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Mechatronische Systeme Regelung von Mehrkörpersystemen WS ... · Fakultät Elektrotechnik und...

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33
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof. Dr.techn. Klaus Janschek Mechatronische Systeme - WS2012/13 – MS01 - Einführung - 1 - Mechatronische Systeme Regelung von Mehrkörpersystemen Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof. Dr.techn. Klaus Janschek WS 12/13
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Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 1 -

bull Mechatronische Systeme

bull Regelung von

Mehrkoumlrpersystemen

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

WS 1213

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 2 -

11 Definitionen Mechatronik

12 Mechatronische Produkte

13 Mechatronische Systeme

14 Produktbeispiele

15 Entwurfsbeispiel

16 Systementwurf mechatronischer Systeme

17 Inhalte der Lehrveranstaltung

MS01 Einfuumlhrung

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 3 -

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 4 -

Mechatronik bezeichnet eine interdisziplinaumlre Entwicklungsmethodik die uumlberwiegend

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben durch die synergetische raumlumliche und

funktionelle Integration von mechanischen elektrischen und informations-

verarbeitenden Teilsystemen loumlst VDIVDE Gesellschaft fuumlr Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachausschuss 415 ldquoMechatronikrdquo 2003

Mechatronics is the synergistic combination of precision mechanical engineering

electronic control and systems thinking in the design of products and manufacturing

processes It covers the integrated design of mechanical parts with an embedded control system and information

processing International Federation of Automatic Control (IFAC) - Technical Committee on Mechatronic Systems

11 Definitionen bdquoMechatronikldquo

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 5 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

genauer

schneller

sanfter

einfuumlhlsamer

intelligenter

uumlberall

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

12 Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 6 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

Mechatronische Produkte

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 7 -

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Generisches Mechatronisches System

--Funktionsorientiertes Modell--

Funktionen

Wirkgroumlszligen

Beschreibungs-

elemente

Geschlossener Wirkungskreis

Ruumlckkopplung

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 8 -

Technologien zur Realisierung mechatronischer

Produkte

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

13 Mechatronische Systeme

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 2 -

11 Definitionen Mechatronik

12 Mechatronische Produkte

13 Mechatronische Systeme

14 Produktbeispiele

15 Entwurfsbeispiel

16 Systementwurf mechatronischer Systeme

17 Inhalte der Lehrveranstaltung

MS01 Einfuumlhrung

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 3 -

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 4 -

Mechatronik bezeichnet eine interdisziplinaumlre Entwicklungsmethodik die uumlberwiegend

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben durch die synergetische raumlumliche und

funktionelle Integration von mechanischen elektrischen und informations-

verarbeitenden Teilsystemen loumlst VDIVDE Gesellschaft fuumlr Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachausschuss 415 ldquoMechatronikrdquo 2003

Mechatronics is the synergistic combination of precision mechanical engineering

electronic control and systems thinking in the design of products and manufacturing

processes It covers the integrated design of mechanical parts with an embedded control system and information

processing International Federation of Automatic Control (IFAC) - Technical Committee on Mechatronic Systems

11 Definitionen bdquoMechatronikldquo

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 5 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

genauer

schneller

sanfter

einfuumlhlsamer

intelligenter

uumlberall

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

12 Mechatronische Produkte

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 6 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

Mechatronische Produkte

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 7 -

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Generisches Mechatronisches System

--Funktionsorientiertes Modell--

Funktionen

Wirkgroumlszligen

Beschreibungs-

elemente

Geschlossener Wirkungskreis

Ruumlckkopplung

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 8 -

Technologien zur Realisierung mechatronischer

Produkte

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

13 Mechatronische Systeme

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 3 -

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 4 -

Mechatronik bezeichnet eine interdisziplinaumlre Entwicklungsmethodik die uumlberwiegend

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben durch die synergetische raumlumliche und

funktionelle Integration von mechanischen elektrischen und informations-

verarbeitenden Teilsystemen loumlst VDIVDE Gesellschaft fuumlr Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachausschuss 415 ldquoMechatronikrdquo 2003

Mechatronics is the synergistic combination of precision mechanical engineering

electronic control and systems thinking in the design of products and manufacturing

processes It covers the integrated design of mechanical parts with an embedded control system and information

processing International Federation of Automatic Control (IFAC) - Technical Committee on Mechatronic Systems

11 Definitionen bdquoMechatronikldquo

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 5 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

genauer

schneller

sanfter

einfuumlhlsamer

intelligenter

uumlberall

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

12 Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 6 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

Mechatronische Produkte

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 7 -

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Generisches Mechatronisches System

--Funktionsorientiertes Modell--

Funktionen

Wirkgroumlszligen

Beschreibungs-

elemente

Geschlossener Wirkungskreis

Ruumlckkopplung

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 8 -

Technologien zur Realisierung mechatronischer

Produkte

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

Page 4: Mechatronische Systeme Regelung von Mehrkörpersystemen WS ... · Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 4 -

Mechatronik bezeichnet eine interdisziplinaumlre Entwicklungsmethodik die uumlberwiegend

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben durch die synergetische raumlumliche und

funktionelle Integration von mechanischen elektrischen und informations-

verarbeitenden Teilsystemen loumlst VDIVDE Gesellschaft fuumlr Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachausschuss 415 ldquoMechatronikrdquo 2003

Mechatronics is the synergistic combination of precision mechanical engineering

electronic control and systems thinking in the design of products and manufacturing

processes It covers the integrated design of mechanical parts with an embedded control system and information

processing International Federation of Automatic Control (IFAC) - Technical Committee on Mechatronic Systems

11 Definitionen bdquoMechatronikldquo

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 5 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

genauer

schneller

sanfter

einfuumlhlsamer

intelligenter

uumlberall

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

12 Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 6 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

Mechatronische Produkte

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 7 -

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Generisches Mechatronisches System

--Funktionsorientiertes Modell--

Funktionen

Wirkgroumlszligen

Beschreibungs-

elemente

Geschlossener Wirkungskreis

Ruumlckkopplung

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 8 -

Technologien zur Realisierung mechatronischer

Produkte

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

13 Mechatronische Systeme

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 5 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

genauer

schneller

sanfter

einfuumlhlsamer

intelligenter

uumlberall

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

12 Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 6 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

Mechatronische Produkte

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 7 -

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Generisches Mechatronisches System

--Funktionsorientiertes Modell--

Funktionen

Wirkgroumlszligen

Beschreibungs-

elemente

Geschlossener Wirkungskreis

Ruumlckkopplung

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 8 -

Technologien zur Realisierung mechatronischer

Produkte

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

13 Mechatronische Systeme

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 6 -

Mechatronisches

Produkt

mechanisch ausgerichtete Produktaufgaben

bdquozielgerichtete Bewegungen von

massebehafteten Koumlrpernldquo

Mechatronische Produkte

Wunsch

bdquoHilf mir folgende Aufgabe zu loumlsen

(Beduumlrfnis zu befriedigen) ldquo

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 7 -

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Generisches Mechatronisches System

--Funktionsorientiertes Modell--

Funktionen

Wirkgroumlszligen

Beschreibungs-

elemente

Geschlossener Wirkungskreis

Ruumlckkopplung

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 8 -

Technologien zur Realisierung mechatronischer

Produkte

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 7 -

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Generisches Mechatronisches System

--Funktionsorientiertes Modell--

Funktionen

Wirkgroumlszligen

Beschreibungs-

elemente

Geschlossener Wirkungskreis

Ruumlckkopplung

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 8 -

Technologien zur Realisierung mechatronischer

Produkte

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 8 -

Technologien zur Realisierung mechatronischer

Produkte

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

13 Mechatronische Systeme

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 9 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

Page 10: Mechatronische Systeme Regelung von Mehrkörpersystemen WS ... · Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 10 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

Page 11: Mechatronische Systeme Regelung von Mehrkörpersystemen WS ... · Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -

14 Produktbeispiele

Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 13 -

14 Produktbeispiele

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 14 -

14 Produktbeispiele

Design Goal 1 Terra-bit per square inch = 500000 tracks-per-inch (TPI) =

= track positioning accuracy less than 5nm (3-sigma value)

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

DUAL-STAGE SERVO SYSTEMS

The mechanical components of the servo system in a HDD include the voice coil

motor (VCM) the Eblockthe suspension and the slider as shown in Fig 1(a)

The two main tasks of a disk drive servo system are to move the head to the desired

track as quickly as possible and once on-track position the head on the center of the

track as precisely as possible so that data can be readwritten quickly and reliably The

first task is commonly referred to as track seeking while the second is commonly

referred to as track following

PES The deviation between the center of the readwrite head and the center of the

track is in turn referred to as the head position error

The implementation of track-following servo systems relies on measuring the head

position error signal (PES) The PES is generally obtained from information that is

encoded on the magnetic disk in angular servo sectors that radiate out from the center

of the disk

Since the servo sectors are located at discrete locations the PES is a sampled digital

signal and the disk drive control system is a digital control system

The sampling frequency is determined by the disk rotation speed and the number of

servo sectors on a track For example a 7200-RPM disk drive with 180 servo sectors

has a PES sampling frequency of 216 kHz Given the disk rotation speed higher PES

sampling frequency requires more servo sectors and reduces storage efficiency

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 15 -

PZT-ACTUATED SUSPENSIONS

In this approach the suspension is re-designed to accommodate an active

component typically a piezoelectric material such as PZT This piezoelectric

material stretches or flexes the suspension to position the slider and

magnetic head Piezoelectric actuators normally produce large actuation

forces but small actuation strokes Therefore in the ldquoactuated-suspension rdquo

configuration piezoelectric actuation is usually complemented by a leverage

mechanism that converts small actuator displacements into sufficiently large

head displacements as shown in Fig 3

An advantage of this approach is that the secondarystage actuation can be

implemented in a relatively simple manner by modifying the suspension

design without requiring significant changes in the suspension fabrication

process Moreover this dual-stage servo configuration is effective in

attaining low frequency runout attenuation in the servo loop The major

drawback of this approach is that the suspension design modifications that

are necessary to implement the leverage mechanisms that convert small

piezoactuator displacements into sufficiently large head displacements

weaken some of the suspension offtrack resonance modes such as the first

sway and torsional modes These modes limit the attainable trackfollowing

servo bandwidth and are in turn excited by airflow

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 16 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

ACTUATED SLIDER

In this approach a microactuator is placed between the slider and the

gimbal to create either a translational or rotational in-plane rigid body

motion of the slider relative to the suspension tip which acts as a fine-

positioning mechanism for the readwrite head as shown in Fig 5

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 17 -

14 Produktbeispiele

Computer Hard Disk Drives Ref [RHorowitz 2004]

SUPPRESSION OF AIR FLOW INDUCED VIBRATIONS

Airflow generated by the spinning disk is necessary to sustain the slider air-bearing

which in turn maintains a proper head flying height above the disk However it also

induces structural vibrations in the suspension and armrsquos E-block As the the servo

systemrsquos TMR requirements approach the range of 5-10 nanometers these airflow

induced vibrations become a more significant source of the TMR budget which must

be attenuated

Fig 10 shows the power spectral densities (PSD) of the head offtrack motion (upper

half) and the PZT sensor output (lower half) when the spindle is rotating in a 7200-

RPM disk drive for the system described in Section 211 As shown in the figure the

major off-track modes excited by air flow turbulence generated by disk rotation

include the butterfly mode (M1) the suspension sway mode (M2) as well as the 1st

and 2nd torsion modes (M4 and M3)

Fig 11(b) shows the measured and simulated frequency responses from the VCM

input u1 to PZT sensor output y2 and from the PZT actuator input u2

to PZT sensor output y2 The solid lines are experimentally measured responses

while the dashed lines are simulated responses using an identified model

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

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c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 18 -

14 Produktbeispiele

Mechatronische Produkte

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 19 -

15 Entwurfsbeispiel

Steuer-

rechner

Wellenfrontsensor

Strahl-

teiler

Teleskop-

kamera

gestoumlrte

Lichtwelle

korrigierte

LichtwelleWellenfront-

Regelkreis

lokale

Spiegel-

regelkreise

bewegliche

Spiegel

Adaptive Optik

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 20 -

15 Entwurfsbeispiel

extF

x

k

Spiegel

A

y

Spiegel-

Lageregler

Positions-

sensorSx

u

w

Sollwert von

Wellenfrontregler

m

Positionsgeregelter

Aktuator

b

G

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 21 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu

MATLAB Demo71Demo71

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

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c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

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[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

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Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

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ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 22 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo70Demo70

xSOLL

Loumlsung 1 integrierter Piezoaktuator

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

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Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

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20

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Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

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( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

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Bewegungen

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messe

Bewegungs-

groumlszligen

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Kraumlfte

Momente

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Hilfsenergie

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Stell-

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Mess-

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Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

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Koumlrper4K

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G

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I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

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Momente

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Stell-

information

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Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

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Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

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( )W WemF x u i

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Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

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B

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

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k

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Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

extF x

W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 23 -

15 Entwurfsbeispiel

xltu u

Aktuator

+ -

Positions-

regler

Positions-sensor

xpiezo

zB

Integrierter Piezoaktuator

MATLAB Demo71Demo71

+ -

Positions-

regler

Positions-

sensor

xSOLL

Loumlsung 2 integrierter Piezoaktuator mit externer Positionsregelung (Lageregelung)

Produktaufgabe - Systemanforderungen

Der Spiegel soll folgende Bewegungsprofile bei kleinem Bauvolumen mit hoher Genauigkeit

ausfuumlhren

- maximaler Hub 2mm

- stationaumlr genau bei Sprunganregung

- Bandbreite 2 Hz

Adaptive Optik ndash Lokaler Spiegelregelkreis

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

r rd

c m c

Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

x

F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

extF

Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

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Qi

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k

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Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

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MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

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Informationen

Stell-

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Stell-

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mechanische

Groumlszligen

mechan

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groumlszligen

mechan

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groumlszligen

Mess-

information

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Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

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Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

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g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

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Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

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Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 24 -

15 Entwurfsbeispiel

m x r x c x c u F

Mechanisches Ersatzmodell

1-Masse-Feder-System

Bewegungsgleichung

Uumlbertragungsfunktion 22

0 2

0 0

0

00

1 1

1 1 2

mechanische Resonanzfrequenz

1

2 2

( )( )

( )

X sG s

r m s sU s s s dc c

c

m

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Dynamisches Modell

Ventilkolben + idealer Piezo-

Wegaktuator

G(s)

1c

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F

upiezox 1

u

x

m Fc

r

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

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Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

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Z( )t

0( )r t

0( )t 01

r

1r

I

10

2

G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

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k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

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k

Anker

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m

Q Qu i

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W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

Page 25: Mechatronische Systeme Regelung von Mehrkörpersystemen WS ... · Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 25 -

15 Entwurfsbeispiel

Uumlbertragungsverhalten

Experimente 1 Offene Steuerung Sinusfoumlrmige Wegvorgabe

2 Offene Steuerung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

3 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft

4 Regelung Sprungfoumlrmige Wegvorgabe + Stoumlrkraft + reales

Messsystem

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

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Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

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G

A

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Z( )t

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I

10

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G

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

uD ES T

q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

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Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Q Qu i

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W Wi u

Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

1b

1SF

1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

ruumlckmeldungen

Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

parpar m

g m 0

iparpar

Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 26 -

2 Elemente der

Modellbildung

Grundlegende Ingenieurkenntnisse

3 Simulationstechnische

Aspekte

Funktionsrealisierung

5 Mechatronischer

Elementarwandler

6 Elektro-

statische

Wandler

7 Piezo-

elektrische

Wandler

8 Elektro-

magnetische

Wandler

9 Digitale

Informations-

verarbeitung

10 Regelungstechnische

Aspekte

11 Stochastische

Verhaltensanalyse12 Systembudgets

Funktionsrealisierung

Funktionsrealisierung

4 Mehrkoumlrperdynamik

1 Einleitung

MobSim MobSim

MobSim

LV MechSys + RegMKS

LV MechSys

Mechatronic Systems DesignMethods Models ConceptsJanschek Klaus 2012 805 p 380 illusHardcover eBooks myCopySpringer

Systementwurf mechatronischer SystemeMethoden - Modelle - Konzepte Janschek Klaus 2010 842 S 387 Abb Geb Springer

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

mechanische

Groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Magnitude (

dB

)

Bode Diagram

Frequency (radsec)

kk mm

bbkk mm

imm

( )MKSP j

log

[dB]

Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Mehrkoumlrper-

dynamik

5K

starrer

Koumlrper4K

3K

2K

1K

0K

G

A

ED

SR

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0( )t 01

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I

10

2

G

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Bewegungen

messe

Bewegungs-

groumlszligen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

Stell-

information

Kraumlfte

Momente

Mess-

informationBewegungs-

groumlszligen

Aktuator

Sensor

Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

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q

F

q

Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

Elektromagnetische (EM) Wandler

extF

( )W WemF x u i

( )L x

kQuelle Magnet ndash Schultz

Quelle FhG-IPMS

Quelle PI ndash Physikinstrumente

WF( )C x

Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

l

edF

B

i

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

Anker

Fwk w

m

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull verlustlos

bull U-Quelle I-Quelle

bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

Wu

Qu

Qi

W Wi q

Anker

Staumlnder

W

extF

k

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m

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Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

0SF

AF

AF

AuA

( )H s

1k

1m

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MKS

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01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

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Bewegungen

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Stell-

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Groumlszligen

mechan

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Betriebs-

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Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

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Momente

Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -

erzeuge

Bewegungen

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mechanische

Groumlszligen

erzeuge

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Momente

SystementwurfSystementwurf

Mechatronische Systeme - Systementwurf

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

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-80

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Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

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Hilfsenergie

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Bewegungen

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Momente

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Aktuator

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Elektrostatische (ES) Wandler

Piezoelektrische (PZ) Wandler

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Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren

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( )W WemF x u i

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Quelle FhG-IPMS

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Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

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B

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Mechatronischer Elementarwandler

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bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

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Mechatronischer Elementarwandler

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bull konzentrierte Parameter

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bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

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Momente

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erzeuge

Hilfsenergie

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Hilfsenergie

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Hilfsenergie

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Hilfsenergie

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Hilfsenergie

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Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

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groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

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Verhaltens-

modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -

10-1

100

101

102

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-80

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dB

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Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -

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Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

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Mechatronischer Elementarwandler

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bull konzentrierte Parameter

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bull technologieneutral

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

x( )

W W WF x u i

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Mechatronischer Elementarwandler

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bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

0m

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Hilfsenergie

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

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modelle

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Elektrodynamische (ED) Wandler

Quelle Micro- mega Dynamics

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

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Systemmodell

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bull konzentrierte Parameter

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bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

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freiheitsgrade

Budgetierung

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

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Mechatronischer Elementarwandler

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Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

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Regelung

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1k

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1y

z

0y

MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

erzeuge

Kraumlfte

Momente

verarbeite

Informationen

Stell-

information

Stell-

information

messe

mechanische

Groumlszligen

mechan

Zustands-

groumlszligen

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Mess-

information

Mess-

information

Betriebs-

wuumlnsche

Betriebs-

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Betriebs-

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Kraumlfte

Momente

Kraumlfte

Momente

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

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Hilfsenergie

erzeuge

Hilfsenergie

Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek

Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -

Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung

Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

Entwurf-

freiheitsgrade

Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

argmin

par

ipar J

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Entwurfs-

optimierung

erzeuge

Bewegungen

verarbeite

Informationen

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Informationen

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modelle

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -

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Wu

Qu

Qi

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Anker

Staumlnder

W

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Anker

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Beschalteter

Mechatronischer

Elementar-

wandler

Elektrisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Mechatronischer Elementarwandler

Systemmodell

bull konzentrierte Parameter

bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt

bull U-Quelle I-Quelle

bull verlustlos

bull technologieunabhaumlngig

Verhaltensmodell

bull Kausalstruktur bez Aktuator- Sensorverhalten und elektrmech Klemmen

bull Groszligsignal (Nichtlinear)

bull Kleinsignal (linear)

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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -

Regelung

Ik

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MKS

Acc 0y

01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

erzeuge

Bewegungen

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Momente

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Informationen

Stell-

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mechanische

Groumlszligen

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information

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wuumlnsche

Betriebs-

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Kraumlfte

Momente

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Hilfsenergie

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Hilfsenergie

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Verhaltens-

metrik m

Konfigurations-

parameter

System-

groumlszligen

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Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

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Regelung

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01 0 1q y y

ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo

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Groumlszligen

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Betriebs-

wuumlnsche

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Kraumlfte

Momente

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Verhaltens-

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System-

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Entwurf-

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Budgetierung

Systemanforderungen

Verhaltens-

Kenngroumlszligen

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Kenngroumlszligen

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Entwurfs-

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Bewegungen

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groumlszligen

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Kraumlfte

Momente

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Bewegungen

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