www.mikrocontroller.net

Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Fragen Schrittmotor/Servomotor?


Autor: Klaus (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo zusammen,

ich recherchiere jetzt schon seit einem Tag und bin immer noch zu keinem 
vernünftigen Schluss gekommen. Hier mein Problem:

Ich muss für eine Projektarbeit im Studium (Maschinenbau, eigentlich 
scheue ich daher die Elektrotechnik ;-)) ein Modell bauen, das 
abstrahierte Schema habe ich eben mal in Paint gezeichnet (ging einfach 
am schnellsten) und als Bild hier angehängt.
Eigentlich ganz einfach. Ich brauche einen Motor, der über eine Stange 
ein Gewicht dreht. Das ganze wird später an der Wand hängen, also wird 
mal mit und mal gegen die Schwerkraft gedreht.
Es gibt zwei Endlagen (links und rechts, Verdrehwinkel ca. 330°), in 
denen Schalter/Taster angebracht werden können und sollen.
Natürlich wird auf der anderen Seite der Stange ein entsprechendes 
Gegengewicht angebracht, so dass das erforderliche Drehmoment minimiert 
wird. Der Hebelarm (in der Skizze als Stange vereinfacht) wird 
allerdings während der Drehbewegung über den Verdrehwinkel in der Länge 
zwangsweise verändert (DeltaL ca. 40 mm), so dass man den Motor trotz 
Gegengewicht nicht völlig vom äußeren Moment entlasten kann.
Der gesamte Hebelarm (Stange) ist im Schnitt etwa 40 cm lang.
Die gesamte Drehbewegung von einer Endlage in die andere sollte ca. 5 
Sekunden betragen (wahrscheinlich werden wir daher eine Übersetzung 
einbauen müssen).

Nun das eigentliche Problem:
Die Winkelgeschwindigkeit sollte bei der "Abfahrt" nicht auf einmal 
stark zunehmen und das ganze sollte nicht zu teuer sein (<150 €, gerne 
billiger).
Schön wäre auch noch eine kurze Ruhezeit in den Endlagen, ansonsten 
ständiger automatischer Richtungswechsel (wie realisiert man das am 
einfachsten?).

Schrittmotor hat ja soweit ich weiß ein hohes Haltemoment, das wäre für 
die gleichmäßige Bewegung also super sein, allerdings ist mir die 
gesamte Steuerung etwas suspekt und besonders günstig scheinen die 
Dinger auch nicht zu sein. Das müsste ja dann irgendwie programmiert 
werden.

Einen DC Servomotor fände ich schon viel besser, da man dort (soweit ich 
weiß) die Steuerung komplett analog aufbauen könnte. Allerdings weiß ich 
dort nicht, wie sehr sich die Schwerkraft bei der Abwärtsbewegung auf 
die Winkelgeschwindigkeit auswirken würde (Wegen Übersetzung sollte der 
Effekt allerdings kleiner als bei direktem Hebel werden). Wie würde ich 
das Ding ansteuern müssen. Reicht da eine H-Brücke? Kann man da noch auf 
einfach Art und weise eine kurze Ruhezeit in den Endlagen realisieren? 
Brauchen wir unbedingt Schalter oder geht das auch mit Tastern?

Ich hoffe ihr könnt mir helfen, steh da nämlich gerade echt auf dem 
Schlauch, vielen Dank schon mal für eure Mühe! Falls noch irgendwelche 
Fragen offen sind, bitte bescheid sagen :-).

Gruß
Klaus

Autor: Pieter (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
moin moin,

was willst Du mal studilieren...Maschinenbau?
Dann liefer wenigsten genaue Angaben über die Kräfte, Drehmomente usw.
Erst dann kommt die Frage nach "welcher Motor"...

Sonst nimm einfach einen Scheibenwischermotor, der macht auch hin und 
her...und Kraft hat der auch.

mfg
Pieter

Autor: krishna (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ein Schneckengetriebe interessiert die Schwerkraft nicht.

Autor: Klaus (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nicht wollen, ich studiere schon und werde nächstes Frühjahr fertig 
sein. Ich weiß, mit den deutschen Ingenieuren gehts bergab ;-). Aber 
jetzt mal im Ernst: Hatte auch glaube ich alle wichtigen Angaben schon 
gemacht, aber dann werde ich sie hier noch mal kurz zusammenfassen.
durschnittlicher Hebelarm: 400 mm.
Gewicht = 0,3 kg
=> Drehmoment auf Motor bei horizontalem Hebelarm etwa 1.2 Nm, 
allerdings soll dieses ja über ein Gegengewicht ausgeglichen werden.

Veränderung des Hebelarms während der Bewegung um ca. 40 mm, als mal 20 
mm länger und mal 20 mm kürzer als der "normale" Hebelarm.
=> Bei 20 mm längerem Hebelarm hat man ein Moment, was um ca. 0,06 Nm 
(=6 Ncm) größer ist, als das "reguläre" Drehmoment.
Dieses müsste durch den Motor gehalten und bewegt werden.
Mir ist übrigens völlig bewusst, dass es sich dabei um Momente im 
Stillstand handelt. Da die genauen Winkelbeschleunigungen und somit die 
genaue Zeit, die das Ding für die Umdrehung braucht, aber zweitrangig 
sind, hielt ich es für Überflüssig, irgendwelche Trägheitskräfte oder 
Drehmomente bei dynamischer Bewegung auszurechnen. Mir ging es erstmal 
darum, was genau einfacher zu steuern ist.

P.S.: Ein Scheibenwischergetriebe hat prinzipbedingt beschränkte 
Schwenkwinkel, das kommt für unsere Zwecke daher leider weniger in 
Frage.

Also nochmal: Mir geht es hauptsächlich um eine einfache und billige 
Steuerung bei Erfüllung der Vorgaben (Sensorik, Ruhezeit in Endlagen?) 
:-).

Autor: Klaus (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Das mit dem Schneckengetriebe ist schon mal ein super Einwand, da hätte 
ich in der Tat auch selbst drauf kommen können.
Wie sieht das denn mit der Steuerung aus. Reicht da eine einfach 
H-Brücke? Kann man irgendwie auf einfachem Wege Ruhezeiten in den 
Endlagen realisieren?
Brauche ich unbedingt Schalter mit Relais oder kann man die Schaltung 
auch irgendwie so modifizieren, dass man Taster verwenden kann?
Hat jemand konkrete Beispiele, wo man entsprechende Taster/Schalter 
bekommt, gegen die man einfach zum betätigen mit einem Bauteil 
"anfahren" kann? Also, quasi ein Druckschalter statt Kippschalter mit 
niedrigem Einschaltdruck, keiner zum draufdrücken mit dem großen Daumen.

Vielen Dank :-)!

Autor: Klaus Falser (kfalser)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Du hast noch nicht alle Angaben geliefert, weil Du das ganze nur 
statisch betrachtet hast.
Beim Anlaufen wird die Masse beschleunigt, das erfordert ein 
zusätzliches Moment. Selbst wenn Du die Masse mit einem Gegengewicht 
statisch kompensiert, beim Beschleunigen hast Du dann die doppelte 
Masse.
In der Endstellung, was soll dort passieren? Muß dort eine Kraft 
ausgeübt werden. Beim Stoppen muß die Masse abgebremst werden. Wieviel 
Zeit, bzs. Weg steht zur Verfügung? Welche Bremsmomente ergeben sich 
dadurch?

Allgemein kann man sagen, dass sich ein Schrittmotor gut eignet für 
langsame Bewegungen, so wie deine.
Aber ein Schrittmotor mit 2-3 Nm ist nicht mehr so klein und vielleicht 
brauchst Du eine Rampe zum Beschleungigen.
Ein Servomotor ist eine teuere Lösung, wenn Du von einer H-Brücke 
träumst, dann ist das ein normaler, bürstenbehafteter DC-Motor. Der 
läuft nie so langsam.

Schau Dir einmal die Drehzahlbereiche von Schrittmotoren und DC oder 
Servo-Motoren an, und dimensioniere ein Getriebe für das Ganze.

Ein wichtiger Punkt kann auch die Lebensdauer sein: Schrittmotoren und 
richtige Servomotoren leben lange (20.000 h), bürstenbehaftete 
DC-Motoren nur kurz, wenn sie dauernd laufen.

Schau dir aber trotzdem die kleinen Servo-Motoren mit intelligenter 
Steuerung an oder intelligente Schrittmotoren an. Diese haben manchmal 
Eingänge und sind programmierbar, damit kann man solche Sachen leicht 
erschlagen. Mit Kosten um 500-1000 Euro mußt Du aber rechnen.

Autor: Klaus (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Klaus und vielen Dank für deine Antwort.
Das mit den Trägheitskräften ist mir wie gesagt durchaus bewusst.
Also nochmal etwas mehr Hintergrundinformation:
Das ganze soll ein automatisches Modell von einem sogenannten Quadreieck 
werden. Animation seht ihr hier: 
http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Dudeney
Unseres soll natürlich nicht durchlaufen, sondern einfach nur eine 
Hin-/Her-Bewegung machen.
Allerdings muss das gesamte Ding wirklich nicht schnell beschleunigt 
werden und der Steiner-Anteil ändert sich wegen des Abstandes der 
einzelnen Teile zum Drehpunkt auch ständig, daher habe ich das gesamte 
Modell einfach grob abstahiert.
Wir werden eine Grundplatte haben, auf der die Teile in Nuten geführt 
werden. Unter die Grundplatte wollen wir kleine Industriestoßdämpfer 
(von ACE o. ä.) montieren, welche die Bewegung einige cm vor erreichen 
der Endlage zusätzlich abbremsen, das sollte also nicht das Problem 
sein.
Bleibt also noch die Anfahrbeschleunigung als Faktor, diese muss aber 
wie gesagt nicht hoch sein, hauptsache das Ding bewegt sich.

Ganz wichtig ist, dass der Motor+Steuerung auch im finaziell 
vertretbaren Rahmen bleiben. 500 bis 1000 Euro überschreiten leider 
einfach das Budget, maximal 150 bis 200 Euro sind leider angesagt.
Die Idee mit dem Schneckengetriebe finde ich da auch sehr gut.
Lebensdauer von etwa 10.000 h wäre schön und ausreichend.
Kann man grob sagen, wie hoch die Lebenserwartung eines 
bürstenbehafteten Motors wäre?
Und nach wie vor die Frage, ob man auf analogem Wege irgendwie eine 
Schaltverzögerung basteln kann, so dass erst einige Sekunden nach 
tatsächlichem Berühren des Endlagnschalters das Signal tatsächlich 
umgeschaltet wird :-)?

Autor: Thorsten Ostermann (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Klaus!

Das Problem sollte mit einem Schrittmotor, der 1,6-2,5Nm liefert, 
schnell und günstig zu lösen sein. Da du von Elektronik nicht allzuviel 
Ahnung zu haben scheinst, würde ich zum Motor eine passende, fertige 
Endstufe kaufen. Dann bleibt dir immer noch die Programmierung eines 
Mikrocontrollers für die Steuerung des geforderten Ablaufs. Ob die 
Endstufe Takt-/Richtungseingänge hat (der Quasistandard), oder ob du was 
nimmst, was schon Fahrbefehle verarbeiten kann, ist dann 
geschmackssache.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

Autor: Nick Müller (muellernick)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Zu den Servomotoren:
Die können sehr wohl langsam laufen. Meine CNC-Fräse macht auch nur 1 mm 
/ Minute wenn sie soll. Und das ohne Übersetzung. Dafür mit 
bürstenbehafteten DC-Servos die nicht alle Daumen lang verschlissen sind 
(der größte Servo hat etwa 4kW und wiegt 82kg :-)) ). Nur brauchen 
Servomotoren eine Positions-Rückmeldung. Und damit wirds automatisch 
teuer. Halbwegs billig ginge es noch mit einem UHU-Servocontroller, der 
kommt auf etwa 150.-, dann fehlt aber immer noch die Ansteuerung 
(Rampen, Weg, Endschalter).

Schrittmotor ist richtig dafür. Beim großen C gibts Controller die sich 
programmieren lassen (WIMRE) mit Chips von Trinamic (? Triamic?). Die 
können Rampen und Wege und würden mit einer minimalen Steuerung 
auskommen.


Gruß,
Nick

Autor: sam (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
als bastler würde ich das problem ja mit einem starken modellbauservo 
lösen.
die sind nicht allzu teuer und einfach anzusteuern (PPM) als Achse würde 
ich den nicht verwenden sondern eine richtige achse verwenden, auf die 
ich dann nur die kraft des servos übertrage.

kleiner µC der die steuerung übernimmt kann auch das kurze warten 
erledigen.

Autor: Hans Mayer (hansilein)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert

Autor: Klaus (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Vielen Dank für die weiteren Antworten.
Ich war fast davon ausgegangen, dass ein Schrittmotor die optimale 
Lösung ist, allerdings kenne ich mich mit der Peripherie leider gar 
nicht aus. Also, wenn ich das richtig verstanden hab, braucht man auf 
jeden Fall eine Steuerkarte und dann jenachdem noch ein Interface, um 
den Mikrocontroller über den PC zu programmieren? In C++ und C war ich 
mal ziemlich fit, das sollte also nicht das Problem sein.
Würde beispielsweise einer dieser 3 Artikel meinen Anforderungen 
genügen?

http://www.conrad.de/goto.php?artikel=198087

http://www.conrad.de/goto.php?artikel=190841

http://www.conrad.de/goto.php?artikel=967599

Noch zwei wichtige Sachen:
1.) Das Modell soll danach autonom laufen, sprich der Schrittmotor muss 
dann auch ohne angeschlossenen Rechner wissen, was er tun soll. Außerdem 
muss das ganze  dann natürlich auch über ein Netzteil laufen können, 
aber das sollte ja kein Problem sein.
2.) Das Modell wird am Anfang und Ende des Tages ein- und ausgeschaltet, 
auch wenn es mal nicht in einer Endlagenposition ist. Weiß die Steuerung 
dann beim Einschalten immer noch, in welcher Stellung sich der Motor 
befindet oder gibt es da Probleme? Nicht, dass der Controller den Motor 
dann erstmal souverän und zügig gegen die Endlage fährt, weil er denkt, 
dass er noch am Anfang der Bewegung ist.

Die gleichen Fragen gelten natürlich auch für den Vorschlag von Hans. 
Wenn das mit dem Servo und der Karte so funktionieren sollte, wäre das 
auch eine gute Sache. Aber wie sieht es da mit dem ein- ausschalten bzw. 
der Lageerkennung aus (siehe oben)?
Wenn ich das richtig gesehen habe, könnte ich bei der Lösung auch nur 
den Stellwinkel des Servos angeben, auf die Drehzahl kann ich also nur 
über ein Getriebe Einfluss nehmen? Oder kann ich dem Servo auch sagen, 
über welchen Zeitraum er den vorgegebenen Drehwinkel einstellen soll?

Danke und Gruß
Klaus

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.