Verifikationstest für einen mikromechanischen Shutter im Rahmen ...

E Abbildungsverzeichnis
11. Anhang
Abbildung 1-1: Die drei Hauptmodule der Mertis Raumsonde [1] ......................................................................... 1
Abbildung 1-2: Engineering Modell des Shutters ................................................................................................... 3
Abbildung 3-1: Blockschaltskizze des Shuttersystems mit Kennzeichnung der Wechselwirkung der
Komponenten .......................................................................................................................................................... 7
Abbildung 4-1: Testaufbau des mechanischen Belastungstests ............................................................................ 12
Abbildung 4-2: Für den Random-Test spezifizierte spektrale Beschleunigungsdichte ......................................... 14
Abbildung 4-3: CAD-Bild des Shutter auf Monagesockel und Drehung des Koordinatensystems ...................... 14
Abbildung 4-4: Vergleich der Federkonstanten vor (grün) und nach (rot) dem Vibrationstest ............................ 17
Abbildung 4-5:Vergleich der Aktorkennlinie vor (blau) und nach (rot) dem Vibrationstest ................................ 18
Abbildung 5-1: Versuchsanordnung zur Verifikation der Lebensdauer ................................................................ 20
Abbildung 5-2: : Die für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit wichtigsten Signale: Spulenstrom und
Auslenkung der Shutterwippe ............................................................................................................................... 24
Abbildung 5-3: Spulenstrom und Positionssignal im 40Hz Betrieb ...................................................................... 25
Abbildung 5-4: Kontinuierliche Verlängerung der Strompulse im 100Hz Betrieb durch den erhöhten
Energiebedarf des Stellers, um das Shutterblade zu positionieren ........................................................................ 27
Abbildung 5-5: Verringerung der Regelgüte im 100Hz Betrieb aufgrund der verringerten Verstärkung ............. 28
Abbildung 5-6: Verlauf des Sensorausgangssignals im 100Hz Test-Betrieb ........................................................ 28
Abbildung 5-7: Vergleich der Federkonstanten vor und nach dem Test bei 100Hz ............................................. 29
Abbildung 5-8:Vergleich der Aktorkennlinien vor und nach dem Test bei 100Hz ............................................... 30
Abbildung 5-9: Aktorstrom SR1 bei 10Hz Verifikationsfrequenz nach unterschiedlicher Testzyklenzahl .......... 32
Abbildung 5-10: Auslenkung SR1 bei 10Hz Verifikationsfrequenz nach unterschiedlicher Testzyklenzahl ....... 32
Abbildung 5-11: Sensorsignal SR1 bei 10Hz Verifikationsfrequenz nach unterschiedlicher Testzyklenzahl ...... 33
Abbildung 5-12: Änderung der Federkonstante SR1 während des 40Hz Betriebs .............................................. 33
Abbildung 5-13: Änderung des Aktorwirkungsgrades SR1 während des 40Hz Betriebs .................................... 34
Abbildung 6-1: Signalflussplan des Regelungssystems ........................................................................................ 35
Abbildung 6-2: Signalflussplan der Positionsregelstrecke .................................................................................... 36
Abbildung 6-3: Schematische Darstellung des Shutters als Feder-Dämpfer-Masse System ................................ 37
Abbildung 6-4: Kraft-Weg Kennlinie (Primärachsen) der Federn von SR3(blau) und SR#4(rot) sowie deren
Federkonstanten c=dF/dx von SR3( blau) und SR4 (rot) ...................................................................................... 41
Abbildung 6-5: Frequenzgang der Regelstrecke ................................................................................................... 43
Abbildung 6-6: Bestimmung der dynamischen Kenndaten der Regelstrecke von SR4 ........................................ 43
Abbildung 6-7: Ermittlung der Dämpfung über die Resonanzbandbreite ............................................................. 45
Abbildung 6-8: Signalflussplan des Aktors........................................................................................................... 46
Abbildung 6-9: Schematische Darstellung des Aktors und dessen Zusammenhang mit dem Feder-Dämpfer-
Massesystems der Positonsregelstrecke ................................................................................................................ 46
Abbildung 6-10: Frequenzgang der Parallelschaltung der Spulen A und B .......................................................... 47
Abbildung 6-11: statische Kraft-Strom Kennlinie der Aktoren von SR3 und SR4 ............................................... 48
Abbildung 6-12:Signalflussplan der Sensorik und Signalaufbereitung................................................................. 51
Abbildung 6-13: Aufbau zur Vermessung der Sensorik ....................................................................................... 51
Abbildung 6-14: Sensorempfindlichkeit-Magnetabstands Kennlinie ................................................................... 52
Abbildung 6-16: Messbrücke des GMR-Sensors .................................................................................................. 53
Abbildung 6-15: Kennlinie der B-Feld Empfindlichkeit des GMR-Sensors ......................................................... 53
Abbildung 6-17: reproduzierte Sensorkennlinie ................................................................................................... 54
Abbildung 6-18: Signalflussplan zur Rekonstruktion der Magnetkennlinie ......................................................... 54
Abbildung 6-19: Vergleich der aus Messergebnissen rekonstruierten und der mit FEM berechnete Kennlinie des
Sensormagneten .................................................................................................................................................... 55
Abbildung 6-20: statische Kennlinie des Sensorverstärkers ................................................................................. 56
Abbildung 6-21: Frequenzgang des Sensorverstärkers ......................................................................................... 56
Abbildung 6-22: Schaltungstechnische Realisierung des Stromregelkreises ........................................................ 57
Abbildung 6-23: Signalflussplan des Stromregelkreises ....................................................................................... 58
Abbildung 6-24: Normierte Amplitudengänge des Stromregelkreises ................................................................. 59
Abbildung 6-25: Phasengang des Stromregelkreises ............................................................................................ 59
Abbildung 6-26: Grundlegende Beschaltung eines Operationsverstärkers ........................................................... 61
Abbildung 6-27: regelungstechnisch äquivalente Beschreibung eines reellen, beschalteten Operationsverstärkers
.............................................................................................................................................................................. 62
Abbildung 6-28: Beschaltung des PID-regelnden OPVs ...................................................................................... 62
Abbildung 6-29: Frequenzgang des PD-T1 Reglers ohne Vergleicher, KPR=8.9 Tv=0.0038 T1=0.0003 ............... 63
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