09.01.021 Elektronisch messen, steuern, regeln Aktuatoren: Mechanische Antriebe Motoren

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.