Lehr- und Forschungsprojekt Balancer

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1 Lehr- und Forschungsprojekt Balancer Prof. Dr.-Ing. Tobias Flämig-Vetter Tel:

2 Ziel ist die Verbindung von Lehrinhalten mit Forschungsthemen Aufbau, Erprobung von einachsigen elektronisch balancierenden Demonstratoren mit dem Ziel die Lehre anschaulicher zu gestalten: Ausbau von Lehrversuchen zur Regelungstechnik am Bsp. instabiler Systeme Modellbildung, Simulation in MATLAB/Simulink Generierung von Echtzeit-Regelungen aus ML/SL (RealTimeWorkshop) Adaptive Regler und Beobachter (Kalman-Filter) Beispiel zur digitalen Sensor-Signal-Verarbeitung (IIR- und FIR-Filterung) CAD-Konstruktion von Chassis und Antriebskomponenten Antriebsauslegung Motor (Switched Reluctance Motor, DC-/BLDC-Motor) Getriebe Leistungs-/Ansteuer-Elektronik Forschungsinhalte: Erarbeitung, Validierung und Vergleich von kostengünstiger Sensorlösungen zur Lagedetektion, u.a mit 3D-Beschleunigungs-Sensoren, Zuverlässige und kostenoptimale Messung des Motorstroms, der Drehwinkelsignale u.a. mit Hallsensoren Qualifikation von Beschleunigungssensoren auf dem hauseigenen Shaker-Prüfstand Implementierung und Erprobung von Echtzeit Regelungsverfahren auf verschiedenen µcontroller- Plattformen vom 8-Bit (PIC18) bis zum 32-Bit (ARM Cortex M4) Optimierung des Kosten/Nutzen Verhältnis für den Regler-Entwurf

3 Aufbauprinzip und CAD-Modell des Balancer Lage-Sensor Fahrtrichtung

4 Wichtige Komponenten einer Balancer-Regelung 1.) Lage-Sensor mit 3D-gSensor BMA020 2.) Antrieb mit Schrittmotoren incl. Ansteuerungs-ICs 3.) Regler-Software auf Mikrocontroller a.) optimierter C-Code auf einem 8-Bit RISC-Controller (Microchip) b.) Rapid-Prototyping-Software mit MATLAB/Simulink/RTW auf Raspberry Pi B 3D-Lagesensor Raspberry Pi PIC 8-Bit µc LCD Anzeige I²C-Bus Motor Motor Motoransteuerung Batterie 12V

5 Welcher Prozessor wurde für die Regelung (Software) verwendet PIC 18F97F60 - kostengünstige Variante als Serienlösung Raspberry PI Type B Leistungsstarker Prozessor für die Funktionsentwicklung in Kombination mit MATLAB/SIMULINK (Software-Rapid/Prototyping) Erweiterungsmöglichkeiten: z.b. Raspberry PI Cam

6 Bisherige Realisierung des Balancer-Modell u.a. durch verschiedene Studienarbeiten der Mechatronik 3D-gSensor Modul mit BMA020 Software für Positionssteuerung und zur Schwerpunkt-Lage-Regelung 8Bit-Mikrocontroller oder Raspberry PI B Software mit Rausch-Filter und einer Winkel-Lage-Bestimmung Antrieb 2x Schrittmotoren incl. Endstufen und I²C CAD und Herstellung des Chassis im 3D-Druck Verfahren

7 Einsatz von Softwaretools zur Auslegung von Regler-Parametern u.a. durch Simulation und modellbasierter Funktionsentwicklung Physikalisch basierter Modellansatz Ergebnisse aus MALTAB/Simulink

8 Geplante Erweitertung des Balancers 1.) optische Sensoren (Funktion Line Follower ) 2.) Ultraschall- Abstandssensoren 3.) Raspberry Pi mit Kameramodul 3D-Lagesensor Kameramodul Raspberry Pi PIC 8-Bit µc LCD Anzeige I²C-Bus Erweiterungen: z.b. optischer Sucher Ultraschall- Abstandssensorik Motor Motor Motoransteuerung Batterie 12V Es werden bürstenlose Motoren eingesetzt, da Bürstenmotoren mit dem Kommutator ein erhöhtes EMV-Störpotential zeigen. Der Einsatz von Schrittmotoren in Kombination mit einem Controller realisiert eine präzise Steuerung von Geschwindigkeit und zurückgelegter Strecke für jedes einzelne Rad

9 Infrastruktur der Labore AlphaCam 3D-Drucker für freie Formen aus ABS Material bis zu Größen 200 x 200 x 300 mm³ RMS Schwingungsprüfstand für Prüflinge bis zu 3kg und 4g 2 Antriebsprüfstande bis 1kW Aktuelle Software für die Konstruktion, Simulation, Steuerungen u.a. CATIA V5, Eagle V8, MATLAB/Simulink Stateflow mit Toolboxen und RealTimeWorkshop, Labview (NI), CANalyser (Vector), INCA (ETAS),