Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 1 -
bull Mechatronische Systeme
bull Regelung von
Mehrkoumlrpersystemen
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WS 1213
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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
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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
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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 - 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
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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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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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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
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
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
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
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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
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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
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0( )r t
0( )t 01
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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 - 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
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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
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 - 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
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
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
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
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 12 -
14 Produktbeispiele
Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
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 - 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
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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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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
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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
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 - 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
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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
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
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -
14 Produktbeispiele
Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
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
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
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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 - 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
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
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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
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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
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G
A
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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
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
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 11 -
14 Produktbeispiele
Opto-Mechatronic Camera Image Stabilization
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
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
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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
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
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
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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
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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 - 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
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
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
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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)
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 - 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
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
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)
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
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
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
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
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
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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 - 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
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
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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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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-
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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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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
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 - 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
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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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14 Produktbeispiele
Mechatronische Produkte
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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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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
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
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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-
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messe
mechanische
Groumlszligen
mechan
Zustands-
groumlszligen
mechan
Zustands-
groumlszligen
Mess-
information
Mess-
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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
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Bewegungs-
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Kraumlfte
Momente
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Bewegungen
verarbeite
Informationen
messe
Bewegungs-
groumlszligen
erzeuge
Kraumlfte
Momente
Verhaltens-
modelle
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
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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)
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
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
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-100
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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
0K
G
A
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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
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
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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
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messe
Bewegungs-
groumlszligen
erzeuge
Kraumlfte
Momente
erzeuge
Hilfsenergie
erzeuge
Hilfsenergie
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Mehrkoumlrper-
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5K
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Koumlrper4K
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G
A
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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
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F
q
Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren
Elektromagnetische (EM) Wandler
extF
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Quelle FhG-IPMS
Quelle PI ndash Physikinstrumente
WF( )C x
Elektrodynamische (ED) Wandler
Quelle Micro- mega Dynamics
l
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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
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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
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Kraumlfte
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Mess-
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Kraumlfte
Momente
Kraumlfte
Momente
erzeuge
Hilfsenergie
erzeuge
Hilfsenergie
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Hilfsenergie
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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
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iparpar
Entwurfs-
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erzeuge
Bewegungen
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messe
Bewegungs-
groumlszligen
erzeuge
Kraumlfte
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erzeuge
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groumlszligen
erzeuge
Kraumlfte
Momente
Verhaltens-
modelle
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
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Positions-
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Positions-
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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
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- 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
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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
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Magnitude (
dB
)
Bode Diagram
Frequency (radsec)
kk mm
bbkk mm
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( )MKSP j
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[dB]
Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik
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Bewegungen
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Hilfsenergie
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Hilfsenergie
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Kraumlfte
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Mehrkoumlrper-
dynamik
5K
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Koumlrper4K
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -
erzeuge
Hilfsenergie
erzeuge
Bewegungen
messe
Bewegungs-
groumlszligen
erzeuge
Kraumlfte
Momente
erzeuge
Hilfsenergie
Stell-
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Kraumlfte
Momente
Mess-
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groumlszligen
Aktuator
Sensor
Elektrostatische (ES) Wandler
Piezoelektrische (PZ) Wandler
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F
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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
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -
x( )
W W WF x u i
Wu
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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
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -
x( )
W W WF x u i
Wu
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Qi
W Wi q
Anker
Staumlnder
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Anker
Fwk w
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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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AF
AF
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( )H s
1k
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ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo
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Bewegungen
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Kraumlfte
Momente
verarbeite
Informationen
Stell-
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Stell-
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mechanische
Groumlszligen
mechan
Zustands-
groumlszligen
mechan
Zustands-
groumlszligen
Mess-
information
Mess-
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Betriebs-
wuumlnsche
Betriebs-
ruumlckmeldungen
Betriebs-
wuumlnsche
Betriebs-
ruumlckmeldungen
Kraumlfte
Momente
Kraumlfte
Momente
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Hilfsenergie
erzeuge
Hilfsenergie
erzeuge
Hilfsenergie
erzeuge
Hilfsenergie
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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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par
ipar J
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Entwurfs-
optimierung
erzeuge
Bewegungen
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Informationen
messe
Bewegungs-
groumlszligen
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Kraumlfte
Momente
erzeuge
Bewegungen
verarbeite
Informationen
messe
Bewegungs-
groumlszligen
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Kraumlfte
Momente
Verhaltens-
modelle
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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
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1 1
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mechanische Resonanzfrequenz
1
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X sG s
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Dynamisches Modell
Ventilkolben + idealer Piezo-
Wegaktuator
G(s)
1c
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upiezox 1
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m Fc
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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
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
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -
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Bode Diagram
Frequency (radsec)
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -
erzeuge
Hilfsenergie
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Bewegungs-
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Funktionsrealisierung ndash Aktuatoren amp Sensoren
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Quelle PI ndash Physikinstrumente
WF( )C x
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -
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Mechatronischer Elementarwandler
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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
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Staumlnder
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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
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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
System-
groumlszligen
Entwurf-
freiheitsgrade
Budgetierung
Systemanforderungen
Verhaltens-
Kenngroumlszligen
argmin
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ipar J
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optimierung
erzeuge
Bewegungen
verarbeite
Informationen
messe
Bewegungs-
groumlszligen
erzeuge
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Momente
erzeuge
Bewegungen
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Informationen
messe
Bewegungs-
groumlszligen
erzeuge
Kraumlfte
Momente
Verhaltens-
modelle
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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
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-40
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Magnitude (
dB
)
Bode Diagram
Frequency (radsec)
kk mm
bbkk mm
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( )MKSP j
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[dB]
Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik
erzeuge
Hilfsenergie
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Hilfsenergie
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Hilfsenergie
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Kraumlfte
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Mehrkoumlrper-
dynamik
5K
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Koumlrper4K
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0( )r t
0( )t 01
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Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -
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Hilfsenergie
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Bewegungen
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Bewegungs-
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Hilfsenergie
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Quelle PI ndash Physikinstrumente
WF( )C x
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Quelle Micro- mega Dynamics
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -
x( )
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Mechatronischer Elementarwandler
Systemmodell
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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
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Mechatronischer
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Elektrisches Teilsystem
Mechanisches Teilsystem
Mechatronischer Elementarwandler
Systemmodell
bull konzentrierte Parameter
bull Starrkoumlrperlast elastisch gefesselt
bull U-Quelle I-Quelle
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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
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Hilfsenergie
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -
Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung
Verhaltens-
metrik m
Konfigurations-
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System-
groumlszligen
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freiheitsgrade
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modelle
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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-
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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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erzeuge
Bewegungen
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Groumlszligen
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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
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Magnitude (
dB
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Bode Diagram
Frequency (radsec)
kk mm
bbkk mm
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[dB]
Funktionsrealisierung ndash Mehrkoumlrperdynamik
erzeuge
Hilfsenergie
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Kraumlfte
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5K
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Koumlrper4K
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groumlszligen
erzeuge
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Momente
erzeuge
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Kraumlfte
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Aktuator
Sensor
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q
F
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extF
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Quelle FhG-IPMS
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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
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W
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bull verlustlos
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -
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W W WF x u i
Wu
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Qi
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W
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W Wi u
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -
Regelung
Ik
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0SF
AF
AF
AuA
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Momente
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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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Hilfsenergie
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -
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groumlszligen
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Momente
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modelle
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 27 -
erzeuge
Bewegungen
verarbeite
Informationen
messe
mechanische
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Kraumlfte
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SystementwurfSystementwurf
Mechatronische Systeme - Systementwurf
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -
erzeuge
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 30 -
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Systemmodell
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 31 -
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -
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Verhaltens-
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 28 -
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -
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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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Qu
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 32 -
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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 29 -
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Elektromagnetische (EM) Wandler
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Quelle PI ndash Physikinstrumente
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Elektrodynamische (ED) Wandler
Quelle Micro- mega Dynamics
l
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Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung
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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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Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -
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Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung
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ldquoMechatronics is much more than control but there is no mechatronics without controlrdquo
erzeuge
Bewegungen
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Kraumlfte
Momente
verarbeite
Informationen
Stell-
information
Stell-
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messe
mechanische
Groumlszligen
mechan
Zustands-
groumlszligen
mechan
Zustands-
groumlszligen
Mess-
information
Mess-
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Betriebs-
wuumlnsche
Betriebs-
ruumlckmeldungen
Betriebs-
wuumlnsche
Betriebs-
ruumlckmeldungen
Kraumlfte
Momente
Kraumlfte
Momente
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
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
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Kraumlfte
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Verhaltens-
modelle
Fakultaumlt Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl Automatisierungstechnik Prof Drtechn Klaus Janschek
Mechatronische Systeme - WS201213 ndash MS01 - Einfuumlhrung - 33 -
Entwurfsbewertung - Entwurfsoptimierung
Verhaltens-
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Konfigurations-
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groumlszligen
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Budgetierung
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