Grundstruktur mechatronischer Systeme

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Claus Solberg
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1 Bild 2.1_1 Quelle: VDI Grundstruktur mechatronischer Systeme Bild 2.1_2 Grundstruktur mechatronischer Systeme am Beispiel ESP

2 Bild 2.1_3 Quelle: VDI Arten von Flüssen innerhalb eines mechatronischen Systems Bild 2.1_4 Quelle: Wrede Definition: Mechatronisches System Ein mechatronisches System besteht im allgemeinen aus folgenden Teilsystemen: Grundsystem (meist mechanisch oder Energiewandler) Aktoren Sensoren Rechnern/Hardware Informationsverarbeitung/Software Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMI = Man Machine Interface) Energiequelle(n)

3 Bild 2.1_5 Quelle: Wrede Interdisziplinarität bei mechatronischen Systemen In der (Kraft)fahrzeugtechnik, und speziell bei mechatronischen Systemen, wirken sehr viele Wissensgebiete interdisziplinär zusammen. Beispiel Bremssystem: Mechanik Auslegung Fahrzeugverzögerung Festigkeitslehre/Wärmeübertragung Auslegung Bremsscheibe Physik/Sensortechnik Entwicklung Sensoren für Raddrehzahl Konstruktion/Elektromechanik Auslegung Stellglied zur Bremssteuerung Elektronik/Schaltungsentwicklung Auslegung elektronisches Steuergerät Regelungstechnik/Simulation Logik für Bremssteuerung/ABS µc-technik/software Engineering Programmierung der ABS-Regelung Sicherheitstechnik Sicherheitsaspekte/nachweis Bild 2.1_6 Quelle: Heimann Steuerung Management Überwachung Regelung Höhere Ebene Überwachungsebene Regelungs-/ Steuerungsebene f(t) Mechanischer Prozess z(t) y(t) Prozessebene Ebenen mechatronischer Systeme

4 Bild 2.1_7 Quelle: Isermann Entwurf Konstruktion Entwurf Konstruktion Mechanisches system Elektrisches system Mechanisches system Elektrisches system Getrennte Komponenten a) Konventionelles Vorgehen Einheitliches Gesamtkonzept b) Mechatronisches Vorgehen Entwurf + Konstruktion mechatronischer Systeme Bild 2.1_8 Quelle: Heimann Konventioneller Entwurf Zusammengesetzte Komponenten und damit häufig komplexe Mechanik. Präzision durch enge Toleranzen. Steifer Aufbau. Kabelprobleme Gesteuerte Bewegung Nichtmessbare Größen unbeeinflussbar Einfache Grenzwertüberwachung Mechatronischer Entwurf Autarke Einheiten, Verlagerung von mechanischen Funktionen in die Software Präzision durch Messung und Rückführung. Elastischer Aufbau und damit Leichtbau Bussysteme Programmierbare, geregelte Bewegung Berechnung, Regelung nichtmessbarer Größen Überwachung mit Fehlerdiagnose Prinzipielle Unterschiede zwischen konventionellem und mechatronischem Entwurf

5 Bild 2.1_9 Eigenschaften mechatronischer Systeme Bild 2.1_10 Eigenschaften mechatronischer Systeme

6 Bild 2.1_11 Funktionale Integration Quelle: Bosch Bild 2.1_12 Funktionale Integration Quelle: Bosch

7 Bild 2.1_13 Nutzen der Mechatronik 1 Bild 2.1_14 Nutzen der Mechatronik 2

8 Bild 2.1_15 Quelle: VDI Nutzen der Mechatronik 3 Bild 2.1_16 Kommunikation und Kooperation bei mechatronischen Entwicklungen

9 Bild 2.1_17 Komplexität mechatronischer Entwicklungen 1 Bild 2.1_18 Komplexität mechatronischer Entwicklungen 2

10 Bild 2.1_19 Quelle: Dürnay Getaktete Spannungsversorgung finden beim KFZ häufig Anwendung Anwendungsbeispiele für PWM: Lichtdimmer bei Innenraumbeleuchtung Ansteuerung von Linearventilen (sog. Stellgliedern) zur Positionsansteuerung z. B. Ansteuerung Einspritzpumpenhub Gebläseansteuerung Grundlagen Puls-Width-Modulation Bild 2.1_20 Quelle: Dürnay Ontime t on Taktzeit t k U bat U mittel Ansteuer- Elektronik Impuls-generator U bat MOS-FET Verbraucher Gnd MOS-FET: Metall-Oxid- Semiconductor- Field-Effect- Transistor Puls-Width-Modulation PWM

11 Bild 2.1_21 Quelle: Dürnay Vorteile: Keine/geringe Wärmeentwicklung Somit keine oder kleine Kühlkörper Kleine Baugrößen der Bauteile Einfache und direkte Ansteuerung durch digitale Technik/Prozessoren Hoher Wirkungsgrad / geringe Verlustleistung Puls-Width-Modulation Vorteile Bild 2.1_22 Quelle: Dürnay Nachteile: Störeinflüsse durch Taktung 1. Durch Taktfrequenz (z. Bsp. 100 Hz-Brummen) 2. Hochfrequente Störung durch steile Schaltflanken (Fourier - Gesetze: Darstellung von beliebigen Spannungssignalen durch Addition von Sinussignalen verschiedener Frequenzen) Anwendbar nur für Geräte mit integrierenden Eigenschaften (Glühlampen, Spulen,...) nicht jedoch als Spannungsumsetzung für elektronische Geräte, da keine echte Gleichspannung. Abhilfen: Nicht völlig steile Flanken, Glättungskomponenten (Bsp. Kondensator) einbauen, Komponenten in Blechgehäuse unterbringen. Puls-Width-Modulation Nachteile

12 Bild 2.1_23 Quelle: Dürnay Aufgabe: Sie möchten ein Linearventil mit einem PWM-Signal ansteuern. Der max. Ansteuerweg des Ventils beträgt 10mm bei 6 Volt. Die Betriebsspannung beträgt 12 Volt, die Taktsteuerzeit t k =100 ms. Die gewünschte Auslenkung soll 8mm betragen. a) Welche On-Zeit t on in ms ist notwendig? b) Zeichnen Sie ein Prinzipschaltbild der PWM-Ansteuerung Beispielrechnung Bild 2.1_24 Quelle: Dürnay Aufgabe: Welche On-Zeit t on in ms ist notwendig? 10mm entspr. 6V 8 mm entspr. (6V/10)*8=4,8 V (Linearventil!) U bat Ontime t on U mittel 4,8 V 12V entspr. 100ms 4,8 V entspr. (100ms/12)*4,8=40ms Taktzeit t k Erg.: Eine t on von 40ms führt zu einer Auslenkung von 8 mm Beispielrechnung Lösung

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