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Die
Erfindung betrifft aktive Aufzugsaufhängungen und insbesondere die
Steuerung magnetischer Aktuatoren.
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Es
ist zum Beispiel aus
US Patent
5,439,075 bekannt, horizontale Bewegungen eines Aufzugskorbs,
der vertikal entlang Aufzugsschachtschienen geführt wird, mittels eines aktiven
Aufhängungssystems
zu steuern. Die Führungseinrichtung
kann in Form von Rollengruppen an den Ecken des Korbs zum Eingriff
mit den Aufzugsschachtschienen an gegenüberliegenden Wänden des
Aufzugsschachts vorgesehen sein. Horizontale Beschleunigung des Aufzugskorbs
und horizontale Verschiebung zwischen dem Korb und der Schiene wird
zum Steuern der horizontalen Bewegungen mittels Aktuatoren des aktiven
Aufhängungssystems
gemessen. Jede Rollengruppe kann einen oder mehrere Aktuatoren mit zugehörigen Federn
aufweisen, wobei die Rollengruppen-Aktuatoren auf einen Controller
reagieren, um den Aufzugskorb horizontal in Bezug auf die zugehörige Aufzugsschachtschiene
in Bewegung zu setzen.
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Ein
in 20 des oben genannten US Patents
gezeigter Controller beinhaltet einen Addierer, der auf ein Kraftsteuersignal
und ein Kraftrückkopplungssignal
reagiert, um einen proportional-integralen Verstärkungskompensator mit einem
Kraftfehlersignal zu versorgen. Der Kompensator wiederum stellt
ein Stromsteuersignal einem Stromtreiber zur Verfügung, der
eine Spule eines elektromagnetischen Aktuators der aktiven Aufhängung mit
Strom versorgt. Dieser Strom in der Spule wird von einem Sensor
gemessen und zusammen mit einem gemessenen Magnetflusssignal einem
Signalprozessor zur Verfügung
gestellt, um ein Signal bereitzustellen, das die Größe eines
Luftspalts zwischen dem Elektromagneten und einer eisernen Reaktionsplatte
anzeigt. Ein anderer Signalprozessor, d. h. ein Fluss-zu-Kraft-Konverter,
reagiert auf das gemessene Magnetflusssignal, um dem Addierer das
Kraftrückkopplungssignal
(das mit dem Quadrat des Flusses in einfacher Beziehung steht) zur
Verfügung
zu stellen.
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Wie
in Spalte 17, Zeilen 63–66
zu sehen ist, ist die proportionale Verstärkung des Kompensators 486
aus 20 des oben genannten US Patents eine
Konstante. Unglücklicherweise
ist die für
einen elektromagnetischen Aktuator charakteristische Ausgangskraft
eine doppelt nicht lineare Funktion von Strom und Luftspalt. Folglich
schwankt die Verstärkung
der offenen Schleife einer solchen Kraftschleife enorm über die
Betriebsbereiche von Strom und Luftspalt und kann in Extremfällen Instabilitäten erzeugen.
Die Leistungsfähigkeit
der Kraftschleife ist dadurch von Betrachtungen der Verstärkung im
ungünstigsten
Fall begrenzt.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Erreichen einer höheren Systemverstärkung und dadurch
bessere Leistungsfähigkeit
einer Kontrollschleife für
einen Elektromagnetaktuator für
eine aktive Aufzugsaufhängung
zu ermöglichen.
Ein weiteres Ziel ist es, die Betriebsbereiche des Luftspalts des
Magneten auszuweiten und dabei Instabilitäten beim Systembetrieb zu vermeiden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Steuerung zum Steuern eines magnetischen Aktuators
für eine
aktive Aufzugsaufhängung
bereitgestellt, wobei der magnetische Aktuator auf einen Antriebsstrom
von einem Magnettreiber anspricht als Antwort auf ein Magnetsteuersignal
von der Steuerung, wobei die Steuerung auf ein Kraftsteuersignal,
ein gemessenes Magnetflusssignal, das Magnetfluss in einem Luftspalt
des magnetischen Aktuators anzeigt, und ein gemessenes Antriebsstromsignal
reagiert, um das Magnetsteuersignal zu erstellen, wobei die Steuerung
aufweist:
einen Addierer, der auf ein Kraftrückkopplungssignal, welches
eine die von dem magnetischen Aktuator ausgeübte Kraft anzeigende Höhe besitzt,
und auf das Kraftsteuersignal reagiert, um ein Kraftfehlersignal
bereitzustellen;
einen Kompensator, der auf das Fehlersignal
und auf ein automatisches Verstärkungssteuersignal
reagiert, um das Magnetsteuersignal bereitzustellen; und
einen
Fluss-zu-Kraft-Konverter, der auf das gemessene Magnetflusssignal
reagiert, um das Kraftrückkopplungssignal
bereitzustellen; gekennzeichnet durch eine automatische Verstärkungssteuerung,
die auf das Kraftrückkopplungssignal
oder das gemessene Magnetflusssignal sowie auf das gemessene Antriebsstromsignal
reagiert, um das automatische Verstärkungssteuersignal bereitzustellen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Kompensator eine adaptive proportionale
Verstärkung
auf, welche reduziert wird, wenn das gemessene Antriebsstromsignal an
Höhe zunimmt.
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Bevorzugterweise
reagiert die automatische Verstärkungssteuerung
auch auf das Kraftrückkopplungssignal
oder das gemessene Magnetflusssignal zum Bereitstellen eines Luftspaltsignals,
das eine Höhe
besitzt, die die Größe des Luftspalts
anzeigt, wobei die adaptive proportionale Verstärkung erhöht wird, wenn das Luftspaltsignal
an Höhe
zunimmt.
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Diese
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden anhand der detaillierten Beschreibung einer besten, nur beispielhaft
gegebenen und in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung deutlicher
werden.
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1 zeigt
eine Familie von charakteristischen Strom-Kraft-Kurven des Elektromagneten
für eine
aktive, horizontale Rollenführungsaufhängung bei
1 mm Schrittweiten des Luftspalts.
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2 ist
ein mechanisches, schematisches Blockdiagramm einer einzelnen, seitlichen
Steuerungsrichtung für
eine aktive, horizontale Rollenführungsaufhängung.
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3 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer dualen Kraftsteuerungsschleife
zum Steuern der Aufhängung
von 2 gemäß der Erfindung.
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4 zeigt
einen Signalprozessor, der verwendet werden kann, um einige oder
alle Funktionen der Software-Kraftsteuerungsschleife aus 3 auszuführen, so
wie von dem Flussdiagramm aus 5 gezeigt.
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5 ist
ein Flussdiagramm, welches eine Reihe von Schritten veranschaulicht,
die in dem Signalprozessor aus 4 ausgeführt werden
können.
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6 zeigt
einen Verstärkungsanpassungsfaktor
in Abhängigkeit
von dem Luftspalt gemäß der Erfindung.
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7 zeigt
einen Verstärkungsanpassungsfaktor
in Abhängigkeit
von dem Spulenstrom des Elektromagneten gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
einen Fahrkorbrahmen 10, der horizontal in der seitlichen
Richtung von einem Paar gegenüberliegender,
aktiver Rollenführungen 12, 14 aufgehängt ist.
Nicht gezeigt sind die linke und die rechte Vorne-Hinten-Steuerungsrichtung,
welche (vom Standpunkt der Steuerung aus) identische Hardware besitzen.
Jede aktive Rollenführung
enthält
eine Rolle zum Eingriff mit einer zugehörigen Aufzugsschachtschiene,
wobei die Rolle an einer Feder in Serie mit zum Beispiel einem digitalen,
linearen, magnetischen Aktuator („digital linear magnetic actuator” (DLMA))
und parallel mit einem vibrationsunterdrückenden Elektromagnet angebracht
ist. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die spezielle, in 2 gezeigte
Konfiguration der aktiven Rollenführung, da andere Konfigurationen
bekannt sind und es zu verstehen ist, dass die Erfindung auf diese
auch anwendbar ist. Die Funktion der aktiven Rollenführungsaufhängung besteht
darin, sowohl den Korbrahmen horizontal „zentriert" in dem Aufzugsschacht zu halten als
auch horizontale Vibrationen des Korbs zu unterdrücken.
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1 ist
eine Veranschaulichung der nicht-linearen Charakteristika der Elektromagneten, welche
in einer aktiven Rollenführung
(„active
roller guide", ARG)
für eine
horizontale Aufzugsaufhängung
des Stands der Technik verwendet werden. Wie gezeigt ist die für den Elektromagneten
charakteristische Ausgangskraft eine doppelt nicht-lineare Funktion
von Strom und Luftspalt. Folglich ist die Verstärkung der offenen Schleife
jeder Kraftsteuerungsschleife zum Steuern der aktiven Rollenführung von den
Betriebsbedingungen des Elektromagneten abhängig, wobei sich die „Steigung" der Kraft-Strom-Charakteristik
mit Luftspalt und Strom ändert.
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Jede
solche Steuereinrichtung für
die Magnetkraft muss eine effektive Steuerspannung für die elektromagnetische
Spule bereitstellen. Der Strom der elektromagnetischen Spule, der
sich aus der Steuerspannung ergibt, ist eine Funk tion von elektromagnetischer
Induktanz und Widerstand. Die Kurven in 1 wurden
auf der Basis eines Magneten mit 850 Windungen und einem Kernquerschnitt
von 12,5 cm2 (2 in2)
mit der folgenden Gleichung berechnet: Fmag =
Kfi2/g2;wobei
- i
- der Magnetstrom in
Ampere und
- g
- der Luftspalt des
Magneten in Metern ist.
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Die
Konstante „Kf" ist
ein Luftspaltumrechnungsfaktor und ist eine feste Funktion der Magnetauslegung.
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Wie
aus den Kurven von 1 beim Betrieb mit extremen
Luftspalten ersichtlich ist, beträgt die maximale Kraft, die
bei großem
Luftspalt des Magneten erzeugt werden kann, ungefähr 250 N,
bevor der Stromgrenzwert von 10 A erreicht wird. Im entgegengesetzten
Extremfall wird, wenn man annimmt, dass der Magnet im Nennbetrieb
von 1 A (ein typischer konstanter ARG-Wert) durchflossen wird und
der Luftspalt 2 mm beträgt,
die Kraft im Nennbetrieb dann höher
als 250 N sein. Dies stellt eine ungünstige Betriebssituation dar,
da die Magneten gegeneinander wirken (sie sind einpolige Krafterzeuger):
dies würde eine „Sperr"-Konfiguration darstellen,
aus der die Steuerung nicht ausbrechen könnte.
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Dieser
Sperr-Zustand kann aus zwei Gründen
nicht einfach durch Reduzieren des Magnetstroms im Nennbetrieb gelöst werden.
Erstens führt das
Reduzieren des Nennbetriebsstroms in dem Magneten zu größerer Verzögerung,
wenn der Magnet aktiviert wird, da der Strom bei nominellen Luftspalten
auf mehrere Ampere hochgefahren werden muss, bevor signifikante
Kraft entwickelt wird. Zweitens verwendet die Steuerung Flussrückkopplung
in Verbindung mit Stromrückkopplung,
um die laterale Position des Korbs zur Verwendung in der „Zentrier"-Steuerung zu berechnen.
Dadurch wäre
dann, wenn eine fester, ge ringer Strom im Nennbetrieb verwendet
werden würde,
die Flussrückkopplung
bei großen
Luftspalten zu klein für
verlässliche
Positionsberechnung.
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Deshalb
wird das Konzept des Nennbetriebsstroms verworfen, und das Konzept
der Nennbetriebskraft wird für
die Steuerung eingeführt.
Wie in 3 gezeigt, erfordert dieses Konzept die Verwendung
von zwei Kraftschleifen 16, 18 zur Steuerung, eine
für jeden
Magneten. Abhängig
von der Polarität eines „Netto_Kraft" diktierenden Signals
auf einer Leitung 20 wird ein „Netto_Kraft_1"-Signal auf einer Leitung 22 und
ein „Netto_Kraft_2"-Signal auf einer Leitung 24 für jede Schleife
entweder auf „MinimalkraftCmd" oder auf abs(„Netto_Kraft”)+"MinimalkraftCmd" gesetzt. Dadurch
ist die Nettokraft, die sich aus der Ausgabe beider Magneten 26, 28 zusammengenommen
ergibt, gerade „Netto_Kraft", wenn man annimmt,
dass die Verstärkung
der geschlossenen Schleife der dualen Kraftschleifen im Wesentlichen
1 ist.
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Ein
Effekt dieses Ansatzes ist, dass der tatsächliche Strom im Nennzustand
in dem Magneten nicht gesteuert wird, da die Kraft gesteuert wird
und der Luftspalt nicht gesteuert wird. Wenn die Nennbetriebskraft
zu hoch gesetzt wird, werden übermäßige Nennbetriebsströme bei großen Luftspalten
erzeugt; wenn die Nennbetriebskraft zu niedrig gesetzt wird, dann
können
Nennbetriebsströme
bei kleinen Luftspalten sehr gering sein, was die Zeit vergrößert, die
es dauert, die Magneten zu hoher Kraft hochzufahren. Gemäß der oben
beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist durch Experimentieren ermittelt worden,
dass eine Nennbetriebskraft zwischen 20 und 50 N der beste Kompromiss
zwischen übermäßigem Nennbetriebsstrom und
Hochfahrgeschwindigkeitsproblemen ist, wie durch Überkreuzverzerrungsstörung bewiesen
wurde.
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Wieder
mit Bezug auf 2 sind die Flusssensoren 30, 32 aus 3 nicht
gezeigt, aber diese sind innerhalb der Luftspalte der Magneten für die Magneten 26 und 28 angebracht.
Die Flusssensoren 30, 32 sind Hall-Effekt-Einrichtungen,
die dazu verwendet werden, die Flussintensität in den Luftspalten der Vibrationsmagnete
zu messen. Die von dem Magneten auf seine Reaktionsstäbe ausgeübte Kraft
ist proportional zu dem Quadrat der Flussdichte, die von den Flusssensoren
gemessen wird. Dadurch ist das Fluss-Messen der Software- Kraftsteuerungsschleife festgesetzt
und wird als Fluss-Kraft-Rückkopplung für die dualen
Kraftsteuerungsschleifen verwendet. Wie in 2 gezeigt,
ist der Korbrahmen seitlich in Bezug auf die Schienen mittels einer
Federaufhängung
aufgehängt.
Der Controller verwendet die DLMAs, um die Federaufhängung vorzuspannen,
um das oben genannte „Zentrieren" des Korbs in Bezug auf
die Schienen zu erreichen. Diese Steuerung wird bereitgestellt,
so dass der Arbeitshub der Magnete maximiert wird. Eine andere Art,
den Bedarf der Zentrierungsteuerung zu erklären, ist, sich vorzustellen, dass
der Korb in einem trägen
Sinn perfekt stabilisiert ist: Zentriersteuerung erlaubt dann sogar
in Anwesenheit von unausgeglichenen Lasten auf den Korbrahmen maximale
Schienenabweichungen. Positionskenntnis wird hergeleitet durch Messen
des Stroms in den Magneten, des Flusses in den Magneten und durch
Auflösen
nach den Luftspalten in dem Magneten gemäß der obigen Gleichung, wobei
die Flusskraft gleich FMag ist: Fmag ~
B2
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Die
Proportionalitätskonstante
ist eine Funktion der Magnetauslegung: Fmag = (B2/2μ0)A;wobei
- B
- die Flussdichte in
dem Luftspalt des Magneten ist,
- μ0
- die Permeabilität des freien
Raumes (4π × 10–7 H/m)
ist, und
- A
- die gesamte Fläche der
Polflächen
des Magneten ist.
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Für eine feste
Magnetauslegung nennen wir die Konstante (A/2μ0) „Fluss_Kraft_Faktor". Der Fluss wird
abgetastet, in Kraft (Fmag) umgerechnet und
in die erste Gleichung Fmag =
Kfi2/g2 eingesetzt;um
nach dem Luftspalt g aufzulösen.
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3 veranschaulicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Steuerungsblockdiagramm einer dualen Kraftschleife
mit automatischer Verstärkungssteuerung
(„automatic
gain control", AGC).
Das die „Netto_Kraft" diktierende Steuersignal
auf der Leitung 20 wird von einem „Netto-Kraft-Berechnung”-Block 34 algebraisch
aufgeteilt in ein „Netto_Kraft_1"-Signal auf der Leitung 22 und
ein „Netto_Kraft_2"-Signal auf der Leitung 24,
wie oben beschrieben. Ein „Fluss_Kraft_1"-Rückkopplungssignal
auf einer Leitung 36 und ein „Fluss_Kraft_2"-Rückkopplungssignal
auf einer Leitung 38 werden mittels Fluss-zu-Kraft-Umwandlungsblöcken 40, 42 aus
von den Flusssensoren 30, 32 jeweils gemessenen
Flusssignalen 40, 46 hergeleitet. Die Signale
auf den Leitungen 36, 38 werden als negative Rückkopplung
an zwei Addierer 48, 50 angelegt. Jeweilige Fehlerausgabesignale
der Addierer 48, 50 auf Leitungen 52, 54, „Kraft_Fehler_1" und „Kraft_Fehler_2", werden als Eingänge an jeweilige Kompensationsfilter 56, 58 angelegt,
die einen Integrator enthalten können.
Ein jeweiliges Ausgabesignal (gefilterter Kraftfehler) jedes Kompensators
auf Leitungen 60, 62 wird in einem jeweiligen
Block 64, 66 mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor
multipliziert, der gemäß der vorliegenden
Erfindung als eine Funktion von Strom- und Luftspaltbedingungen des
betrachteten Magneten (weitere Details unten) variabel ist. Jeweilige
Magnetsteuersignale auf Leitungen 68, 70 sind
Ausgaben des Kraftschleifenreglers und werden als PWM-Signale an
jeweilige Leistungselektronik der Magnettreiber 72, 74 angelegt. Sich
ergebende Ströme
auf Leitungen 76, 78 in den Magnetspulen werden
gemessen und als gemessene Spulenstromsignale auf Leitungen 80, 82 rückgekoppelt
und in einem jeweiligen „Strom & Luftspalt AGC"-Block 84, 86 verwendet,
um auf Leitungen 88, 90 für die Blöcke 64, 66 (proportionale)
AGC-Verstärkungsanpassungssignale
bereitzustellen, welche auf den gemessenen Spulenstromlevelsignalen 80, 82 sowie
den Flussrückkopplungssignalen 36, 38,
wie gezeigt, oder direkt auf den gemessenen Flusssignalen 44, 46 beruhen.
Anhand der AGC-Verstärkungsanpassungssignale
veranlassen die Blöcke 84, 86, dass
die proportionale Verstärkung
reduziert wird, wenn das jeweilige gemessenen Antriebsstromsignal an
Höhe zunimmt.
Diese Blöcke
bestimmen auch die Größe des Luftspalts
(z. B. durch Auflösen
nach „g" in der letzten Gleichung)
in den jeweiligen Magneten als Antwort auf die gemessenen Strom-
und Kraftsignale und erhöhen
die jeweilige proportionale Verstärkung, wenn der jeweilige Luftspalt
an Größe zunimmt.
Wie oben erwähnt,
erzeugen die Magnetströme
in den Luftspalten der Magnete Fluss, welcher von den Flusssensoren 30, 32 detektiert
wird und auch an die Software-Steuerung zur Fluss-zu-Kraft-Berechnung 40, 42 rückgekoppelt wird.
Es sollte wahrgenommen werden, dass die Ermittlung der jeweiligen
Luftspaltgrößen in Blöcken 84, 86 direkt
auf der Basis der gemessenen Flussdichte auf Leitungen 44, 46 anstelle
der Kraftrückkopplungssignale 36, 38,
wie gezeigt, ausgeführt werden
könnte
(in Verbindung mit den gemessenen Stromsignalen 80, 82).
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Die
Berechnung von AGC_Verstärkung
linearisiert die Verstärkung
der offenen Schleife der Kraftschleife nicht wirklich, hilft aber,
die Schleife über
einen weiten Bereich von Strom-Luftspalt-Zuständen zu stabilisieren. Zuerst
wird der proportionale Verstärkungsfaktor,
welcher in jeder Kraftschleife verwendet wird, als eine lineare
Funktion des Betriebsstroms herabgesetzt. Wenn der Strom von seinem
Minimum ansteigt, wird die Verstärkung
reduziert. Zweitens wird der verwendete, proportionale Verstärkungsfaktor
herabgesetzt oder erhöht
als eine lineare Funktion des Magnetluftspalts, wenn der Magnetluftspalt
8 mm unter- bzw. überschreitet.
Die 8 mm sind einfach ein Steuerungswert, der für dieses Beispiel empirisch
ermittelt wurde. Die AGC-Verstärkungsanpassungsberechnungen
werden für
jede Kraftschleife mittels folgender Gleichungen ausgeführt: AGC_Verstärkung1
= Verstärkung(1A)/Imag;und AGC_Verstärkung2 = AGC_Verstärkung1(Luftspalt(mm))/8mm.
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6 zeigt
den Verstärkungsanpassungsfaktor
für einen
veränderlichen
Luftspalt. 7 zeigt die Verstärkungsanpassung
für veränderlichen Strom.
Es sollte wahrgenommen werden, dass auch andere Wege vollzogen werden
können,
um ähnliche Resultate
zu erreichen, wobei dies nur ein Beispiel ist.
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4 stellt
ein Blockdiagramm der Controller-Hardware für die duale Kraftschleife zur
Verfügung.
Das μP tastet
die Eingaben ab und speichert die Eingabe-Abtastwerte in RAM, wobei
es Befehle aus EPROM ausführt.
Filterparameter werden in EEPROM oder EPROM zur Verwendung in den
Verzögerungskompensationsfiltern
und der AGC-Logik gespeichert. Die sich ergebenden Magnet-PWM-Anweisungen werden
an die Magnettreiberschaltungen gesandt.