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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Brauche Hilfe bei Windradsteuerungsprojekt


Autor: Philipp D. (windradhaani)
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Hallo,

Ich habe vor eine elektronische Steuerung fuer mein Windrad zu bauen und 
habe auch schon so meine Vorstellungen, wie das ganze werden soll. Ich 
bin mir aber nicht sicher ob das Ganze so moeglich ist wie ich mir das 
vorstelle oder ob es vielleicht hier und da bessere Loesungen gibt.

Zu dem Windrad, dass ich nun mit hilfe eines Mikrocontrollers steuern 
will: Das Windrad erzeugt 1,5kW mit einem mit Kondensatoren umgebauten 
380v 3p Elektromotor, hat einen Rotordurchmesser von 5,6m und ist auf 
einem 9,3m hohem Mast montiert. Bisher wurde es von einem Lego NXT 
Roboterset gesteuert, was auch funktieoniert hat, ich nun aber eben 
durch einen Mikrocontroller ersetzen will.

Was gesteuert werden soll:

-erstens soll es sich automatisch mit einem Elektromotor in den Wind 
stellen. (hat schon mit dem Lego setup funktioniert)

-zweitens soll die Rotationsgeschwindigkeit mit Hilfe einer 
Fluegelverstellung realisiert werden. (wurde vorher mit elektronischem 
rausdrehen des Rotors aus dem Wind vom Lego NXT geregelt)

-des weiteren wer eine geregelte Ladeelektronik fuer eine 
Autobleibatterie erstrebenswert, die in einem weiten Spannungsband von 
am besten 12-230v die 12v Batterie laed.

Ich stelle mir vor entweder einen Arduino Duemilanove oder einen UNO als 
Basis zu nutzen.
Fuer die Steuerung des Rotors in den Wind wollte ich einen Magnetencoder 
http://at.farnell.com/austriamicrosystems/as5045-a... 
unter eine kleine Windfahne setzen, um so die Windrichtung im 
Verhaeltnis zum Rotorkopf feststellen zu koennen, um dann ueber einen 
Elektromotor den Rotor dem Wind nachfahren zu koennen.
Den Motor wollte ich mit einer H-bruecke 
http://www.watterott.com/de/Dual-Motor-Steuerung-9... ueber 
den Arduino ansteuern, genauso den Motor, der die Fluegel verstellen 
soll.

Bei dem zweiten Punkt bin ich mir noch nicht so ganz sicher, bisher habe 
ich vor, einen Elektromotor, am besten einen Servomotor an die 
rotierenden Rotoren zu montieren, der ueber Schleifringe/kontakte 
versorgt werden soll.
um die Rotorachsgeschwindigkeit zu ermitteln hatte ich vor, wieder einen 
magnetischen Encoder zu benutzen, mit dessen Hilfe der Arduino dann die 
Fluegelstellung errechnen und korriegieren kann.

Mit der Batterieladung habe ich noch keinen konkreten Plan da ein 
normales Ladegeraet wohl nur bei 230v funktieoniert und nich bei weniger 
und sonst gibt es ja noch PC-Netzteile die man umbauen kann aber wie das 
genau geht weiss ich leider auch nicht...

Ich hoffe ihr koennt euch in etwa vorstellen, was ich vorhabe und koennt 
mir sagen ob das so funktieonieren kann. Ich waere auch sehr dankbar 
fuer bessere Loesungsansaetze!

Wie ist das eigentlich mit Servomotoren, die kann man ja auch 
winkelgenau steuern, aber ich habe noch nie groessere als die kleinen 
aus dem Modellbau gesehen bzw gefunden, wie viele kabel Brauchen die? 
Diese kleinen haben ja nur 3 wie ist das mit groesseren 12v Servomotoren 
und wo bekommt man die? Und sind die dann eigentlich billiger als ein 
normaler plus Encoder oder Poti plus 2 weitere Schleifringe?

: Gesperrt durch Moderator
Autor: Stefan B. (stefan) Benutzerseite
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Ist das dein Einzelprojekt oder besteht bereits eine Usercommunity dafür 
bzw. wäre es interessant und gewollt eine solche aufzubauen?

Ich könnte mir gut vorstellen, dass ein Open Source / Open Hardware 
Projekt einige freiwillige Mitarbeiter anziehen kann, die zu den von dir 
beschriebenen Teilaufgaben etwas beisteuern möchten.

Und die Zusammenfassung der Beschreibung, Pläne, Aktivitäten z.B. in 
einem Wiki wäre langlebiger als in einer Diskussion im Tagesgeschäft.

Technisch gesehen...

...kann man das Motorsteuerboard natürlich nicht bewerten, wenn man die 
technischen Daten des Motors nicht hat. Möglicherweise ist die direkte 
Motorsteuerung überhaupt nicht erforderlich, sondern der Controller 
(jetzt Lego NXT, später µC) steuert selbst über ein digitales Protokoll 
(bekannt?) nur die vorhandene Steuerungsplatine des Motors an.

...ist eine Flügelanstellwinkelsteuerung nur machbar, wenn die Mechanik 
an den Flügeln dafür vorhanden ist bzw. gebaut wird. Hast du Daten zu 
der max. Achslast, die ein Flügel ausüben kann? Ich bezweifele, dass 
eine typ. 6mm Achse eines Schrittmotors die direkt aufnehmen kann. Wenn 
das Windrad an sich eine kommerzielle Konstruktion ist, könnte die 
gesamte Statikberechnung durch den Umbau hinfällig werden und neu 
berechnet werden müssen.

...kann ein Bleiakku mit fast allem geladen werden, die entsprechende 
Ladeelektronik vorausgesetzt. Eventuell kann man getrennte, optimierte 
Ladeelektroniken per Relais schalten z.B. wenn der Windernter geringe 
Spannungen liefert und eins, wenn das Ding "brummt".

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Also. Ein Mega32 ist genuegend. Mit 1.5kW geht man nicht auf Batterien, 
sondern ins Netz. Die anderen Konzepte sind auch nicht optimal.

Autor: Stefan B. (stefan) Benutzerseite
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...Schrittmotoren sind industrielle Artikel. Die bekommst du in allen 
Leistungsklassen zu kaufen. D.h. du musst wissen, welche Leistungsklasse 
du brauchst. Technische Werte sind: Wie muss/kann der Schrittmotor 
versorgt werden und was muss er bringen, d.h. Schrittweite, Drehmoment.

Autor: hubert (Gast)
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Ein Tip zur Fügelverstellung:

Ich halte die Idee, da einen Stellmotor in den Rotorkopf zu setzen für 
problematisch und unnötig. Du musst die Ansteuerleitungen über 
Schleifringe führen und dann auch noch wiederum eine Lage-Rückmeldung, 
um den Anstellwinkel zu kontrollieren. Das sind zwei Problemstellen 
(Gewicht und Bauraum des Motors mit Getriebe, Schleifringe), die sich 
durch eine andere Anordnung vermeiden lassen.

Weit einfacher wäre es, auf die Rotorachse einfach eine Schiebehülse 
aufzusetzen, die eine umlaufende Nut hat. So kannst Du sie mit einem am 
Stator montierten Stellmotor nach vorne und hinten schieben. Und die 
Lage der Schiebehülse verstellt direkt über Hebel die Rotorblätter. So 
hast Du den Motor vom Rotor runter und brauchst auch keine Schleifringe.

Grüße

Autor: Philipp D. (windradhaani)
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Also im Moment arbeite ich daran zusammen mit meinem Nachbarn, der 
ehmaliger Schlosser ist, das Ding ist, dass ich schon gerne an Allem 
beteiligt sein moechte, da ich dabei ja lernen will, wie die 
"Baugruppen", von denen ich bisher noch nicht soviel ahnung habe, 
funktionieren, sodass ich das neu erworbene Wissen spaeter auch auf 
andere Projekte uebertragen kann. Dennoch bin ich fuer jede Hilfe offen 
und werde sie wohl auch bei elektronischen und vorallem 
programmiertechnischen Dingen dringend benoetigen.
Des Weiteren bin ich am ueberlegen, ob ich dieses Projekt auch mit in 
mein Abitur mit einfliessen lassen sollte aber das werde ich wohl erst 
spaeter entscheiden, dafuer waehre so ein Open Source Projekt jedenfalls 
sicher interessant.


Um erstmal zu den Motoren zu kommen, der Motor, der den Rotor in den 
Wind stellt, ist ein ehemaliger Anlasser also ein recht durchzugsstarker 
12v Motor ohne jegliche Steuerelektronik, die ich direkt ansteuern 
koennte. Die genauen Werte liegen mir im Momet nicht vor jedenfalls 
koennen die ganz schoen Leistung aufnehmen. Der motor ist aber auch 
stark untersetzt da die Gondel nur langsam gedreht werden muss und somit 
kein staerkerer (grosserer) Motor noetig.
Zur Fluegelverstellung:
Das mit der Schiebehuelse usw ist technisch einiges schwieriger zu 
loesen zumal es mit einer einfachen Nut, woman dran ziehen und druecken 
kann nicht getan ist, es wehren schon spezielle Lager von noeten usw. Um 
eine weitere Moeglichkeit gleich einmal mit auszuschliessen, man koennte 
auch eine Hohlwelle nehmen und darin eine weitere Welle haben mit der 
man die Fluegel verstellt, welches so ziehmlich das gleiche Prinziep 
ist. Allerdings braucht man da erstmal eine Hohlwelle, die einen 
umsogroesseren Durchmesser nach sich fuehrt und somit riesige lager 
benoetigt dann noch lager fuer die Welle in der Hohlwelle und und und 
das ist ein riesiger Technischer und vorallem Finanzieller Aufwand.
Das Gestaenge zu bauen, um von einer rotierenden Achse eines Motors zur 
gleichzeitigen Stellung/Drehung dereier Rotorblaetter, ist nicht das 
Problem, das bekommen wir schon hin. Damit dieser Motor nicht allzuviel 
Kraft benoetigt, dachte ich auch hier an eine relativ starke 
Untersetzung gegebenenfalls ein Schneckengetriebe, welches die Belastung 
auf den Motor so gering wie moeglich haelt und die Fluegel auch ohne 
Motor (also nur das Getriebe) im Wind fest haelt. Dazu muss man auch 
sagen, das die Achse der Rotorblaetter mittig liegt und somit kein 
grosses Drehmoment auf die Rotorachse wirken sollte.
Durch die Untersetzung muesste der Motor fuer die Fluegelstellung auch 
einige Umdrehungen machen um die extem Fluegelstellungen zu erreichen, 
kleine Servomotoren aus dem Modellbau machen so viel ich weiss ja wenn 
ueberhaupt nur sehr wenige Umdrehungen oder gibt es da auch andere? 
Ausserdem habe ich gehoert, dass Schrittmotoren eine geringe 
Durchzugskraft haben im verhaeltnis zu "normalen" Motoren gleicher 
Groesse, in wie weit stimmt das?
Ich bin mir halt nicht sicher, welche Art von Motor-Sensorkombination 
hier am besten vom Preisnutzenverhaeltnis ist. So ein digitales 
Protokoll ist mir uebrigens nicht bekannt.

Die Batterie ist uebrigens nur fuer die Steuerung zustaenig sprich fuer 
die Motoren und den Mikrocontroller. Der eigentliche Strom wird 
natuerlich nicht in Batterien eingespeist, geplant ist erstmal, die 
Leistung ueber Heizstaebe in warm Wasser zu stecken, da Heizstaeben egal 
ist was fuer Strom sie bekommen, da bei geringerem Wind die Rotor- und 
somit Generatordrehzahl sienkt bzw schwanken kann, bekommt man keinen 
normal brauchbaren Strom geliefert, da Spnannung und Frequenz eben von 
der Umdrehungszahl abhaengen.

Autor: MaWin (Gast)
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Deine Bauteile sind um den Faktor 10 zu teuer,
es tut ein einfachster AVR Microprozessor wie ATtiny13,
zwei einfachste Hallsensoren wie TLE4905,
um die beiden Motoren zu steuern nach Wind und Akkustand.

Wenn du zusätzlich technische Daten anzeigen willst,
wie Dreh-/Windgeschwindigkeit, -richtung, Stromerzeugung,
Ladezustand dann sollte der uC genug Ausgänge haben um
ein Display (z.B. 2 x 16 Zeilen Text) anzusteuern.

Als (Blattverstellungsantrieb) ist ein Servo angemessen,
er braucht nur 3 Anschlüsse (Plus, Masse und Impuls)
aber die Modellbauservos sind nicht für jahrelangen
Dauerbetrieb ausgelegt (Kunststoffgetriebe), such
eventuell bei eBay nach professionelleren Teilen.
Du solltest die Mechanik aber so bauen, daß sich der
Servo nicht mitdreht.

Zur Rotation tut es ein Getriebemotor auf einen Zahnkranz,
ein 1kW Anlasser um ein 1.5kW Rad zu drehen ist aber oversized,
das Getriebe bringt schliesslich Kraftzuwachs. Achte auch
hier auf lange Haltbarkeit. Wenn du keinen Anlasser nimmst,
tut es auch eine kleinere H-Brücke, wie BTS7741 (Pollin).

Du solltest nicht so viel Geld für runimentäre Teile wie
uC und Sensor ausgeben, sondern mehr Geld in solide Gehäuse,
solide Getriebe, denn du willst daß das 10 Jahre lang und
länger funktioniert - sonst ist der gewonnene Strom zu
teuer wenn man jedes Jahr wochenlang basteln muss.

Autor: Route_66 (Gast)
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Hallo!

Für Anfänger / Selberbauer ist der Savonius-Rotor eine Überlegung wert.

Er funktioniert bereits bei kleinen Windgeschwindigkeiten, ist von der 
Windrichtung unabhängig, überlastsicher (braucht nicht aus dem Wind 
gedreht werden) und mit einfachen Mitteln zu bauen. Außerdem ist er 
optisch unauffälliger und für Vögel ungefährlicher.
Nachteil: "relativ" geringe Drehzahlen - also passender Generator oder 
Übersetzung nötig.

Autor: Philipp D. (windradhaani)
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hm,
also der Arduino ist ja nun nicht allzu teuer bzw. seine Anschaffung 
wert, die H-bruecken allerdings schon das ist mir auch ein Dorn im Auge. 
Der Anlasser hat auch nicht ganz so viel Leistung, der stammt ja nicht 
aus einem Automotor, sondern eher aus einem Rasenmaehertreckermotor.

Zu Route_66: Anfaenger sind wir sicher nicht mehr und mit dem Bau der 
der mechanischen Komponenten haben wir auch keine Probleme, es hapert 
lediglich an mangelden elektronischen und programmiertechnischen 
Kenntnissen. Ich brauche also Loesungsmoeglichkeiten fuer die 
steuerelektronische Seite, denn das Windrad selbst existiert ja bereits 
und wird nur zur Steuerung angepasst.

Hier mal ein Link zum Windrad: 
http://picasaweb.google.com/lh/photo/Vm_SAiwze23Ul...

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Das Photo zeigt zeigt zumindest, dass niemand gefaerdet wird...

Ich denk auch, dass ein Mega32 passender wie ein 32bitter waere. Ein 
32bitter ist fuer einen Anfaenger zu schwierig.

Autor: Philipp D. (windradhaani)
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Im Prinziep muss ich die Motoren ja nur in zwei Richtungen und Stopp 
steuern koennen, die Motorsteuereinheiten koennen ja aber zusaetzlich 
auch die Drehzahl regeln, was ich ja garnicht brauche. Koennte man dann 
nicht auch Schuetze oder Relais nehmen, die man direkt mit dem 
Mikrocontroller ansteuern kann, die dann die Arbeitsstromkreise fuer die 
Motoren schliessen? Ich habe eben mal nach solchen gesucht finde aber 
irgendwie nich die richtigen Teile...

Ich habe heute mal den Motor, der die Gondel in den Wind drehen soll, 
getestet. Er zieht im Leerlauf 10A bei 12V und unter Last zieht er etwa 
15 bis 20A!
Ich denke dieses Steuermodul ware dafuer passend: 
http://www.watterott.com/de/Motor-Steuerung-20A-IR...
allerdings ist das nur fuer einen Motor und dafuer recht teuer... 
koennte man also vielleicht doch iregendwie eine Schuetz/Relai oder eine 
ganz ander Loesung finden?

Des weiteren finde ich ueberhaupt keine Servos in passender Groesse fuer 
die Blattverstellung!? Kann mir einer mal ein Link geben wo es sowas 
gibt? Oder wenigstens einen Tip? Danke
Wie steuer ich den Servomotor dann eigentlich? Gibt es dafuer wieder 
spezielle Steuerplatinen oder reicht auch ein "einfaches" 
H-Brueckenmodul wie fuer einen normalen Motor?

Autor: MaWin (Gast)
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> zieht im Leerlauf 10A bei 12V und unter Last

Du brauchst den Blockierstrom/Anlaufstrom, den muß die Elektronik 
aushalten.

> Wie steuer ich den Servomotor dann eigentlich? Gibt es dafuer wieder
> spezielle Steuerplatinen

Ein Modellbauservo enthält die Platine und wir über die Länge von einem 
einzigen ständig wiederholten Impuls gesteuert.

http://www.harm-racing.com/de/rc-cars-und-zubehoer...

Servos ausserhalb des Moellbaubereichs gibt es aber in jeder Grösse
http://www.atlantagmbh.de/media/kataloge/Servo/Kap...

Autor: Philipp D. (windradhaani)
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der Anlaufstrom liegt bei etwa 15A blockiert hab ich den Motor noch 
nicht bekommen, das Problem ist, dass mein Messgeraet nur bis 20 Amper 
anzeigt... :(

Autor: MaWin (Gast)
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Kein Ohmmessbereich ?

Spannung / Widerstand = Blockierstrom - der übrigens gleich der Spitze 
des Anlaufstroms ist.

Autor: Philipp D. (windradhaani)
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der Wiederstand betraegt 0.3 Ohmen also zieht er maximal 40A! Ob die 
Messung allerdings genau ist weiss ich nich ich werde sie am Wochenende 
nochmal mit einem besseren Ampermeter ueberpruefen.

Autor: Florian Daßler (floriano)
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Wieso kein Scheibenwischermotor zum Gondeldrehen?! ziehen im Leerlauf 
1A.

Autor: Simpel (Gast)
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Weil knapp 5 Jahre nach dem Threadbeginn die ganze Sache vermutlich 
längst wegen totaler Unwirtschaftlichkeit und hohem Wartungsaufwand 
begraben ist... :-)

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