Akrobatische Höchstleistung

Am Anfang einer völlig neuen Entwicklung steht oft der Spieltrieb. In die Technik übertragen bedeutet das: Nicht jedes machbare Projekt lässt sich direkt sinnvoll einsetzen, es schafft aber Grundlagenwissen für spätere Anwendungen. Ein Beispiel hierfür ist das in einer Bachelorarbeit entstandene Kugelfahrzeug, das sich autonom auf einer beweglichen Hohlkugel ausbalanciert. Das Projekt zeigt die Möglichkeiten der modernen Mechatronik auf und verbindet Sensorik, schnelle Datenverarbeitung und Aktorik zu einer funktio­nierenden Einheit. Hochdynamische elektronisch kommutierte Kleinantriebe zeigen auch in diesem Fall ihr Potential als Schnittstelle zwischen Elektronik und Mechanik.

Sogenannte Projektstudien eröffnen Ausblicke in die Zukunft und begeistern Menschen. Dies gilt gerade im Bereich der Mechatronik; sie verbindet ja drei sehr dynamisch wachsende Gebiete, die mit immer mehr Neuheiten aufwarten können. Die GIGATRONIK Stuttgart GmbH, ein mittelständisches Unternehmen mit Schwerpunkt Automobilelektronik und Informationstechnologie, hat aus diesem Grund einen Mechatronikdemonstrator als Bachelorarbeit unterstützt. Dieser dient zu Demonstrationszwecken an Messen und Recruiting-Tagen. Komplexe Lageregelung in Verbindung mit schneller mechanischer Umsetzung der nötigen Befehle ist eine Herausforderung sowohl an die Entwickler als auch an die eingesetzten Komponenten.

Schnelle Reflexe nötig

Wie der Mensch auf zwei Beinen nimmt auch ein Kugelfahrzeug eine labile „Haltung“ ein. Es bedarf dauernder aktiver Nachregelung, um eine Position im Raum beizubehalten. Der Vorgang muss dabei sehr schnell, sozusagen reflexartig ablaufen, denn je schneller die Reaktion, umso geringer sind die nötigen Korrekturen und umso besser ist die Stabilität des Geräts. Im vorliegenden Fall balanciert ein mit Elektronik, Elektromotoren und Akku versehenes Fahrzeug auf einer Kugel. Die Maße des Fahrzeugs betragen etwa 30 cm x 30 cm x 15 cm bei rund 2,5 kg Eigengewicht. Schwerpunktverschiebungen des Fahrzeugs lassen die Kugel auf dem Untergrund leicht wegrollen. Wie ein Artist muss nun das Fahrzeug solche Kugelbewegungen durch entsprechende Gegenbewegungen ausgleichen. Dazu misst ein hochintegrierter Inertialsensor auf der Elektronikplatine des Prototypensteuergeräts GIGABOX gate Beschleunigung, Drehraten und die Stärke des Erdmagnetfeldes.
Die eigentliche Regelung wird mit Simulink modelliert, über ein Simulink-Target mittels Autocodegenerierung in C-Code überführt und auf dem Steuergerät als ein Echtzeittask integriert. Die Software berechnet aus den Messwerten den tatsächlichen Zustand des Gesamtsystems. Das System wird dazu als dreidimensionales, inverses Pendel betrachtet. Nick- und Wankwinkel ermittelt ein Lagebeobachter. Zwei PD-Regler geben die nötigen Impulse für den stabilisierenden Antrieb aus. Diese Impulse wandeln dann drei im Kreis um je 120° versetzte omnidirektionale Antriebsräder in mechanische Bewegung relativ zur Kugeloberfläche um.

Hochdynamisch und exakt

Für den Antrieb der Räder kommen nur sehr kompakte Motoreinheiten in Frage. Die geforderte Dynamik schränkt die Auswahlmöglichkeiten auf elektronisch kommutierte Motoren ein. Als optimal haben sich 20 mm durchmessende bürstenlose DC-Servomotoren mit integriertem Encoder erwiesen. Ein durchmesserkonformes Getriebe mit einer Untersetzung von 14 : 1 ergänzt das Antriebspaket. Damit kann der kleine 20-Watt-Antrieb kurzzeitig bis zu 0,7 Nm für die Lagekontrolle zu Verfügung stellen. Eine Zahnriemenuntersetzung erhöht das Drehmoment an den Rädern weiter. Die hohen Wirkungsgrade von Motor (70%) und Getriebe (80%) erlauben den Einsatz kleinerer Akkus. Die geringere Masse wiederum verbessert die schnelle Reaktion des Fahrzeugs auf Lagebefehle. Die drei Antriebseinheiten sind dauernd und unabhängig voneinander im Einsatz, um die Steuerbefehle in mechanischen Vortrieb umzusetzen.
Ein weiterer Vorteil für schnelle, dynamische Korrekturen ist die Eigenschaft von Kleinmotoren allgemein und besonders der elektronisch kommutierten Varianten, kurzzeitig erhebliche Überlast zu vertragen. Durch das geringe Volumen ist die Wärme abstrahlende Oberfläche vergleichsweise hoch, die Wärmekapazität der Materialien bietet einen weiteren Abwärmepuffer. In Verbindung mit dem hohen Wirkungsgrad, also vergleichsweise geringer Verlustleistung, ist so eine erheblich über der Nennleistung liegende Energieabgabe möglich. Diese Leistungscharakteristik in Verbindung mit den geringen bewegten Massen prädestiniert kleine EC-Antriebe für hochdynamische Aufgaben vor allem in Fällen, bei denen es auf geringen Bauraum und/oder sehr geringe träge Massen, z.B. an der Spitze von Auslegern, Roboterarmen, ankommt.
Selbst vordergründig eher spielerische Aufgaben können zur Lösung von Problemen beitragen. Kleine Prototypen, die in Echtzeit komplexe Aufgaben lösen wie hier das aktive Ausbalancieren auf einer Kugel, sind kostengünstige Forschungsobjekte. Kleinantriebe mit Zusatzmodulen wie Encoder, Getriebe oder auch integrierten Controllern erlauben dabei einerseits eine preiswerte Umsetzung für Experimente, andererseits sind sie ebenso geeignet, auch in professionellen Anwendungen ihren Dienst zu verrichten. Die große Kombinationsvielfalt in Verbindung mit Einzelfallanpassung ermöglicht eine Lösung nach Maß für jede Antriebsaufgabe.

Ein EC-Motor mit Encoder und Getriebe bildet das Herz der Antriebseinheit