Beispiele mechatronischer Systeme

9.6 Inertiale Stabilisierung einer Lastkarre mit Momentenkreiseln lvii
sich nämlich der Vektor L parallel zum Vektor ω P einzustellen. Die Achse des Kreisels wird also
hinten nach unten und vorne nach oben gedrückt, was die in Bild 9.50 eingezeichneten (und
nicht unerheblichen) Lagerkräfte F L hervorruft.
Mit einer Anordnung nach Bild 9.51 mit zwei gegensinnig drehenden Kreiseln (Drehrate ω gilt
für die linke und rechte Seite, d. h. ω l = ω r = ω), für die im nachfolgenden Text als Präzessionsbewegung
bezeichnete Drehung (Drehrate ω P,l = ω P,r = ω P ) in unterschiedlicher Richtung
aufgeprägt wird, heben sich zwei der in Gl. (9.80) angegebenen Momente auf und addieren
sich vektoriell in der dritten Raumrichtung zur Erzeugung des Momentes τ Gyro .
ω P,l
ϕ P,l ϕ P,r
ω P,r
τ Gyro,l
τ Gyro
τ Gyro,r
ω l
ω r
Bild 9.51 TwinGyro-Modul, Erzeugung eines Momentes durch die Präzessionsdrehrate
Diese Anordnung wird im Folgenden als TwinGyro bezeichnet. In Abhängigkeit vom Massenträgheitsmoment
J G der Schwungscheiben bzgl. der Drehrichtung von ω, der (erzwungenen)
Präzessionsdrehrate ω P und der Drehzahl der Kreisel ω erhält man
τ Gyro = 2 J G ωω P cos(ϕ P ). (9.81)
Zu berücksichtigen ist dabei, dass das resultierende Moment für die später gewünschte Nickbewegung
der Lastkarre vom Präzessionswinkel ϕ P abhängt, d. h. das Moment "braucht sich
bei Bewegung auf“ und ist somit nur kurzzeitig wirksam. Außerdem gilt es daher die Kreisel
immer wieder in die Nullposition zurückzuführen.
Im Rahmen des vorliegenden Aufbaus wurden folgende Kenngrößen umgesetzt:
Parameter
Masse je Schwungscheibe
Wert
M G = 1,688kg
Radius je Schwungscheibe r G = 0,065m
Trägheitsmoment je Schwungscheibe J G = 0,00357kgm 2
Drehrate je Schwungscheibe ω=2π 12000
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Die beiden beschriebenen Ansätze – Reaktionsschwungrad und Momentenkreisel – werden
z. B. in [VS00] für den Einsatz in der Lageregelung von kleinen Satelliten verglichen.
Bild 9.52 zeigt die umgebaute Lastkarre. Die wesentlichen Baugruppen beschreibt Tabelle 9.3.
Das System ist autark in dem Sinne, dass es von einer Batterie betrieben ist und sämtliche Berechnungen
auf dem Mikrocontroller erfolgen. Um die Störsicherheit zu gewährleisten, findet
– wenn möglich – die Übertragung von Sensorsignalen digital und dann vorzugsweise differenziell
statt (z. B. per RS485). Dies ist aufgrund der langen Leitung und der nahe beieinander
liegenden Leistung- und Signalleitungen zweckmäßig.
rad
s