Taschenbuch der Mechatronik

Vorwort

Vorwort zur 2., verbesserten Auflage

Inhaltsverzeichnis

1 Mathematik

1.1 Komplexe Zahlen

1.1.1 Definition komplexer Zahlen

1.1.2 Darstellungsformen

1.1.2.1 Komplexe Zahlenebene

1.1.2.2 Polarformen

1.1.3 Rechenoperation mit komplexen Zahlen

1.1.3.1 Addition und Subtraktion

1.1.3.2 Multiplikation

1.1.3.3 Division

1.2 Matrizen

1.2.1 Quadratische Matrix

1.2.2 Symmetrische Matrix

1.2.3 Transponierte Matrix

1.2.4 Spaltenvektor

1.2.5 Zeilenvektor

1.2.6 Nullvektor 0

1.2.7 Einheitsmatrix I

1.3 Rechenregeln für Matrizen

1.3.1 Addition von Matrizen

1.3.2 Vektorrechnung

1.3.3 Skalares Produkt

1.3.4 Vektorprodukt

1.3.5 Multiplikation einer Matrix mit einem Skalar

1.3.6 Matrizenmultiplikation

1.3.7 Wichtige Gesetze für Matrizen

1.3.8 Determinante

1.3.9 Inverse Matrix

1.3.10 Darstellung von linearen Gleichungssystemen mithilfe von Matrizen

1.3.11 Eigenwerte und Eigenvektoren

1.4 Numerische Integration

1.4.1 Simpson’sche Formel

1.4.2 Summierende Simpson’sche Formel

1.5 Laplace-Transformation

1.5.1 Linearitätssatz

1.5.2 Verschiebungssatz

1.5.3 Dämpfungssatz

1.5.4 Integrationssatz

1.5.5 Differenziationssatz

1.5.6 Faltungssatz

1.5.7 Inverse Laplace-Transformation (Rücktransformation in den Zeitbereich)

1.6 Fourier-Transformation

1.7 Fourier-Reihen

2 Regelungstechnik

2.1 Regelsysteme

2.1.1 Gegenkopplung, ein universelles Prinzip

2.1.2 Struktur einer Regelung

2.1.3 Anforderungen an eine Regelung

2.2 Regelstrecke

2.2.1 Modellbildung

2.2.1.1 Experimentelle Modellbildung

2.2.1.2 Theoretische Modellbildung

2.2.2 Klassifikation des Übertragungsverhaltens

2.2.3 Linearisierung um den Arbeitspunkt

2.2.4 Darstellung von LZI-Systemen

2.2.4.1 Differenzialgleichung

2.2.4.2 Übertragungsfunktion

2.2.4.3 Zustandsraumdarstellung

2.2.4.4 Umformung des Wirkungsplans

2.3 Analyse der Regelstrecke

2.3.1 Dynamisches Grundverhalten

2.3.1.1 Beschreibung des Zeitverhaltens

2.3.1.2 P-T1-Verhalten

2.3.1.3 P-T2-Verhalten

2.3.1.4 P-Tn-Verhalten

2.3.1.5 Kurzkennzeichnungen

2.3.2 Analyse der Übertragungsfunktion

2.3.2.1 Stabilität

2.3.2.2 Anfangs- und Endwert

2.3.2.3 Übergangsverhalten

2.3.2.4 Einfluss der Zählernullstellen

2.3.2.5 Abschätzung des Streckenverhaltens

2.3.3 Analyse im Zustandsraum

2.3.3.1 Eigenwerte

2.3.3.2 Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit

2.4 Regler

2.4.1 P-Regler

2.4.2 PI-Regler

2.4.3 PID-Regler

2.4.4 Schaltregler

2.4.4.1 Zweipunktregler

2.4.4.2 Dreipunktregler

2.5 Entwurf linearer Standardregler

2.5.1 Übertragungsfunktionen des Regelkreises

2.5.2 Wurzelortskurve

2.5.3 Frequenzgangsentwurf

2.5.4 Einstellregeln

2.5.4.1 Einstellung nach Ziegler-Nichols

2.5.4.2 Einstellung nach der Summenzeitkonstante

2.5.4.3 Betragsoptimum und symmetrisches Optimum

2.5.5 Erweiterte Regelkreisstrukturen

2.5.5.1 Führungsfilter

2.5.5.2 Kaskadenregelung

2.6 Digitalregler

2.6.1 Struktur und Elemente des Abtastregelkreises

2.6.2 Quasikontinuierlicher Entwurf

2.7 Entwurf von Zustandsreglern

2.7.1 Struktur und Wirkung eines Zustandsreglers

2.7.2 Entwurf eines allgemeinen Polvorgabereglers

2.7.3 Zustandsbeobachter

Literatur

3 Analogtechnik

3.1 Analoge Schaltungen in der Mechatronik

3.2 Verstärkergrundschaltungen

3.2.1 Prinzip der Verstärkung mit Transistoren

3.2.2 Differenzverstärker

3.3 Operationsverstärker (OPV)

3.3.1 Reale OPV und nichtideale Eigenschaften

3.3.1.1 Frequenzgang

3.3.1.2 Offsetspannung

3.3.1.3 Gleichtaktverstärkung

3.3.1.4 Eingangs- und Ausgangswiderstände

3.3.2 Typische Kennwerte realer OPV

3.4 Grundschaltungen des OPV

3.4.1 Invertierender Verstärker

3.4.2 Nichtinvertierender Verstärker

3.5 Analogrechenschaltungen

3.5.1 Subtrahier- und Summationsverstärker

3.5.2 Instrumentenverstärker

3.5.3 Analoge Multiplizierer und Dividierer

3.5.4 Differenzier- und Integrierglieder

3.5.5 Exponential- und Logarithmierglieder

Literatur

4 Digitaltechnik

4.1 Schalterlogik und binäre Signale

4.1.1 Gesteuerte Schalter und Logikpegel

4.1.2 Logikdefinitionen und -funktionen

4.2 Boole’sche Algebra

4.2.1 Variablendefinition und Verknüpfungen

4.2.2 Postulate der Boole’schen Algebra

4.2.3 Rechenregeln der Boole’schen Algebra

4.2.4 Boole’sche Gleichungen und Logikgatter

4.3 Das Transmissionsgatter

4.4 Kombinatorische Schaltungen

4.4.1 Allgemeines

4.4.2 Optimierung von Schaltfunktionen

4.4.2.1 Minimierung einer AND-OR-Schaltfunktion

4.4.2.2 Realisierung auf Gatterniveau

4.4.2.3 Aktuelle Aspekte

4.4.3 Codierschaltungen (Codierer und Decoder)

4.4.4 Multiplexer und Demultiplexer

4.4.5 Rechenschaltungen

4.4.5.1 Addierer

4.4.5.2 Subtrahierer

4.4.5.3 Komparatoren

4.4.5.4 Multiplizierer und Dividierer

4.4.6 Festwertspeicher

4.5 Flipflops

4.5.1 Allgemeines

4.5.2 Ungetaktete Flipflops

4.5.3 Taktzustandsgesteuertes D-Flipflop

4.5.4 Flankengesteuertes D-Flipflop

4.5.5 Weitere Arten flankengesteuerter Flipflops

4.6 Praktische sequenzielle Schaltungen

4.6.1 Register

4.6.2 Zähler und Teiler

4.6.2.1 Asynchrone Zähler und Teiler

4.6.2.2 Synchrone Zähler

4.6.3 Synchrone sequenzielle Schaltungen als Zustandsmaschinen

4.6.3.1 Moore-Automat

4.6.3.2 Mealy-Automat

4.6.3.3 Methodisches Beispiel

4.7 Realisierungen digitaler Schaltungen

4.7.1 Standard-Logikbausteine

4.7.2 Programmierbare Logikbausteine (PLD)

4.7.3 Anwenderspezifische Schaltkreise

Literatur

5 Leistungselektronik

5.1 Elektronische Ventile

5.1.1 Leistungsdiode

5.1.2 Thyristor

5.1.3 Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO)

5.1.4 Bipolartransistor

5.1.5 MOSFET

5.1.6 Insulated-Gate-Bipolartransistor (IGBT)

5.2 Selbstgeführte Stromrichter

5.2.1 Tiefsetzsteller

5.2.2 Vierquadrantensteller

5.2.2.1 Gleichzeitige Taktung

5.2.2.2 Alternierende Taktung

5.2.3 Selbstgeführte Drehstrombrückenschaltung

5.2.4 Pulsbreitenmodulation (PBM)

5.2.5 Modellbildung von dreiphasigen Stromrichtern

Literatur

6 Modellbildung

6.1 Grundbegriffe

6.2 Modellierungs- und Simulationsprozess

6.2.1 Zyklen

6.2.2 Modellerstellung und -verfeinerung

6.3 Modellansätze

6.4 Modellklassen

6.5 Beschreibungsmittel

6.5.1 Beschreibung im Zeitbereich

6.5.2 Beschreibung im Bildbereich

6.5.3 Grafische Beschreibung

6.6 Modellelemente

6.6.1 Steuerungs- und Regelungstechnik

6.6.2 Mechanik

6.6.3 Elektrotechnik

6.6.4 Mechanische und elektrische Analogien

6.7 Methoden und Werkzeuge der Modellbildung

6.7.1 Analytische Methoden

6.7.1.1 Mechanik

6.7.1.2 Elektrotechnik

6.7.2 Synthetische Methoden

6.7.2.1 Mechanik

6.7.2.2 Elektrotechnik

6.7.2.3 Bondgrafen

6.7.3 Experimentelle Modellbildung

6.7.3.1 Datenerhebung

6.7.3.2 Festlegung der Modellstruktur

6.7.3.3 Parameteridentifikation

6.8 Werkzeuge der Modellbildung

Literatur

7 Mechanische Systeme

7.1 Modelle in der Mechanik

7.2 Kinematik

7.2.1 Einführung

7.2.2 Kinematik des Massenpunktes

7.2.2.1 Darstellung der Bewegung in kartesischen Koordinaten

7.2.2.2 Darstellung der Bewegung eines Massenpunktes in Zylinderkoordinaten

7.2.2.3 Darstellung der Bewegung eines Massenpunktes in Kugelkoordinaten

7.2.3 Kinematik des starren Körpers

7.2.3.1 Notation

7.2.3.2 Translation und Rotation

7.2.3.3 Euler-Winkel

7.2.4 Kinematik des Mehrkörpersystems

7.2.4.1 Klassifikation

7.2.4.2 Holonome Starrkörpersysteme mit kinematischer Baumstruktur

7.2.4.3 Denavit-Hartenberg-Notation

7.3 Kinetik

7.3.1 Einführung

7.3.2 Kinetik des Massenpunktes

7.3.2.1 Impulssatz

7.3.2.2 Drehimpulssatz

7.3.2.3 Arbeitssatz

7.3.2.4 Energiesatz

7.3.3 Kinetik des starren Körpers

7.3.3.1 Schwerpunktsatz

7.3.3.2 Drehimpulssatz

7.3.3.3 Arbeitssatz

7.3.3.4 Energiesatz

7.3.4 Kinetik des Mehrkörpersystems

7.3.4.1 Prinzip von d’Alembert

7.3.4.2 Lagrange’sche Gleichungen 2. Art

7.3.5 Der Lagrange-Formalismus für elektromechanische Systeme

7.4 Schwingungstechnik

7.4.1 Freie gedämpfte Schwingungen

7.4.1.1 Starke Dämpfung, Kriechfall (D.>.1)

7.4.1.2 Mittlere Dämpfung, Aperiodischer Grenzfall (D.=.1)

7.4.1.3 Schwache Dämpfung, Schwingfall (D.<.1)

7.4.2 Erzwungene gedämpfte Schwingungen

7.4.2.1 Klassifizierung der erzwungenen Schwingungen nach dem Ort der Erregung

7.4.2.2 Partikuläre Lösung der Schwingungsdifferenzialgleichung

7.4.2.3 Vergrößerungsfunktionen und Phasenwinkel

Literatur

8 Sensoren

8.1 Allgemeiner Aufbau

8.1.1 Beschreibungen

8.1.1.1 Messgrößen und Maßeinheiten

8.1.1.2 Kenngrößen

8.1.1.3 Statisches Verhalten

8.1.1.4 Dynamisches Verhalten

8.1.2 Anforderungen

8.2 Einteilung von Sensoren

8.3 Direkt umsetzende Sensoren

8.3.1 Aktive Sensoren

8.3.1.1 Piezoelektrischer Effekt

8.3.1.2 Elektrodynamischer Effekt

8.3.1.3 Fotoelektrischer Effekt

8.3.1.4 Seebeck-Effekt

8.3.1.5 Elektrochemischer-Effekt

8.3.2 Passive resistive Sensoren

8.3.2.1 Potenziometrische Sensoren

8.3.2.2 Dehnungsmessstreifen (DMS)

8.3.2.3 Fotowiderstand

8.3.2.4 Widerstandsthermometer

8.3.2.5 Feldplatte

8.3.2.6 Gasdetektor

8.3.3 Passive kapazitive Sensoren

8.3.3.1 Geometrische Effekte

8.3.3.2 Dielektrizitätseffekte

8.3.3.3 Näherungsschalter

8.3.3.4 Feuchtemessung

8.3.4 Passive induktive Sensoren

8.3.4.1 Positionsmessung

8.3.4.2 Näherungsschalter

8.4 Indirekt umsetzende Sensoren

8.4.1 Weg, Strecke

8.4.1.1 Triangulation

8.4.1.2 Ultraschall

8.4.1.3 Magnetostriktion

8.4.1.4 Optisch

8.4.2 Füllstand

8.4.2.1 Radioaktiv

8.4.2.2 Schwinggabelsensor

8.4.3 Geschwindigkeit

8.4.3.1 Impulszählung

8.4.3.2 Korrelation

8.4.4 Druck und Kraft

8.4.4.1 Dehnungsmessstreifen (DMS)

8.4.4.2 Magnetoelastisch

8.4.5 Beschleunigung

8.4.6 Durchfluss

8.4.6.1 Druckdifferenz

8.4.6.2 Hitzdraht

8.4.6.3 Magnetisch-induktiv

8.4.7 Magnetfeld

8.4.7.1 Hall-Sonde

8.4.7.2 Sättigungskernsonde

8.4.8 Temperatur

8.4.9 Konzentration

8.4.9.1 .-Sonde

8.4.9.2 Ionensensitive Feldeffekttransistoren

Literatur

9 Elektrische Aktoren

9.1 Gleichstrommaschine (GM)

9.1.1 Aufbau der Antriebsstruktur

9.1.2 Analyse der Strecke

9.1.3 Berechnung des Ankerstromreglers

9.1.4 Berechnung des Drehzahlreglers

9.2 Feldorientierte Steuerung einer Synchronmaschine (SM)

9.2.1 Beschreibung der Synchronmaschine im rotorfesten Bezugssystem

9.2.2 Berechnung des inneren Drehmoments

9.2.3 Struktur der läuferflussorientierten Regelung

9.2.4 Berechnung der Stromregler

9.3 Hubmagnet

9.4 Schrittmotor

9.4.1 Vollschrittbetrieb

9.4.2 Halbschrittbetrieb

9.4.3 Start-Stopp-Rampe

9.4.4 Stromregelung

9.5 Asynchronmaschine (ASM)

Literatur

10 Hydraulische Aktoren

10.1 Vor- und Nachteile hydraulischer Antriebe

10.2 Zahnradpumpe mit Außenverzahnung

10.3 Flügelzellenpumpe

10.4 Axialkolbenpumpe

10.5 Ventil

10.5.1 Proportionalventil

10.5.2 Servoventil

10.6 Hydraulik-Zylinder und -Motor

10.6.1 Hydraulisches Teilmodell

10.6.2 Vereinfachtes Modell

10.7 Steuerung und Regelung

10.7.1 Istwerterfassung

10.7.2 Steuerung

10.7.3 Regelung

10.8 Auslegen eines hydraulischen Antriebes

Literatur

11 Pneumatische Aktoren

11.1 Erzeugung und Aufbereitung der Druckluft

11.2 Wegeventil

11.3 Zylinder und Greifer

11.3.1 Zylinder mit Kolbenstange

11.3.2 Kolbenstangenlose Zylinder

11.4 Greifer

11.5 Steuerung und Regelung

11.5.1 Analoge Wegerfassung

11.5.2 Digitale Wegerfassung

11.6 Steuerung

11.7 Regelung

11.8 Pneumatisches Handhabungsgerät

11.9 Auslegung eines pneumatischen Antriebs

Literatur

12 Informatik (Computer Science)

12.1 Gegenstand

12.2 Grundlagen der Informationsverarbeitung

12.2.1 Daten, Zeichen, Maschinenwort

12.2.2 Zahlensysteme

12.2.3 Darstellung von Zeichen, Ziffern und Zahlen

12.2.3.1 Darstellung von alphanumerischen Zeichen

12.2.3.2 Darstellung von Ziffern

12.2.3.3 Darstellung von Zahlen

12.3 Programmierung und Softwareentwicklung

12.3.1 Algorithmen und Notationen

12.3.2 Variable, Ausdrücke und Zuweisungen

12.3.3 Zusammengesetzte Datentypen

12.3.4 Zeigervariablen

12.3.5 Datenstrukturen

12.3.6 Programmierung und Softwareentwicklung

12.3.7 Programmiersprachen

12.3.8 Programmierparadigmen

12.3.9 Entwicklungswerkzeuge

12.4 Struktur und Organisation von Rechnern

12.4.1 Von-Neumann-Rechnerkonzept

12.4.2 Komponenten

12.4.3 Schnittstellen

Literatur

13 Mikrorechentechnik

13.1 Aufbau und Organisation von Mikrorechnern

13.2 Arbeitsweise eines Mikrorechners

13.2.1 Befehlssatzarchitektur

13.2.2 Adressierungsarten

13.2.3 Befehlsformat

13.2.4 Komplexität von Befehlssätzen

13.2.5 Optimierungstechniken

13.3 Peripheriebausteine

13.4 Eingebettete Systeme

13.4.1 Universalprozessoren

13.4.2 Mikrocontroller (µC)

13.4.3 Digitale Signalprozessoren (DSP)

13.5 Beispiele für Prozessoren

13.5.1 32-Bit-Mikrocontroller mit Cortex-M3-Kern

13.5.2 8086-kompatible Prozessoren

Literatur

14 Mechatronische Systeme

14.1 Elektronischer Zündstartschalter

14.1.1 Funktionen

14.1.2 Mechanische Komponenten

14.1.3 Hardware-Komponente

14.1.4 Software-Komponente

14.2 Bedienfelder mit CAN-Elektronik

14.3 Einzelvernetzter Schalter „MAXIS“

14.3.1 Mechanischer Aufbau

14.3.2 Schaltsystem

14.3.3 Leiterplatte und Betätiger

14.3.4 Stecker

14.3.5 Elektronik

14.4 Piezo-Inline-Injektor

14.5 Getriebeautomatisierung am Beispiel Durashift EST

14.5.1 Systembeschreibung

14.5.2 Software

14.5.3 Vorteile des mechatronischen Konzepts

14.6 Antiblockiersystem (ABS)

14.7 Antriebsschlupfregelung (ASR)

14.8 Regelung der Fahrdynamik (ESP)

14.9 Kompensation mechanischer Fehler

14.10 Bewegen großer Lasten

Sachwortverzeichnis