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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM - Leistungselektronik - Drehmomentvorgabe


Autor: Thomas (Gast)
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Servus Leute!

Vorweg zu mir: ich bin absolut nicht elektronikaffin und hab sehr wenig 
Ahnung von der Materie. Jedoch muss ich in meiner Diplomarbeit, bei der 
es um ein elektrisches Einrad (ähnlich eines Segways) geht, auch etwas 
mit Mikrocontrollern hantieren.

Nun zu meiner Frage, bei der Suche habe ich nicht wirklich was gefunden, 
was mir geholfen hätte.

Ich habe ein System, welches positionsgeregelt werden soll und mein 
Systemeingang ist ein Motordrehmoment. Der Motor ist ein bürstenloser 
Außenläufer (AC - Synchronmotor). Leider gibt es dazu kein richtiges 
Datenblatt.

Der uC berechnet eine Systemabweichung von der Führungsgröße und 
versucht diese auszuregeln. Der Systemeingang ist wie vorher geschrieben 
das Motormoment. Der Motor selber wird über PWM vom uC über eine 
Leistungselektronik gesteuert.

Mein PWM Signal kann ich jetzt ja nur zwische 0 und 100% steuern.
Ist es nun möglich über einen Umrechnungsfaktor vom PWM-Signal auf das 
Drehmoment zu schließen?
Denn genau das will ich ja eigentlich vorgeben.

Die Leistungselektronik macht aus dem PWM-Signal ein 3-phasiges 
Sinussignal.

Gruß Thomas

Autor: Hauspapa (Gast)
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ein Datenblatt deiner Leistungselektronik währe hilfreich.

Autor: Thomas (Gast)
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Servus,

das Datenblatt der Leistungselektronik ist auch nicht wirklich 
vielsagend.
Übrigens ist der Motor ein Modellbaumotor von Robbe (Roxxy 6362/08).
Ich schreib hier mal die "wichtigen" technischen Daten hin (bei einigen 
weiß ich nicht was es soll, Abmessungen usw. lass ich weg):

Typ: Roxxy BL-Control 9120-12 Opto
Funktion: Vorwärts - Stop - Bremse - Rückwärts
Laststrom: 120 A
Kurzzeit: 150 A
SPS: ja
Rx-Filter: ja
PCO: ja
POR: ja
hec: 32kHz
TP: ja
Cool Power FET: ja

Vielleicht hilft das ja weiter. Ich hab leider nicht mehr :(

Gruß Thomas

Autor: Hauspapa (Gast)
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Gut und teuer dein Regler. Die Sache hat nur vier Haken: Die typischen 
Modellbauregler nehmen das Fernsteuersignal als Drehzahlsollwert. Wenn 
Du bisher von einer Drehmomentvorgabe ausgegangen bist wirst Du Deine 
Regelung entsprechend umstricken müssen. 2. Musst Du schauen ob das 
Regelverhalten von dem Ding zu Dir passt. Sollwertsprünge werten intern 
z.B. gerne als Rampe abgefahren. Evtl. ändert sich mit der Dynamik 
deines Sollwertes das Regelverhalten. 3. scheint mir das ein sensorloser 
Regler zu sein. Rund um Motorstillstand herum wird es also eher 
abenteuerlich funktionieren. 3. Das Ding erwartet einen Standardpuls wie 
er von einer Fernsteuerung kommt. Das heisst Du hast ein abgetastetes 
System mit allen Effekten wie z.B. Totzeiten oder Aliasing. Musst 
schauen ob das Gesamtsystem träge genug ist um damit Leben zu können.

Welche Fachrichtung?

Grüssle Hauspapa

Autor: Thomas Hierlinger (thomyman)
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Servus Hauspapa!

Fachrichtung bei mir ist Maschinenbau. Die ganzen Komponenten wurden 
vorher gekauft (hatte keinen Einfluss darauf bzw. hab mich da 
rausgehalten, da keine Ahnung) ohne viel Wissen um die exakte 
Funktionsweise. Mir sind beim bisherigen Betrieb des Motors auch schon 
Zweifel aufgekommen, ob die Leistungselektronik überhaupt für dieses 
Problem tauglich ist.
Naja, wir werden mit dem bisherigen Aufbau die nächsten Tage mal auf 
einen Rollenprüfstand gehen und schauen, ob wir da irgendwas ableiten 
können.

Meinst du mit Punkt 3, dass der Motor bei sehr niedrigen Drehzahlen 
aufgrund der Leistungselektronik stehen bleibt?

Kannst du vielleicht einen Regler empfehlen, dem man quasi das 
Drehmoment vorgeben kann? Gibt es sowas?
Sorry, wenn ich da so plump frage, aber von uns hat in dem Bereich 
niemand Ahnung (alle Maschbauer).
Mit den Komponenten ist es halt so eine Sache, da wir da teilweise nicht 
die Ahnung hatten, ob alles zusammenpasst bzw. für den Einsatzzweck 
geeignet.

Gruß Thomas

Autor: Hauspapa (Gast)
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So ein sensorloser Regler misst was der Motor gerade macht und erzeugt 
dementsprechend die elektronischen Ansteuersignale. Rund um Drehzahl 
Null herum funktioniert das leider nicht. Der Regler hilft sich indem er 
in diesem Bereich eine feste Betriebssequenz, meist eine Rampe auf eine 
Mindestdrehzahl "blind" abfährt. Positionieren um Null herum wie es bei 
Euch zum ausbalacieren sicher nötig ist dürfte damit eher zum 
Glücksspiel werden.
Evtl. geht es, ansonsten ist die Lösung des Grundproblems ein 
klassischer Gleichstrommotor oder ein bürstenloser Motor mit Lagegeber 
sprich Hallsensoren. Jeweils mit passender Motorsteuerung versteht sich.

Wenn Du gute Beziehungen nach Stralsund hast Du nicht zufällig?

Autor: Thomas Hierlinger (thomyman)
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Servus,

dadurch, dass es einradbedingt eh relativ schwierig wird im Stand zu 
balancieren, könnte das Problem bei niedrigen Drehzahlen nicht so 
schlimm sein bzw. hoffentlich verschwinden.
Der Motor wurde bauraumbedingt ausgewählt, da er halt wirklich sehr 
klein ist und ordentlich Dampf hat.
Beziehungen nach Strahlsund hab ich nicht, was meinst du damit?

Hast du vielleicht eine Idee wie ich meine Regelung umtricksen könnte 
(siehe 1. bei deinem vorigen Post)?

Vielen Dank schon mal für die Hilfe

Gruß Thomas

Autor: Hauspapa (Gast)
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Nur zum Verständnis:
Nach Rechts und Links musst Du selbst balacieren das ist klar.

Vom Fahrradfahren kommt sicher die Annahme einer Mindestgeschwindigkeit 
weil der Durchschnittsmensch sonst umfällt. Der 
Durchschnittseinradfahrer (klassisch mit Pedalen) kann problemlos auf 
der Stelle stehen, zumindest hab ich das bisher so gesehen. Ausprobiert 
noch nicht.

Nach vorne und hinten hast Du a) eine Elektronik die weis wohin Du wie 
schnell willst und sich darum kümmert das Du nicht umfällst oder b) eine 
Elektronik die einfach so schnell fährt wie Du Ihr sagst und Du selbst 
achtest darauf das Du nicht umfällst. Welches von beidem?

Ach ja und spätestens zum Kurvenfahren wird es wohl doch wieder übung 
brauchen.

Überhaupt würde mich die Idee wie das Steuerungs- und Regelungstechnisch 
bisher gedacht ist interessieren.

Stralsund? Ein 150W Maxxonmotor mit Lagegeber samt Steuerelektronik. 
Aber nur mit Beziehungen und freundlich Fragen. Geht also nicht, zumal 
der Spass nicht billig ist.

Autor: Floh (Gast)
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Autor: Thomas Hierlinger (thomyman)
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Servus,

@Floh:
Ja, sowas "ähnliches", jedoch erfolgt die Regelung nur in 
vor-zurück-richtung.

Was auch gleichzeitig deine Frage beantworten dürfte, Hauspapa (also a) 
). Der Winkel des Rahmens gibt die Geschwindigkeit vor, ähnlich einem 
inversen Pendel soll ständig der Winkel so geregelt sein, dass das 
gesamte System "Einrad" nicht umfällt.
Gemacht wurde sowas übrigens schon öfter wie z.B hier:
http://tlb.org/eunicycle.html
http://www.gizmag.com/enicycle-electric-unicycle/12622/

Nur verfolgen wir ein etwas anderes Konzept weswegen der kleine Motor 
ideal wäre. Übung braucht es bestimmt, keine Frage. Regelungstechnisch 
ist das allerdings nicht zu schwierig, ein gewöhnlicher PD-Regler mit 
Beschleunigungs- und Gyrosensor tut's bei den einfachsten Modellen 
schon. Lediglich unsere Komponenten könnten da einen Strich durch die 
Rechnung machen :(
Übrigens ist das mehr eine "akademische Spielerei", deswegen sollte man 
den Mehrwert im Moment noch nicht zu hoch einschätzen (wenn auch ein 
Industriepartner dahinter steht)

Gruß Thomas

Autor: Mine Fields (Gast)
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Thomas schrieb:
> Mein PWM Signal kann ich jetzt ja nur zwische 0 und 100% steuern.
> Ist es nun möglich über einen Umrechnungsfaktor vom PWM-Signal auf das
> Drehmoment zu schließen?

Nein geht nicht, weil das Moment vom Strom und nicht von der Spannung 
abhängig ist.

Kauf dir einen fertigen Servoregler aus der Industrietechnik, die haben 
eine Drehmomentregelung integriert. Das mal schnell in einer 
Diplomarbeit nebenbei selbst zu machen sprengt den Zeitrahmen völlig.

Autor: Hauspapa (Gast)
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Dein Drehmoment kannst Du nicht regeln. Deine Beschleunigungsvorgabe 
resultiert natürlich in einer Kraft und in der Folge währe ein 
Drehmoment sehr schön zum regeln. Allerdings hat eine drehzahlgeregelte 
Variante einen entscheidenden Vorteil: Sie ist vom Fahrergewicht 
unabhängig.

Wenn Ihr das sauber gerechnet habt solltet Ihr wissen wie schnell Ihr in 
etwa regeln müsst (wenn nicht: ca. 1/10 der Zeit die das Ding zum 
Umfallen braucht). Dann lässt sich auch beurteilen ob die Komponenten in 
etwa geeignet sind.

>Der Winkel des Rahmens gibt die Geschwindigkeit vor
Skizze machen, Kräfte einzeichnen und über den Satz noch einmal 
gründlich nachdenken. Und dann will ich das nochmal richtig hören.

Autor: Rat (Gast)
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Wenn du keine Ahnung von Regelungstechnik hast, wurde ich dir raten, wie 
meine Vorredner davor, dir ein fertiges Modul zu kaufen.

Denn allein die Einarbeitung in die PM-Maschine und die Regelungstechnik 
und Inbetriebnahme wurde deine Zeit sprengen, wenn du dich auch noch mit 
Mikrocontroller befassen mußt.


Gruß

Autor: Tecnologic (Gast)
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Moin,

Du müsstest zu allererst einmal heraus bekommen ob dein Regler einfach 
eine Motorspannung vorgibt und das Drehfeld nur richtig zum Rotor regelt 
oder ob das ein Drehzahlregler ist. Die meisten Modelbauregler geben nur 
eine Spannung vor. d.h. der Motor bricht bei Belastung in der Drehzahl 
zusammen. Kann er die Drehzahl halten dann ist er Drehzahl geregelt.

Wenn der Regler nur Spannung vorgibt. Ist das System Motor-Regler für 
euch ein PT1 Glied, Wobei die Zeitkonstante von der Belastung abhängt. 
Jetzt habt ihr 2 Möglichkeiten, Nr 1 ihr nehmt den Regler so mit Motor 
und gebt nur Spannungen vor, das System betrachtet ihr als PT1 Glied 
dessen Ausgang die Drehzahl ist. Rein Mathematisch habt ihr dann das 
Problem das dOmega/dt eure eigendliche Ausgangsgröße sein müsste, das 
sollte aber lösbar sein.
Nr 2 wäre den Strom zu messen den der Regler zieht. dann könnt ihr das 
Drehmoment Regeln. Da dieses proportional zum Strom ist.

Oder ihr verwerft den Regler und seht euch nach einem Feldorientierten 
Regler um. z.b. AN1078 von Microchip, Das ist aber als Eigenentwicklung 
und auch noch als Maschinenbauer harter Toback.

MfG

Tec

Autor: Thomas Hierlinger (thomyman)
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Servus,

ich ruf nachher mal bei der Robbe-Hotline an und frag nach, ob der 
Regler  die Drehzahl unter Last halten kann (sind erst ab 10 Uhr 
erreichbar). Bzw. gehen wir wie oben schon geschrieben die nächsten Tage 
(hängt noch von anderen Faktoren ab) auf den Rollenprüfstand.

Hauspapa schrieb:
>>Der Winkel des Rahmens gibt die Geschwindigkeit vor
> Skizze machen, Kräfte einzeichnen und über den Satz noch einmal
> gründlich nachdenken. Und dann will ich das nochmal richtig hören.

Ja, hast recht schäm, war dumm ausgedrückt. Die Bewegungsgleichungen 
hab ich schon mit Lagrange hergeleitet und auch schon eine linearisierte 
Zustandsdarstellung davon.
Je größer der von 0 abweichende Winkel, desto schneller versucht das Rad 
wieder unter den Schwerpunkt des Gesamtsystems zu kommen, was in einer 
Beschleunigung resultiert. Ich meinte das eher so, dass wenn man längere 
Zeit nach vorne geneigt ist (Winkel Rahmen > 0), so nimmt das Einrad an 
Geschwindigkeit auf.

Im Moment weiß ich zwar noch nicht wie ich in der Zustandsdarstellung 
auf eine Drehzahl als Input komme, werde aber darüber (zwangsläufig) 
grübeln.

Im Übrigen ist es nicht so, dass ich alles alleine machen muss. Mit mir 
sind noch 3 andere Studenten mit diesem Projekt beschäftigt, von denen 
sich einer recht gut mit Mikrocontrollern bzw. deren Programmierung 
auskennt. Leider von solchen Geschichten wie Leistungselektronik usw. 
jedoch nicht viel Ahnung hat (ist halt kein E-Techniker ;) )

Vielen Dank schon mal für die bisherige Hilfe!
Gruß Thomas

Autor: Professor (Gast)
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Warum suchst Du Dir nicht an der Uni einfach einen Elektrotechniker oder 
hörst ein paar passende Vorlesungen dazu? Es kann doch nicht sein, dass 
Du so eine Aufgabe gestellt bekommst und dann der Dumme bist. Hat Dein 
Betreuer überhaupt Ahnung von der Aufgabenstellung, die er Dir gegeben 
hat, ich vermute mal, dass das nicht der Fall ist. Und eigentlich ist 
die Zeit für die Diplomarbeit zu knapp, um Dich jetzt mit sowas zu 
befassen. Vielleicht wäre es sinnvoller, das Thema zu wechseln.

Autor: Thomas Hierlinger (thomyman)
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Professor schrieb:
> Warum suchst Du Dir nicht an der Uni einfach einen Elektrotechniker oder
> hörst ein paar passende Vorlesungen dazu? Es kann doch nicht sein, dass
> Du so eine Aufgabe gestellt bekommst und dann der Dumme bist. Hat Dein
> Betreuer überhaupt Ahnung von der Aufgabenstellung, die er Dir gegeben
> hat, ich vermute mal, dass das nicht der Fall ist. Und eigentlich ist
> die Zeit für die Diplomarbeit zu knapp, um Dich jetzt mit sowas zu
> befassen. Vielleicht wäre es sinnvoller, das Thema zu wechseln.

Mal ganz ruhig bleiben. Es ist ja nicht so, dass es so ein Einrad noch 
nie gab. Jedoch wollen wir es mit einem anderen Ansatz (Motor) 
versuchen. Dass der Regler dazu nicht passt, ist nicht seine Schuld, 
sondern unserer aller Unerfahrenheit geschuldet. Die Aufgabenstellung 
kommt auch nicht von ihm, sondern vom Industriepartner (wobei das wieder 
ne ganz andere Geschichte ist).
Im Notfall nehmen wir, wie oben schon geschrieben, ein vorgefertigtes 
Modul und einen Hubmotor (mit dem geht's dann sicher). Nur wollen wir 
eben was neues/anderes machen. Wenn das nicht klappt, auch ok. Vorher 
müssen wir es eben probieren.
Und zu einem E-Techniker werde ich auch noch gehen, nur hab ich gerne 
mehrere Meinungen bzw. eigne mir auch ganz gerne Sachen selber an.

Gruß Thomas

Autor: Hauspapa (Gast)
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Also ich lehne mich mal aus dem Fenster und sag das ist machbar.
Die Motorsteuerung frisst alle 20ms einen neuen Sollwert ( 
http://www.rn-wissen.de/index.php/Servos ). Wenn sie gut gemacht ist 
sogar noch häufiger vorausgesetzt man bietet Ihr einen Puls an.
Das Ding sollte in 100ms nicht von alleine umgefallen sein. Das sollte 
reichen.

Der Standard Modellbauregler frisst den Puls und macht eine PWM draus. 
Klemmenspannung ist proportional zur Motordrehzahl im Leerlauf. Die 
Motordrehzahl ist korrekt gesteuert und nicht geregelt. 
Selbstverständlich bricht sie unter Belastung ein. Um 20% vielleicht, je 
nach Qualität von Motor und Akkus. Einbrechende Akkuspannung liesse sich 
allerdings im übergeordneten System kompensieren. Letztlich verkraftet 
der Regelkreis diese Änderung der Regelstrecke.

Eine Drehzahlregelung halte ich in diesem Fall für sehr viel leichter 
stabil zu kriegen als eine drehmomentbasierte Geschichte. Im Drehmoment 
steckt das Fahrergewicht mit drin, das Verhalten der Regelstrecke ändert 
sich drastisch mit dem Fahrergewicht. Beim Drehzahlregler kürzt sich das 
Gewicht heraus, das Führungsverhalten der Regelstrecke ist weitgehend 
konstant.

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