Ausstattung
Das Labor Messtechnik verfügt über modernst ausgestattete Messplätze und Einrichtungen und wird für Vorlesungszwecke, Praktika sowie Forschungsprojekte genutzt.
Allgemeine Ausstattung
- Körperschallmesstechnik
- FAG-Detector Analysesystem
- FAG SmartCheck
- LabVIEW Single-Board RIO
- Rapid Prototyping System
- 32-Bit Mikroprozessoren
- CAN-Bus Analysewerkzeuge
- Digital-Oszilloskope und Funktionsgeneratoren
- Sinamics Antriebssystem
- Linearantriebssystem
- Kreiselpumpenprüfstand
Besondere Versuchsaufbauten
Selbstbalancierendes Elektrofahrzeug OTH-elo 1.0
Als klassisches mechatronisches System enthält das selbstbalancierende Elektrofahrzeug OTH-elo 1.0 einerseits einen mechanischen Grundaufbau, auf dem die Lenkeinrichtung, die Räder mit Antriebseinheiten sowie alle weiteren Komponenten angebracht sind. Des Weiteren wird Elektronik zur Ansteuerung der Elektromotoren, zur Informationsverarbeitung sowie zur Messung verschiedener Signale, wie z.B. die aktuelle Neigung, der Lenkwinkeleinschlag und die Fahrzeuggeschwindigkeit benötigt. Daneben ist für die Bereitstellung der Funktionalität umfangreiche Software erforderlich. Diese beinhaltet einerseits Verfahren zur Auswertung und Überwachung der Messsignale – andererseits müssen während der Fahrt stets Regler im Eingriff sein, um das Fahrzeug zu stabilisieren. So erfolgt die Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit durch den Fahrgast ausschließlich durch Gewichtsverlagerung, wobei die notwendige Gegenkraft, um das Fahrzeug in der senkrechten Position zu halten, von den Elektromotoren bereitgestellt wird.
Das Gefährt verfügt über eine Maximalgeschwindigkeit von ca. 20 km/h. Die Ladekapazität der verwendeten Blei-Vlies Akkus reicht für ca. eine Stunde Fahrbetrieb aus. Hinsichtlich der verbauten Komponenten konnte der gesteckte Kostenrahmen in Höhe von 1.000 € eingehalten werden. Das Elektrofahrzeug kommt als Praxisbeispiel in Regelungstechnik-, Messtechnik und Mechatronikvorlesungen zum Einsatz.
Selbstbalancierendes Elektrofahrzeug OTH-elo 2.0
Im Zuge einer Projektarbeit wurde eine Neukonstruktion des selbstbalancierenden Elektrofahrzeugs OTH-elo 2.0 durchgeführt, die gegenüber der ersten Version einige wesentliche Verbesserungen aufweist. Die wichtigste Neuerung stellt die Verwendung von Radnabenmotoren dar, die als hochpolige bürstenlose Gleichstrommaschinen ausgeführt sind und somit einen getriebelosen Antrieb ermöglichen. Dadurch eröffnen sich interessante konstruktive Möglichkeiten, so dass die Höhe der Fahrerplattform niedriger und das Chassis schmäler realisiert werden konnten. Andererseits erlaubt das Konzept auch den Einsatz von Reifen mit deutlich höherem Durchmesser.
Des Weiteren kommen zwei Motoren zum Einsatz, die mit jeweils 1kW in etwa über die doppelte Leistung im Vergleich zum Vorgängermodell verfügen. Außerdem wurde nun ein Lithium-Polymer-Akku verbaut, der mit einer Ladekapazität von 20Ah einen deutlichen Gewinn an Reichweite ermöglicht.
Um die Stabilität des Aufbaus zu gewährleisten, wurden vor der Realisierung zunächst umfangreiche FEM-Analysen der tragenden Teile durchgeführt. Die praktische Umsetzung des Gefährts durch die Studenten erfolgte in bewährter Zusammenarbeit mit der Zentralwerkstatt der Hochschule.
Modell einer Verladebrücke mit Linearantrieb
Im Labor wurde von Maschinenbaustudenten im Rahmen zweier Projektarbeiten das Modell einer Verladebrücke konstruiert und in Zusammenarbeit mit der Zentralwerkstatt der Hochschule praktisch aufgebaut. Verladebrücken werden beispielsweise an Häfen zum Be- und Entladen von Containerschiffen eingesetzt. Die manuelle Positionierung des Greifers kann hier zur Herausforderung werden, da es sich um ein schwach gedämpftes schwingungsfähiges System handelt, das durch die Bewegung der Laufkatze angeregt wird.
Als horizontale Antriebseinheit kommt ein Linearantrieb zum Einsatz, dessen Primärteil als Laufkatze fungiert. Die zugehörigen Permanentmagnete (Sekundärteile) sind feststehend am Metallrahmen angebracht. Die Hauptschwierigkeit bei der Konstruktion und dem praktischen Aufbau bildete das enge Toleranzband des Luftspalts von +/- 0,3 mm.
Die Automatisierungsstruktur besteht im Wesentlichen aus zwei Mikrocontrollern und einem Umrichter, wobei die Kommunikation mittels CANopen realisiert wurde. Die zentrale Steuerung übernimmt hier ein Mikrocontroller, der als Master innerhalb des Feldbussystems agiert und die Linear- sowie die Hubachse ansteuert. Dagegen ist der zweite Mikrocontroller als Slave realisiert und übernimmt einerseits die Auswertung des zur Messung des Greiferwinkels eingesetzten Beschleunigungs-/Gyrosensors sowie die Motoransteuerung des Hubantriebs.
Dreimassenschwinger zur Frequenzgangmessung
Innerhalb einer Projektarbeit wurde von drei Maschinenbaustudenten ein Dreimassenschwinger konstruiert und in Zusammenarbeit mit der Zentralwerkstatt der Hochschule praktisch aufgebaut. Der Teststand besteht aus zwei Synchronservomotoren und zwei Drehmassen, die über elastische Kupplungen miteinander verbunden sind.
Gespeist werden die Motoren durch ein Sinamics-Umrichtersystem, das im vorliegenden Fall aus einer aktiven Einspeisung, einem Doppelachs-Wechselrichtermodul sowie zwei Sensormodulen zur Resolverauswertung besteht.
In Verbindung mit der Inbetriebnahmesoftware des Umrichters ist es möglich, eine Frequenzgangmessung des mechanischen Systems durchzuführen. Hierfür wird das Drehmoment des antreibenden Motors in Form eines Pseudo-Rausch-Binär-Signals (PRBS) vorgegeben und auf diese Weise ein breiter Frequenzbereich des Systems angeregt. Aus der gemessenen Drehzahl des Motors kann nun mittels schneller Fouriertransformation (FFT) der Frequenzgang des Dreimassenschwingers berechnet werden.
Schwebende Kugel
Ein interessantes mechatronisches Praxisbeispiel bildet der Teststand „Schwebende Kugel“, der innerhalb einer Projektarbeit entwickelt wurde. Die Problemstellung besteht darin, eine metallische Kugel mit Hilfe des Magnetfelds einer darüber positionierten Spule in der Schwebe zu halten. Da es sich hierbei jedoch um ein instabiles System handelt, ist die Aufgabenstellung nicht ganz trivial. Dies liegt daran, dass die magnetische Kraft mit zunehmender Entfernung der Kugel zum Magneten absinkt. Durch einfaches Anlegen eines konstanten Stroms an die Spule ist daher kein stabiler Betriebspunkt zu erreichen.
Zum Aufbau des Demonstrators wurde zunächst eine Zylinderspule mit ca. 1000 Windungen gewickelt, die so ausgelegt ist, dass eine Kugel (Masse 15g) im Abstand von 1cm mit einem Strom von 300mA gehalten werden kann. Um die Spannung und damit den Strom der Spule variabel einstellen zu können, kommt ein Gleichstromsteller zum Einsatz, der sich mittels PWM-Signal von einem Mikrocontroller ansteuern lässt.
Hinsichtlich der Sensorik ist die Messung der Position der Kugel vom Magneten erforderlich, die hier mit Hilfe einer Solarzelle realisiert wird. Zu diesem Zweck wird die Kugel von der einen Seite mit einer LED angestrahlt. Ein vom Abstand der Kugel zum Magneten abhängiger Lichtkegel trifft auf die Solarzelle, die an der gegenüberliegenden Seite angebracht ist. Der sich so einstellende Fotostrom ist ein Maß für die Entfernung der Kugel vom Magneten. Zusätzlich wird der Spulenstrom mittels Shunt-Widerstand erfasst.
Angesichts unterschiedlicher Zeitkonstanten des mechanischen und elektrischen Teilsystems lässt sich das Regelungsproblem am günstigsten durch eine Kaskadenstruktur lösen. Der innere Regelkreis stellt den Spulenstrom ein, der die magnetische Kraft beeinflusst. Der äußere Regelkreis dient zur Stabilisierung der Kugelposition. Beide Regelkreise können getrennt voneinander eingestellt werden.
Das Herzstück der Schaltung bildet ein Mikrocontroller PIC32MX, in dem die Messdatenverarbeitung sowie die Regelkreise gerechnet werden. Für die Programmierung der zugehörigen Software wurde übrigens keine Zeile Code verfasst. Stattdessen wurde über Rapid Control Prototyping ein Modell mittels MATLAB/Simulink erstellt, in C-Code umgewandelt, kompiliert und auf den Mikrocontroller geladen.
Modell einer Solaranlage mit zweiachsiger Nachführung
Ziel war es, das Modell einer Photovoltaikanlage zu entwickeln, das sich stets zum aktuellen Stand der Sonne hin ausrichtet. Hierfür wurde ein kostengünstiger mechanischer Aufbau gewählt, der eine Drehung der Solarpanels sowohl um die vertikale als auch um die horizontale Achse ermöglicht.
Die Anlage besteht aus sechs Solarmodulen (Leistung je 20W; Nennstrom 1,14A) die auf einem Gestell aus Aluminiumprofilen befestigt sind. Zur Nachführung der Panels wurden sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung Schwenkvorrichtungen eingebaut. Dafür kommen in beiden Fällen Schneckengetriebe mit hoher Übersetzung zum Einsatz, die von 12V Gleichstrom-Getriebemotoren angetrieben werden. Auf diese Weise wurde Selbsthemmung erreicht und es konnte auf zusätzliche Bremseinheiten verzichtet werden. Der Aufbau wurde für die Durchführung von Experimenten auf einem fahrbaren Untergestell montiert und von einem Maschinenbau-Studenten als Thema einer Bachelorarbeit in Zusammenarbeit mit der Zentralwerkstatt realisiert.
Des Weiteren wurde von vier Elektrotechnik-Studenten im Rahmen von zwei Projektarbeiten die Schaltung einer Solarladestation entwickelt, die vornehmlich zum Aufladen der 36V Batterien des Segways gedacht war, jedoch auch das Laden einer Vielzahl von Batterietypen mit unterschiedlichen Ladespannungen ermöglicht. Diese Ladestation kann als Inselanlage ohne fremde Spannungsversorgung betrieben werden und ist daher universell einsetzbar. Das Herzstück der Schaltung bildet ein Tiefsetzsteller, der als Aktor zur Stellung der Ladespannung fungiert und auf diese Weise den Ladestrom beeinflusst. Außerdem enthält die Leiterplatte zwei Vierquadrantensteller zur Ansteuerung der Stellantriebe sowie eine kombinierte Beschleunigungs-, Winkelgeschwindigkeits- und Kompassmesseinheit, die zur Bestimmung der Absolutlage der Solarmodule dient.
Die Bedienung, Messdatenverarbeitung und Steuerung/Regelung der Solarladestation sowie der Photovoltaikanlage übernimmt ein Mikrocontroller vom Typ STM32F4. Die zugehörige Steuerungs-Software wurde von drei Elektrotechnik-Studentinnen im Rahmen ihrer Projektarbeit erstellt. Des Weiteren entwickelte ein Elektrotechnik-Student in seiner Bachelorarbeit die Software zur Regelung der Ladeschaltung.