
dargestellt) mit der Motorbewegung gekoppelt, so dass eine
unmittelbare Positionsangabe des Schrittmotors möglich ist.
Bei vorgegebenen Werten werden die Endschalter 65, 66
ausgelöst.
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In Fig. 1 ist ein Anschlussschema einer Vorrichtung 1 zur
Simulation der Schrittmotoreinheit 50 dargestellt.
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In gleicher Weise wie beim Anschlussschema nach Fig. 6 sind
die Anschlüsse 60a, 61a, 62a, 63, 64a, 64b, 64c, 65a, 65b,
65c, 66a, 66b, 67a, 67b und 68 vorhanden.
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Die Anschlüsse 60a, 61a, 62a sowie 63 führen jedoch nicht zu
drei Motorwicklungen, sondern zu einem Motorphasenmodell 2.
In entsprechender Weise sind Potentiometermodelle 3, 4 sowie
ein Endschaltermodell 5a, 5b anstatt den tatsächlichen
Einheiten realisiert. Zusätzlich zur echten Komponente 50
besitzt das Modell 1 einen Bus-Anschluss mit Stromversorgung
6 sowie eine Moduladresse, die symbolisch in Fig. 1 durch den
Kasten 7 dargestellt ist.
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Die Modelle 2, 3, 4, 5a, 5b enthalten Hardwareelemente, die
über Software ansteuerbar sind bzw. eine
Ausgangsschnittstelle zur Ausgabe von Daten, die darin zu
einer Software weiterverarbeitet werden.
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Im Anschlussdiagramm nach Fig. 1 ist ein Mikroprozessor, der
die Steuerung der Modellblöcke und die Kommunikation
übernimmt, nicht dargestellt.
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Das Blockdiagramm einer Software, die auf einem
entsprechenden Mikroprozessor implementiert ist und mit Hilfe
derer die Modelle 2, 3, 4, 5a, 5b zur Nachbildung des
kybernetischen Verhaltens der Schrittmotoreinheit 50
angesteuert werden können, ist zusammen mit den Modellblöcken
2, 3, 4, 5a, 5b in Fig. 2 schematisiert gezeigt.
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Das Motorphasenmodell 2 liefert drei Ausgangsinformationen
20a, 20b, 20c zu den einzelnen Phasen, die in einem
Softwareblock 21 für die Modellierung des Motors ausgewertet
werden, um hieraus ein Motorwinkelsignal 21a zu berechnen.
Aus dem Motorwinkelsignal wird in einem Softwareblock 22 die
entsprechende Position des mechanischen Getriebes gemäß der
dargestellten schematisierten Funktion errechnet. Sofern eine
mechanische Endlage erreicht wird, gibt der Softwareblock 22
eine Endstoppinformation 22a an den Softwareblock für den
Motor 21. Das heißt, in diese Richtung kann sich der
Motorwinkel nicht mehr weiter verändern.
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Um eine Simulation mit vordefinierten Anfangsbedingungen
starten zu können, ist eine Positionsvorgabe möglich (s.
hierzu die schematisch dargestellte gestrichelte Kiste 23).
Die Information über die mechanische Position des Getriebes
wird zu den Softwareblöcken 24 und 25 für die Errechnung der
Potentiometerstellung sowie zu den Softwareblöcken 26 und 27
für das Auslösen der Endschalterfunktion gemäß den Pfeilen
22b weitergeleitet. Über die Softwareblöcke 24, 25, 26, 27
werden die Modelle 3, 4, 5a, 5b angesteuert. Das heißt, in
den Modellen 3, 4 werden entsprechende Widerstandswerte der
Potentiometer eingestellt und in den Modellen 5a und 5b
gegebenenfalls das Endschaltersignal tatsächlich durch ein
elektronisches Relais ausgelöst.
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Auf diese Weise verhält sich die Vorrichtung 1 an den
Anschlüssen 60a, 61a, 62a, 63, 64a, 64b, 64c, 65a, 65b, 65c,
66a, 66b, 67a, 67b und 68 so wie die zu simulierende bzw.
nachzubildende Komponente 50.
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Ganz wesentlich ist jedoch, dass die hierzu notwendige
Elektronik mit Software in einem gemeinsamen vergleichsweise
kleinen Gehäuse untergebracht ist, das vorzugsweise in
genormte Schaltschränke, hier z. B. ein 19-Zoll-Schaltschrank,
eingesteckt werden kann. Damit ist die Vorrichtung 1 zur
Nachbildung der Komponente 50 in gleicher Weise ein
eigenständiges Modul wie die Komponente 50 selbst. Lediglich
für den Bus-Anschluss und die Stromversorgung sind zusätzlich
zum Anschlussstecker 51 weitere Steckereinheiten vorgesehen.
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Das kompakte Gehäuse mit den Steckerelementen soll anhand der
Fig. 3a-d erläutert werden. In diesen Figuren ist ein
"Gehäuse 30" für den Einschub in einen "19-Zoll-Schrank"
dargestellt. Die Frontseite des Gehäuses weist einen CAN-Bus-
Anschluss 31 sowie Adressauswahlmittel 32 auf. Zusätzlich
sind Leuchtdioden 33 für eine Statusanzeige vorgesehen. Auf
der Rückseite befindet sich ein Anschlussstecker, der
identisch ist mit dem Anschlussstecker 51 der tatsächlichen
Schrittmotoreinheit 50. Auch die Belegung ist gemäß der Fig.
1 sowie 6 identisch. Zusätzlich ist eine Stromversorgung,
hier über Bananensteckerbuchsen sowie eine Steckerleiste 38,
vorgesehen, über welche alle Signale des Anschlusssteckers
34, des CAN-Bus-Anschlusses 31 sowie der
Stromversorgungsanschlüsse 36, 37 redundant zur Verfügung
stehen. Dies hat Vorteile, wenn die Vorrichtung 1 lediglich
durch Einschieben in einen Schaltschrank vollständig
angeschlossen sein soll. In diesem Fall kann dann auf eine
gesonderte Verkabelung verzichtet werden.
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Das Gehäuse 30 aus den Fig. 3a-3d ist in perspektivischem
und zerlegtem Zustand mit Kabelzuführungen zum
Anschlussstecker 34 und den Bananensteckerbuchsen 36, 37 in
Fig. 4 dargestellt.