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Einsatz piezoelektrischer Antriebe in haptischen Displays

Wolf, Nicolai (2009):
Einsatz piezoelektrischer Antriebe in haptischen Displays.
Technische Universität Darmstadt, [Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Studienarbeit wird die Eignung eines piezoelektrischen Antriebs für haptische Displays untersucht. Diese Antriebe weisen im Vergleich zu DC-Motoren vielversprechende Eigenschaften wie höhere Leistungsdichte und geringere Geschwindigkeit auf und können zu Miniaturisierung und Verringerung der Masse dieser Displays führen.

Die Aufgabe besteht darin, ein kraftgeregeltes haptisches Diplay in einem translatorischen Freiheitsgrad zu realisieren, welches Kräfte über 5N und Geschwindigkeiten über 100 mm/s darstellen kann. Der Bewegungsraum soll dabei mehr als 30mm betragen. Es wird ein Shinsei USR30 Ultraschallmotor eingesetzt, welcher die gestellten Anforderungen erfüllen kann und ein Gewicht von nur 20 g aufweist. Er wird per Pulsweitenmodulation angesteuert. Das Display enthält außerdem mit dem ATI Nano17 einen hochauflösenden Kraftsensor, mit dem eine Auflösung von unter 0,01N erreicht wird. Dieser befindet sich auf einem, an der Motorwelle angebrachten Hebel, der der Wandlung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung dient. Der Sensor wird zur Rückkopplung der Kraft im Regelkreis verwendet.

Bei der gewählten Regelstrategie handelt es sich um eine Admittanzregelung: Der Ultraschallmotor ist selbsthemmend, es kann daher keine Bewegungseingabe, sondern nur eine Krafteingabe des Nutzers erfolgen. Als Ausgabe erfolgt eine Bewegung des Motors. Es wird dabei ein PID-Regler verwendet, dessen Parameter manuell eingestellt werden. Möglich ist – neben der Darstellung einer konstanten Kraft – die Simulation eines Feder-Masse-Dämpfer-Systems. Die dazu nötige Positionsmessung erfolgt über einen Inkrementalgeber. Geschwindigkeit und Beschleunigung werden durch Differenzieren gewonnen.

Die Regelung des Displays erfolgt mit LabView, welches auf einem CRIO-Echtzeitsystem läuft. In ersten Versuchen verhält sich das System instabil, es ist nur eine Regelung mit einem P-Anteil, mit bleibender Regelabweichung möglich. Daher wird das Übertragungsverhalten des Motors linearisiert. Dies wird durch Einschränken der angelegten Pulsweite erreicht. Als Folge kann bei geringen Geschwindigkeiten ein zusätzlicher I-Anteil verwendet werden, der eine stationär genaue Regelung ermöglicht. Eine hohe Dynamik ist aufgrund einer Totzeit der Motorelektronik nicht möglich.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 2009
Creators: Wolf, Nicolai
Title: Einsatz piezoelektrischer Antriebe in haptischen Displays
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Studienarbeit wird die Eignung eines piezoelektrischen Antriebs für haptische Displays untersucht. Diese Antriebe weisen im Vergleich zu DC-Motoren vielversprechende Eigenschaften wie höhere Leistungsdichte und geringere Geschwindigkeit auf und können zu Miniaturisierung und Verringerung der Masse dieser Displays führen.

Die Aufgabe besteht darin, ein kraftgeregeltes haptisches Diplay in einem translatorischen Freiheitsgrad zu realisieren, welches Kräfte über 5N und Geschwindigkeiten über 100 mm/s darstellen kann. Der Bewegungsraum soll dabei mehr als 30mm betragen. Es wird ein Shinsei USR30 Ultraschallmotor eingesetzt, welcher die gestellten Anforderungen erfüllen kann und ein Gewicht von nur 20 g aufweist. Er wird per Pulsweitenmodulation angesteuert. Das Display enthält außerdem mit dem ATI Nano17 einen hochauflösenden Kraftsensor, mit dem eine Auflösung von unter 0,01N erreicht wird. Dieser befindet sich auf einem, an der Motorwelle angebrachten Hebel, der der Wandlung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung dient. Der Sensor wird zur Rückkopplung der Kraft im Regelkreis verwendet.

Bei der gewählten Regelstrategie handelt es sich um eine Admittanzregelung: Der Ultraschallmotor ist selbsthemmend, es kann daher keine Bewegungseingabe, sondern nur eine Krafteingabe des Nutzers erfolgen. Als Ausgabe erfolgt eine Bewegung des Motors. Es wird dabei ein PID-Regler verwendet, dessen Parameter manuell eingestellt werden. Möglich ist – neben der Darstellung einer konstanten Kraft – die Simulation eines Feder-Masse-Dämpfer-Systems. Die dazu nötige Positionsmessung erfolgt über einen Inkrementalgeber. Geschwindigkeit und Beschleunigung werden durch Differenzieren gewonnen.

Die Regelung des Displays erfolgt mit LabView, welches auf einem CRIO-Echtzeitsystem läuft. In ersten Versuchen verhält sich das System instabil, es ist nur eine Regelung mit einem P-Anteil, mit bleibender Regelabweichung möglich. Daher wird das Übertragungsverhalten des Motors linearisiert. Dies wird durch Einschränken der angelegten Pulsweite erreicht. Als Folge kann bei geringen Geschwindigkeiten ein zusätzlicher I-Anteil verwendet werden, der eine stationär genaue Regelung ermöglicht. Eine hohe Dynamik ist aufgrund einer Totzeit der Motorelektronik nicht möglich.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Admittanzregelung, Haptisches Display, Piezoantrieb, Ultraschallmotor
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 05 Sep 2011 14:00
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1695

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 22-09-2008

Ende Datum: 10-03-2009

Querverweis: 17/24 EMKS 1667, 17/24 EMKDIS58

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKS 1695
Referees: Kassner, Dipl.-Ing. Sebastian and Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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