09.01.021 elektronisch messen, steuern, regeln aktuatoren: mechanische antriebe motoren
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09.01.02 1
Elektronisch
messen, steuern, regeln
Aktuatoren:
Mechanische Antriebe
Motoren
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Magnetische Kräfte
L
FL
I
L
N
S
Die Lorentz-Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wird:
(L = Leiterlänge, I = Strom, B = Stärke des Magnetfeldes)
L
L ldBIF
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Magnetische Kräfte 2
Permanent- oderElektro-Magnet Kraft F
Kraft F
ferromagnetischeTeile
N
inhomogenesFeld
S
Auf ferromagnetische Teile werden im inhomogenen Magnetfeld eines Permanent- oder eines Elektro-Magneten Kräfte ausgeübt.
Werden diese Teile durch die Kräfte bewegt, so kann das Magnetfeld durch kleineren magnetischen Widerstand selbst auch noch verstärkt werden.
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Relais
Kupferwicklung
Umschalt-Kontakte
Eisenkern
beweglicheEisenwippe
Eisen
Wird die Kupferwicklung von einem Strom durchflossen, so wird die Eisenwippe an den Kern gezogen. Durch den geringeren Luftspalt wird das Magnetfeld zusätzlich noch grösser.
Beim Ausschalten lässt die Federkraft der mittleren Kontaktlamelle die Wippe wieder in die Ruhestellung zurückfallen.
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Zugmagnete
Wird die Kupferwicklung von einem Strom durchflossen, so wird die Eisenscheibe an den Kern gezogen. Durch den geringeren Luftspalt wird das Magnetfeld zusätzlich noch grösser.
Beim Ausschalten lässt die Federkraft die Scheibe wieder in die Ruhestellung zurückfallen.
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Ventile
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Ansteuerung
Relais,Ventil,Magnet
Freischalt-Diode
+24V
Logik-Signal
Um die relativ hohen Ströme (bis 1A) schalten zu können, verwendet man Schalttransistoren.
Beim Ausschalten möchte die Induktivität der Spule den Strom erhalten. Durch Selbstinduktion würden am Kollektor des Transistors so hohe Spannungen entstehen, dass der Transistor zerstört würde.
Die Freischaltdiode verhindert die Zerstörung des Transistors
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Kompensationswaage
Beim Lautsprecher wird die Spule im Magnetfeld von Wechselströmen durchflossen und damit die Membrane bewegt.
Bei der Kompensationswaage wird nach Auflegen des Gewichtes ein Gleichstrom durch die Spule im Magnetfeld solange erhöht, bis sich der Waagenteller wieder an genau derselben Position befindet, wie ohne aufgelegtes Gewicht.
Der Strom ist dann genau proportional zur Gewichtskraft.
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Gleichstrom-Motor
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Prinzip des Gleichstrommotors
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Gleichstrom-Motoren
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Bürstenlose Motoren
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Planetengetriebe
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Leerlaufdrehzahl des Gleichstrommotors
Leerlaufdrehzahl [rpm]
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Spannung [V]
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Belastungs-Charakteristikdes Gleichstrommotors
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Drehmoment (normiert)
DrehzahlStromAbgabeleistungWirkungsgrad
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Schritt-Motor
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Prinzip des Schrittmotors
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Schrittmotoren
NSPermanentmagnet
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Ansteuerung
Zeit
Zeit
StrominSpule 1
StrominSpule 2
Die beiden Spulen des Schrittmotors können mit beliebigen Sequenzen mit Strom versorgt werden.
Bewegungsrichtung und Zeitpunkt des nächsten Schrittes können beliebig gewählt werden.
Dadurch lassen sich absolute Winkelpositionen kontrollieren!
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Ansteuerung 2
+Speisung
Spule des Motorskurzgeschlossen
Y=1X=1
A
B
C
D
+Speisung
Spule des Motors
Y=0X=1
A
B
C
D
+Speisung
Spule des Motors
Y=1X=0
A
B
C
D
+Speisung
Spule des Motors
Y=0X=0
A
B
C
D
Die beiden UND-Tore sind eingefügt, dass die Schalter A und B (oder C und D) nicht gleichzeitig eingeschaltet werden können. Sie verhindern einen Kurzschluss zwischen +Speisung und 0V.
Die Schalter sind mit Transistoren realisiert, meist kommen Leistungs-Metall-Oxyd-Semiconductor-Feldeffekt-Transistoren (PowerMOSFET) zur Anwendung.
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Piezo-elektrische Antriebe
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Piezo-elektrischer Effekt
Ferroelektrische Materialien z.B. BaTiO3, Bleizirkonat, Bleititanat sind ohne Polarisation isotrop.
Durch die Polarisation (= erwärmen, abkühlen mit angelegtem el.Feld unter die Curie-Temperatur) wird das Material anisotrop und piezo-elektrisch.
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Einfache piezo-elektrische Aktuatoren
++
PolarisationWird das elektrische Feld parallel zur Polariation angelegt, so wird deren Wirkung noch verstärkt, der Stab wird länger und dünner.
Wird das elektrische Feld antiparallel zur Polariation angelegt, so wird deren Wirkung noch vermindert, der Stab wird kürzer und dicker.
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Piezostacks
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Nichtlinearität / Hysterese
0
10
0 100 200 300 400
Spannung [V]
Pos
ition
[u
m]
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Bimorph Piezo‘s
Polarisierung =
Polarisierung =
Spannung
Bimorphe Piezo-Aktuatoren bestehen aus zwei Schichten mit entgegengesetzter Polarisation.
Beim Anlegen einer Spannung dehnt sich eine Schicht aus, die andere zieht sich zusammen. Damit verbiegt sich der Piezo.
Mit der Verbiegung des Piezo können relativ grosse Auslenkungen erreicht werden.
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Piezo-Röhrchen
Piezo-elektrischesRöhrchen
Metall-ElektrodeInnen
4 Metall-Elektroden
Polarisation
Wird der Piezo als Röhrchen geformt und die äussere Metall-Elektrode in 4 Segmente unterteilt, so lassen sich Bewegungen in 3 orthogonalen Richtungen ausführen.
Die innere Elektrode sei 0V.
Bei gleicher Spannung auf allen Segmenten kann die Länge des Röhrchens verändert werden.
Werden an gegenüberliegenden Elektroden Spannungen gleicher Grösse, aber umgekehrtem Vorzeichen angelegt, so verbiegt sich das Röhrchen in dieser Richtung (analog zum Bimorph).
09.01.02 28Z-Bewegung
09.01.02 29X-Bewegung
09.01.02 30Y-Bewegung
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Trägheitsmotor
4 BimorphStäbe
SpannungZeit
bewegliche Masse
Bewegung Die vier Bimorph-Piezo‘s werden durch die angelegte Spannung gebogen. Die Masse wird mit dem Anwachsen der Spannung linear nach rechts bewegt.
Beim Zurückspringen der sägezahnförmigen Spannung kann die träge Masse der plötzlichen Bewegung nicht folgen.
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Drehstrom Asynchron-Motor
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Magnetfeldbei 0 °
Eisenkern
Pole und Spulen 120 °versetzt
Magnetfeldbei 30 °
Rotierendes Feldrotierendes Feld konstanter AmplitudeIm Rotor werden Spannung und Strominduziert.
Der Rotor versucht dem rotierenden Feld zu folgen.
Rotor
Wenn der Rotor gleich schnell dreht wie das rotierende Magnetfeld konstanter Amplitude, kann nichts mehr induziert werden, deshalb stellt sich die Drehzahl des Rotor leicht tiefer ein als diejenige des Feldes.