Beispiele mechatronischer Systeme

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9 Beispiele mechatronischer Systeme
nen Gaspfadaktoren vorgibt. Dabei wirkt sich deren Regelgüte zunehmend begrenzend aus.
Ursächlich dafür sind Parameterschwankungen aufgrund wechselnder Temperaturzustände,
Alterung und Verschmutzung.
Bild 9.24 Beispielhafte elektronische PKW Drosselklappe,
Foto: KSPG AG
Insbesondere bei OTTO-Motoren ist zur Reduktion von Schadstoffen und zum Erreichen eines
hohen Wirkungsgrades ein präzises Verhältnis aus Kraftstoff und Sauerstoffmenge im Brennraum
einzustellen. Dies wird im Wesentlichen mithilfe einer Drosselklappe realisiert, wie sie
in Bild 9.24 dargestellt ist. Eine rotatorisch gelagerte Klappe gibt entsprechend ihrer Winkelstellung
einen Strömungsquerschnitt im Saugrohr frei. Folglich ist an die Lageregelung der
Drosselklappe eine besonders hohe Güteanforderung zu stellen.
Das folgende Beispiel illustriert das Potenzial der modellbasierten Regelung. Durch die Verwendung
von Modellwissen kann ein über den Lebenszyklus näherungsweise konstantes Zeitverhalten
erreicht und die Dynamik des Stellers optimal ausgenutzt werden. Somit kann ein
niedriger Schadstoffausstoß und Verbrauch auch unter den stark wechselnden Betriebszuständen
und Umgebungsbedingungen eines Kfz sichergestellt werden.
9.3.1 Modellbildung
Die Drosselklappe wird durch einen permanenterregten Gleichstrommotor (OHM’scher Widerstand
R M , Induktivität L M und Motorkonstante K M ) angetrieben. Die Umwandlung der
Motorposition in die Drosselklappenstellung erfolgt durch ein Kunststoffgetriebe (Übersetzung
ü G ). Der Antrieb arbeitet gegen eine Feder (Steifigkeit c F ), welche in der sog. Notlaufposition
entspannt ist. Diese befindet sich in leicht geöffneter Stellung, um im Fehlerfall eine
ungewollte Beschleunigung auszuschließen und gleichzeitig die Möglichkeit zu geben, das
Fahrzeug aus einer Gefahrenzone zu bewegen.
Die Drosselklappe ist ein typischer mechatronischer Aktor, bestehend aus einem elektrischen
und einem mechanischen Teilsystem und wird analog zu Abschnitt 2.2.1 modelliert. Entsprechend
ergibt sich nach Anwendung der KIRCHHOFF’schen Maschenregel folgende Differentialgleichung
für den elektrischen Teil:
di
dt = u
L M
− R M
L M
i − K Mü G
L M
˙ϕ. (9.18)