Beispiele mechatronischer Systeme

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9 Beispiele mechatronischer Systeme
Bedienelemente
Mikrocontroller /
Interfaceplatine
IMU
Akkumulator
Bild 9.52 Bild der aufgebauten Lastkarre
DC-Motor
BLDC-Motor (Präzession)
(Momentenkreisel)
DC-Motor (Rad)
Winkelsensoren
Direkt unter dem Akkumulator und der Interfaceplatine ist der Rahmen mit den beiden Momentenkreiseln
an der Lastkarre befestigt. Details zeigte Bild 9.51. Über dem Rahmen sind beide
Motoren positioniert, die eine Präzessionsbewegung der beiden Momentenkreisel steuern.
Innerhalb des Rahmens sind die durch bürstenlose Motoren angetriebenen Kreisel drehend
gelagert aufgehängt. Über das TwinGyro-Modul – bestehend aus den zwei Momentenkreiseln
mit ihren Antrieben – soll eine Stabilisierung der Lastkarre erreicht werden.
9.6.2 Modellierung und Regelungskonzepte
Wie in der Einleitung erläutert, wurden drei Ansätze untersucht und implementiert. Diese bauen
aufeinander auf und werden nun beschrieben. Prinzipiell lassen sich alle Ansätze hinreichend
genau durch ein lineares Zustandsraummodell beschreiben. Die Ermittlung einer geeigneten
Rückführung erfolgt jeweils durch einen Optimalreglerentwurf (vgl. Abschnitt 8.4.1).
Stabilisierung mit TwinGyro-Modul
Bild 9.53 zeigt die Regelkreisstruktur für die Stabilisierung alleinig mit dem TwinGyro-Modul.
Zur Modellbildung werde zunächst das Inverse Pendel in Bild 9.54 betrachtet.
Wie bereits in Abschnitt 9.6.1 gezeigt, erzeugt ein TwinGyro-Modul in Abhängigkeit vom Massenträgheitsmoment
J G , der Präzessionsdrehrate ω P und der Drehzahl ω der Kreisel das Moment
τ Gyro = 2 J G ωω P cos(ϕ P ). (9.82)
Der unterlagerte Regler für die Präzessionsbewegung ist hinreichend schnell, so dass die Einstellung
der Solldrehrate mit einem PT 1 -Verhalten modelliert werden kann. Diese unterlagerte