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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schwebende Kugel


Autor: Thomas (Gast)
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Hallo!

Ich möchte die schwebende Kugel analog nachbauen (ich nehme an das 
Projekt kennen die meisten). Allerdings habe ich mit Regelungstechnik 
bis jetzt keine Erfahrung gemacht, das Projekt soll vor allem dem 
Erfahrung-Sammeln dienen. Die Frage die ich habe: Welcher Reglertyp ist 
dafür geeignet? Zur Auswahl stehen ja P, I, D, PI, PD, ID und PID 
Regler. Nur welchen Typ benötige ich?
Auch beim Bau der Spule tue ich mir auch noch schwer, bis jetzt habe ich 
230 Windungen Kupferlackdraht auf ein Installationsrohr gewickelt 
(Drahtdurchmesser 0,6mm, Rohrdurchmesser ca. 14mm) aber die Spule ist 
viel zu schwach um etwas damit anzuheben. Soll ich den Strom erhöhen 
(was einen dickeren Draht bedeuten würde) oder die Windungszahl 
vergrößern (in welchem Bereich sollte ich da ansetzen)?

Fertige Projekte kenne ich, allerdings möchte ich von der Schaltung bis 
zur Spule das ganze Projekt selber entwickeln.

Autor: Thomas S. (tsalzer)
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>Fertige Projekte kenne ich, allerdings möchte ich von der Schaltung bis
>zur Spule das ganze Projekt selber entwickeln.

Sehr löblich! Dann mach das und stelle hinterher das Ergebnis aus, statt 
Fragen zu dem Projekt zu stellen?

guude
ts

Autor: Paul (Gast)
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In der Elektor gab es ein solches Projekt. Dort wurde die Spule auf 
einen Ferritkern gewickelt. Habe ich auch gemacht und funktioniert 
prima. Wieviel Windungen hängt jetzt von deiner Spannung ab und dem 
Strom, den du fließen lassen kannst. Als Regler reicht ein PD Regler 
aus. Habe es auch analog aufgebaut. Die Reglerparameter mußt du 
experimentel bestimmen, da du die strecke mit schwebendem Teil ja 
schlecht ausmessen kannst.

also viel Glück Paul

Autor: Conlost (Gast)
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Das war hier schon einmal.

Beitrag "Schwebende Kugel"

Autor: avr (Gast)
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Hallo Thomas,

was den Regler angeht kannst du hier die Grundlagen studieren:

http://www.rn-wissen.de/index.php/Regelungstechnik

Aber das wird nicht helfen bei einem Installationsrohr.

Rate mal warum all von Kern und nicht von Rohr reden?

Oder lese es nach:

http://www.elektroniktutor.de/grundlg/m_kurve.html

avr

Autor: holger (Gast)
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Meine schwebende Kugel bestand aus Phototransistor, Glühbirne,
und einer handvoll Transistoren. Ein Poti zum regeln
der Stromverstärkung. Elektromagnet mit M-Kern.

Thats it!

10er Maulschlüssel schwebte auch ;)

Autor: Thomas (Gast)
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Danke für die Antworten. Mir ist nicht ganz klar warum hier nur ein 
PD-Regler nötig ist. Schließlich bleibt beim PD-Regler ja immer eine 
gewisse Regelabweichung übrig, was ja bedeuten würde, die Kugel würde 
die Höhe nicht halten können. Irgendwie dachte ich, dass der I-Anteil 
hier wichtig wäre damit die Kugel ihre Lage halten kann...

Wegen der Spule: Wie konnte ich nur so blöd sein und den Kern vergessen 
:(

Mir stellt sich eher die Frage, wieviele Windungen ich UNGEFÄR brauche 
damit ich nicht 100 Spulen wickeln muss bis ich auf was passendes 
treffe. Wie die Spule am Schluss aussieht wird sich irgendwann ergeben.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Thomas schrieb:
> Schließlich bleibt beim PD-Regler ja immer eine
> gewisse Regelabweichung übrig, was ja bedeuten würde, die Kugel würde
> die Höhe nicht halten können.

Nein, nicht ganz:
Die Regelabweichung heißt nicht, dass der die Höhe konstant abnimmt, 
sondern dass die Kugel etwas weiter unten hängt als der Regler es 
versucht auszuregeln. Aber dies kann man ja kompensieren indem man die 
Position der Lichtschranke höher anbringt.

Autor: Thomas (Gast)
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Das meinte ich ja. Wenn jetzt aber durch Fremdeinfluss die Kugel sinkt 
(weil ich sie z.B. nach unten puste) dann versucht der Regler diesen 
Fehler auszugleichen, kann dies aber nicht ganz -> die Kugel ist tiefer.
Wenn ich jetzt aufhöre zu blasen, hmm ja was passiert dann? Steigt die 
Kugel dann wieder auf den ursprünglichen Sollwert?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ja, dann geht sie wieder nach oben.

Autor: Thomas (Gast)
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Ok, dann habe ich das jetzt richtig verstanden. Der D-Anteil ist in dem 
Fall dafür da, um dafür zu sorgen, dass der Regler schell genug 
arbeitet, um Schwankungen auszugleichen oder? Sonst würde z.B. die Kugel 
"abstürtzen" bevor der Regler den Strom erhöht hat.

Autor: Georg A. (Gast)
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Die schwebende Kugel, die ich kenne (Erdkugelform), schwingt. Hörbar am 
nervenden Fiepen, das lauter wird, wenn man die Kugel durch Blasen etwas 
auslenkt. Die Regelung läuft aber ohne optischen Sensor, sondern durch 
zwei Magneten, die in den "Polen" der Kugel stecken. Der Fangbereich ist 
aber auch recht klein (so 1-2mm), es ist eine ziemliche Fummelei, die 
Kugel wieder zum Schweben zu bringen. Entweder fällt sie runter, oder 
der Magnet pappt sich oben an...

Autor: Paul (Gast)
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>Das war hier schon einmal.

>Beitrag "Schwebende Kugel"

Mit dem Lesen diese Treads ist man erstmal beschäftigt. Aber Anregungen 
gibts zu hauf. Bei der Spule würde ich zur Elektorlösung greifen. Also 
mit Ferritstab. Gibts bei Conrad Länge ca. 7cm.

Autor: Thomas (Gast)
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Gibt es eigentlich Formeln für das berechnen von Elektromagneten? Ich 
habe bis jetzt kaum etwas gefunden, womit ich die Kraft berechnen kann, 
die ein Elektromagnet auf einen Körper wirken lässt. Größen wie 
Flussdichte, Feldstärke etc. sagen mir schon was, aber die bringen mich 
hier nicht wirklich weiter.

Autor: Paul (Gast)
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Hast du den anderen Thread gelesen? Dort wird sich über eine solche 
Fragestellung 1000fach ausgelassen. Eine gute Antwort findet man aber 
nicht. Welchen Strom und welche Spannung hast du? Drahtstärke noch 
beachten und dann einfach wickeln und austesten. Im Netz gibt es 
genügend Bilder solcher Spulen. Da kann man ungefähr abschätzen wie groß 
die Spule sein muß. Habe Schrauben gesehen, die als Kern verwendet 
wurden. Probier es aus anstatt dich in der Theorie zu verfangen!!!

Autor: Thomas (Gast)
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Ja ich habe den anderen Thread gelesen. Ich habe auch nicht vor die 
Spule zu berechen, dass werde ich einfach ausprobieren und mich 
herantasten. Mich interessiert die Theorie und die Mathematik dahinter 
eben auch.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Die Anzahl an Windungen hängt davon ab, wie viel Strom du hast:
Verdoppelst du die Anzahl an Windungen, erreichst du mit dem halben 
Strom das gleiche Magnetfeld. Damit die Windungen den gleichen Platz wie 
vorher einnehmen, muss man den Querschnitt halbieren, was den Widerstand 
vervierfacht (verdoppelt wegen dem halben Querschnitt und nochmal 
verdoppelt wegen doppelt soviel Windungen). Die Verluste im Draht sind 
daher bei beiden Spulen gleich.
Mit der Anzahl an Windungen kann man also eigentlich nur zwischen hohem 
Strom und wenig Spannungsabfall oder geringem Strom und hohen 
Spannungsabfall wählen, also die Spule an die Betriebsspannung anpassen.

Autor: Thomas S. (tsalzer)
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Also....

>Größen wie
>Flussdichte, Feldstärke etc. sagen mir schon was, aber die bringen mich
>hier nicht wirklich weiter.

>Mich interessiert die Theorie und die Mathematik dahinter
>eben auch.


>Fertige Projekte kenne ich, allerdings möchte ich von der Schaltung bis
>zur Spule das ganze Projekt selber entwickeln.


Wie passt das denn zusammen?

Na ja, dann mach mal eine schöne komplette Eigenentwicklung!

guude
ts

Autor: Thomas (Gast)
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>Also....

>>Größen wie
>>Flussdichte, Feldstärke etc. sagen mir schon was, aber die bringen mich
>>hier nicht wirklich weiter.

>>Mich interessiert die Theorie und die Mathematik dahinter
>>eben auch.


>>Fertige Projekte kenne ich, allerdings möchte ich von der Schaltung bis
>>zur Spule das ganze Projekt selber entwickeln.


>Wie passt das denn zusammen?

>Na ja, dann mach mal eine schöne komplette Eigenentwicklung!

Bevor ich beginne darf ich mich aber schon mit dem Thema auseinander 
setzen oder? Ich will das Projekt alleine verwirklichen, aber mit den 
Grundlagen und der Theroie dahinter werde ich mich wohl befassen dürfen. 
Was ich nicht will sind fertige Schaltungen oder komplette Spulendaten, 
die ich nur noch nachbauen muss. Aber ob ich im Bereich 10 Windungen 
oder 50000 Windungen bei der Spule liegen sollte wäre doch gut zu wissen 
und hat mit fertigen Plänen relativ wenig zu tun.

Für die die es interessiert: Ich habe einige Spulen ausprobiert und 
werde in den nächsten Tagen einen Eisenzylinder mit 25mm Durchmesser 
besorgen (als Kern). Darauf wickle ich 2000 Windungen Kupferlackdraht 
(0.5mm Durchmesser) und werde einfach schauen wo ich lande. Ich rechne 
dabei mit Strömen um 1A an 30V.

Autor: Thomas (Gast)
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So nach längerer Zeit muss ich mich wieder melden.

Ich habe inzwischen eine Fehlschläge hinter mit, aber die Kugel will 
einfach nicht schweben. Entweder sie klebt an der Spule, stürtzt ab oder 
sie hüpft und der Spule auf und ab wenn man sie von unten "stütz" und 
stürtzt ab wenn man die Hand wegnimmt.

Als Kugel dient eine Eisenkugel mit 33mm Durchmesser. Für die Spule habe 
ich 250m Kupferdraht (0,5mm Durchmesser) auf einen Eisenkern mit 30mm 
Durchmesser gewickelt, wieviele Windungen das sind konnte ich nicht 
mitzählen. An 30V nimmt sie einen Strom von 1A auf.

Die Schaltung befindet sich im Anhang, aber ich vermute dass ich sie 
ziehmlich vermurkst habe, es ist auch der erste Regler den ich baue.

Der Fotowiderstand hat bei der stärksten Ausleuchtung einen Widerstand 
von 1.2K, bei Dunkelheit über 390K. Wenn die Kugel an der gewünschten 
Stelle schwebt, sollte er ca. 10K haben. Typ: A1060

Könnte jemand mal über die Schaltung schauen und sagen ob sie 
grundsätzlich falsch ist oder ob nur die Werte falsch dimensioniert 
sind?

Ich hoffe es sind alle nötigen Informationen da, ich kann auch Bilder 
vom Versuchsaufbau posten.

Autor: doc (Gast)
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Ein Fotowiderstand wird einfach viel zu langsam sein.
Ich vermute, eine ganz einfache Lösung wäre eine einfache Lichtschranke 
mit Fototransitor.

Strahl unterbrochen: Elektromagnet aus.
Strahl nicht unterbrochen: Elektromagnet an.

Autor: Thomas (Gast)
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Das mit der Lichtschranke habe ich auch schon gesehen. Mir wäre die 
Lösung aber lieber, vor allem schon desshalb weil ich keinen 
Fototransistor habe...

Was ist mit der Schaltung? Ist die zumindest vom Prinzip her richtig?

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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BCY79 oder 2N2222 den Metalldeckel abfeilen, schon hast du einen 
Fototransistor ;)
Früher in der Elektor hatten sie nen 2N3055 genommen, der hat so einen 
riesigen Chip dass er besonders gut ist...

Autor: Fritz (Gast)
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Verwende eine Solarzelle als Sensor.

1. Durch die große Fläche kann ein Höhenunterschied festgestellt werden.
Bei einem Fototransitor, der Ein und Aus schaltet ist das Differenzieren 
schlecht nmöglich.
2. Die Solarzelle ist schnell genug.

PD-Regler:
auf die Kugel wirkt eine Kraft. Nach unten die Erdanziehung, nach oben 
der Magnet. F = m *a. Da aber der Ort der Kugel ausgeregelt wird ist 
eine zweimalige Integration von a wiksam. Zwei Integratoren haben aber 
180 Grad Phasendrehung und die Kugel schwingt.
Lösung: Phasenanhebung mit PD Regler.


Noch ein Tip:
Die Lichtschranke über der Kugel anordnen. Als Lichtquelle empfehle ich 
eine Taschenlampen- Birne mit Linse. Im Betriebsfall soll die Solarzelle 
halb beleuchtet werden. Dann kann die Abweichung nach oben und unten 
erkannt werden.(wie  schon oben erwähnt)

Autor: Thomas (Gast)
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In dem Fall werde ich es mit einer Solarzelle ausprobieren, mal schauen 
wo ich die auf die schnelle auftreiben kann.

Als Lichtquelle verwende ich eine 2,5W Glühbirne, die in einem Alurohr 
auf die Kugel leuchtet. Der Fotowiderstand ist ebenfalls in einem 
Stückchen Rohr untergebracht und sollte das Licht, das über der Kugel 
vorbeigeht einfangen. Würde die Kugel nach oben gehen sollte es dunkler 
werden, wenn sie nach unten geht heller. Wenn ich die Kugel von Hand 
halte und den Ohmwert des Fotowiderstandes messe stimmt das auch, aber 
die Widerstandsänderungen sind meiner Meinung nach recht extrem (wenn 
die Kugel fast am Magneten steht, kann der Widerstand schon um die 
100KOhm liegen).


>PD-Regler:
>auf die Kugel wirkt eine Kraft. Nach unten die Erdanziehung, nach oben
>der Magnet. F = m *a. Da aber der Ort der Kugel ausgeregelt wird ist
>eine zweimalige Integration von a wiksam. Zwei Integratoren haben aber
>180 Grad Phasendrehung und die Kugel schwingt.
>Lösung: Phasenanhebung mit PD Regler.


Das habe ich ja gemacht, das sollte der Kondensator mit 39nF bewirken. 
Ist der zu klein?

Autor: Fritz (Gast)
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+
PD Regler ist im Prinzip richtig aufgebaut.

+
Auch die Endstufe, die einen Strom ausgibt verhindert, dass die 
Zeitkonstante der Spule (L/R) wirkt.

+
Rohr an Lichtquelle und Sensor gegen Streulicht

Als Alternative zur Solarzelle könnte man eine BPW34 mit Sammellinse 
verwenden. Jedenfalls nuss, falls man die Kugel mit der Hand auf- und 
abbewegt ein stetiges Analogsignal zu messen sein.

Wie oben erwähnt - Transistor schaltet ein- bzw aus wird nicht gehen. 
Man könnte einen PD Regler wie oben aufbauen und danach ein PWM 
ausgeben.

Autor: Thomas (Gast)
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Ich habe den Fotowiderstand jetzt durch eine Solarzelle ausgetauscht 
(6x8cm was kleineres habe ich nicht). Die untere Hälfte wird durch 
Klebeband abgedeckt. Die Spannung an der Zelle schwankt zwischen 2,1V 
wenn die Kugel fehlt und 2,9V wenn die Kugel am oberen Ende angelangt 
ist.
Bei 2,3V wäre die Optimale Schwebeposition erreicht.

Auch den Regler habe ich komplett erneuert (siehe Anhang). Es ist mir 
inzwischen gelungen, eine Konservendose schweben zu lassen, allerdings 
ist das ganze ziehmlich unruhig und schwankt ständig auf und ab. Die 
Eisenkugel bringe ich weiterhin nur zum schwingen, nach ca 30s wird sie 
dann angezogen oder fällt zu Boden.

Der Regler ist recht kompliziert geworden, da könnte man sicher noch 
einiges Optimieren:

IC1A ist nur ein Impedanzwandler für die Solarzelle. IC1B zieht von den 
2,xV der Solarzelle 2V ab, somit bleibt ein Signal zwischen 0,1 und 0,9V 
für die Höhe der Kugel.

IC1C vergleicht den Sollwert des Spannungsteilers mit dem Istwert von 
IC1B, IC2A soll diese Signal so verstärken, das die Stromquelle, die 
IC1D darstellt bei 2,3V von der Solarzelle einen Strom von 800mA durch 
die Spule fließen lässt (die Aufgabe von IC1C und IC2A könnte 
wahrscheinlich auch ein OPV alleine übernehemen). C1 sollte dem P-Regler 
den D-Anteil bringen.

Kann man anhand dieser Beschreibung sagen, was ich ändern muss um das 
Schwingen der Objekte zu verhindern? C1 zu vergrößern?

Ich habe gestern 2h lang nur mit den ganzen Potis und unterschiedlichen 
Kapazitäten experementiert aber kein besseres Ergebnis erlangt.

Autor: was_is_mit_du (Gast)
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http://electronicdesign.com/Articles/Index.cfm?AD=...

Der Artikel über PID dürfte dir weiterhelfen.

Autor: max (Gast)
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Hallo,

bei deiner Schaltung wird die Spannung an der Solarzelle ausgewertet. 
Besser ist es den Strom der Solarzelle auszuwerten.
Lösung
a) Parallelwiderstnd zur Solarzelle
b) Strom der Solarzelle in Spannung umwandeln. z.b. OPV
R vom Ausgang au (-)
Solarzelle von (-) auf Masse
(+) auf Masse
(sollte diese Schaltung schwingen - 100pF zusätzlich in die Rückführung)


>> Kann man anhand dieser Beschreibung sagen, was ich ändern muss um das
>> Schwingen der Objekte zu verhindern? C1 zu vergrößern?

Ja , da man in der Schaltung P und D nicht getrennt einstellen kann.
Würde verschiedene C versuchen.



Vielleicht noch eine Empfehung zur Kugen:

Günsig ist eine Blechkugel. z.B. von einem Beistiftspitzer.

Oder Styropoor Kugel (besser noch Hohlkugel) und ein paar 
Beilagescheiben ankleben.

Können wir einmal ein Bild der Anordung sehen? Das motiviert uns doch.

Autor: Thomas (Gast)
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Ich habe den Artikel von was_is_mit_du gelesen, aber er hilft mir nicht 
wirklich weiter.


>Ja , da man in der Schaltung P und D nicht getrennt einstellen kann.
>Würde verschiedene C versuchen.


Habe ich ja gemacht, aber ich weiß nicht, in welcher Größenordnung die 
liegen sollten.

Ich werde jetzt mal statt der Spannung mit dem Strom regeln und den 
Regler eventuell nach dem Schema des Artikels aufbauen, wo man den P und 
D Teil getrennt einstellen kann.

Was ich auch mal wissen möchte ist, was es für Kenngrößen für solche 
Regler gibt. Wie "misst" man P, I und D Anteile?

Bilder vom Aufbau werde ich heute noch posten.

Autor: was_is_mit_du (Gast)
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>Ich werde jetzt mal statt der Spannung mit dem Strom regeln und den

Das ist auch ratsam, da du die Ordnung des Systems um einen 
Integratoranteil
verkleinerst.

>wo man den P und
>D Teil getrennt einstellen kann.

Das solltest du auf jeden Fall tun!

>Was ich auch mal wissen möchte ist, was es für Kenngrößen für solche
>Regler gibt. Wie "misst" man P, I und D Anteile?

Wirklich messen kanst du die Anteile nicht, eher mathematisch herleiten.


BTW: So eine Regelung ist eine ziemliche Herausforderung, und eine
stabile Regelung wirst du nur um einen kleinen Arbeitspunkt schaffen,
da das System massiv nichtlinear ist.

Eine bessere Regelung schaffst du dann nur noch mit Zustandsregler +
Zustandsbeobachter und Konsorten.

Autor: Fritz (Gast)
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Den P Anteil kann man sehr einfach beurteilen.

Kugel nach unten ziehen und Kraft  fühlen. Es soll ca doppelt soviel 
Kraft nötig sein, wie zum Aufheben.

Die nach oben ziehende Kraft soll nicht abruppt auftreten, sondern beim 
ziehen nach unten im Bereich von 2-3 mm kontinuierlich ansteigen. Danach 
ist der D Anteil zu finden.

Autor: Thomas (Gast)
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Hier sind die Bilder vom Aufbau. Da das alles erst das Versuchsstadium 
ist, sieht es recht wild aus.

Den Regler habe ich bis jetzt noch nicht verändert, außer dass ich dem 
Kondensator (C1) einen 10K Widerstand in Reihe und dem 100K Widerstand 
(R12) einen 1nF Kondensator parallel geschaltet habe. Die Kapazität von 
C1 ist 339nF. Die Idee mit dem Widerstand und dem zusätzlichen 
Kondensator kommt aus dem oberen Artikel.

Seither scheint die Konservendose ruhiger zu schweben und es ist mir 
gelungen, die Kugel schweben zu lassen. Allerdings gib es bei der Kugel 
ein anderes Problem: Sie schwingt nicht nur auf und ab, sondern links 
und rechts aus dem Lichtkegel des Lampe und wird dann angezogen. Dafür 
wird aber ein Vergrößern des Lichtkegels helfen.

Autor: Thomas (Gast)
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@Fritz: ich meinte eigentlich eine mathematische Beurteilung von P, D 
und I Anteil. Mich würde die Theorie und die Mathematik hinter 
Regelschaltungen auch interessieren.


@was_ist_mit_du:

>>Ich werde jetzt mal statt der Spannung mit dem Strom regeln und den

>Das ist auch ratsam, da du die Ordnung des Systems um einen
>Integratoranteil
>verkleinerst.

Wie das? Kannst du das etwas genauer erklären?

Autor: was_is_mit_du (Gast)
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>@was_ist_mit_du:
>
>>>Ich werde jetzt mal statt der Spannung mit dem Strom regeln und den
>
>>Das ist auch ratsam, da du die Ordnung des Systems um einen
>>Integratoranteil
>>verkleinerst.
>
>Wie das? Kannst du das etwas genauer erklären?

Die Größe, die du regeln willst ist der Strom in der Spule,
da ja die magnetische Feldstärke proportional zum Strom ist.
Die Spannung an der Spule hat darauf nur eine indirekte
Auswirkung:

An der Induktivität gilt: u(t) = L*di/dt
Integriert man auf beiden Seiten: i(t) = (1/L)*(Integral(u(t)) + i(t=0)

>Mich würde die Theorie und die Mathematik hinter
>Regelschaltungen auch interessieren.

Hmmm... meistens kommt man mit Standard Einstellregeln ohne
Mathematik schon recht weit ->siehe Ziegler-Nichols,...

Wenn du's mathematisch herleiten willst, musst dir zuerst ein 
mathematisches Modell im "Zustandsraum" basteln.
Da dein System so schön nichtlinear ist kommt als nächstes die
Linearisierung in einem Arbeitpunkt und du hast ein LTI
(linear time invariant) Modell. Mit Hilfe dieses Modells kannst dann
wieder Standardmethoden drauf anwenden (Bodediagramme, Wurzelortskurven,
........)

Autor: Thomas (Gast)
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>>>>Ich werde jetzt mal statt der Spannung mit dem Strom regeln und den
>>
>>>Das ist auch ratsam, da du die Ordnung des Systems um einen
>>>Integratoranteil
>>>verkleinerst.
>>
>>Wie das? Kannst du das etwas genauer erklären?

>Die Größe, die du regeln willst ist der Strom in der Spule,
>da ja die magnetische Feldstärke proportional zum Strom ist.
>Die Spannung an der Spule hat darauf nur eine indirekte
>Auswirkung:

>An der Induktivität gilt: u(t) = L*di/dt
>Integriert man auf beiden Seiten: i(t) = (1/L)*(Integral(u(t)) + i(t=0)

Das leuchtet mir zwar ein, aber das ist doch eher ein Grund dafür, das 
ich den Strom durch die Spule regle und das mache ich ja schon. Mir geht 
es darum, ob ich die Spannung an der Solarzelle oder den Strom durch die 
Solarzelle als Istwert nehmen soll.

Autor: Fritz (Gast)
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Anbei eine Simulation.



>> Allerdings gib es bei der Kugel
>>ein anderes Problem: Sie schwingt nicht nur auf und ab, sondern links
>>und rechts aus dem Lichtkegel des Lampe und wird dann angezogen.

Das liegt an der Form des Eisenkerns der Spule. Sollte für kleine Kugeln 
etwas zugespitz sein.

PS
Das Objekt (Kugel) soll einen scharfen Schatten auf die Solarzelle 
werfen.
Gegebenfalls die Schraubenmutter oben mit schwarzer Farbe anstreichen um 
Reflexionen zu vermeiden.

Autor: Fritz (Gast)
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  • preview image for P.PNG
    P.PNG
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Vielleicht noch eine Anmerkung:

An der mit dem Pfeil gekennzeichneten Stelle dürfte kein Licht sein.
Kommt vielleicht von oben ein reflektiertes Licht?

Autor: Thomas (Gast)
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Ja das ist gut möglich. Ich baue gerade den Regler um, damit ich P und 
D-Anteil einzeln beinflussen kann. Um die Reflexionen kümmere ich mich 
nachher.

Das mit dem Strom durch die Zelle werde ich nicht machen. Es fließen 
27µA durch die Zelle und das Signal ist viel schlechter auszuwerten, da 
die 27µA sich kaum änderen, bis die Kugel viel zu weit oben ist und der 
Wert abrupt abfällt.

Autor: Fritz (Gast)
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Noch eine Frage:

Bei der Solarzelle sind im Bild "Querstriche erkennbar". Sind das 
vielleicht 3 Solarzellen in Serie wie von einem Taschenrechner?

Falls ja -> gibt das ein Problem

Autor: Thomas (Gast)
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Ja das könnte durchaus sein. Durch das Glas kann man auch erkennen, das 
die Schicht die meiner Meinung nach das Halbleitermaterial ist bei jedem 
Strich getrennt ist. Würde es helfen die Zelle um 90° zu drehen?

Autor: Fritz (Gast)
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Eine Drehung um 90 Grad würüde schon helfen.

Würde aber einen Widerstand parallel schalten.
Wert: Bei Vollbeleuchtung, als ohne Kugel, soll ca. 0,5 Volt von der 
Solarzelle ein. ( Schätze 100- 1000 Ohm )

Günstiger währe eine 1 Elemet- Solarzelle.

Autor: Thomas (Gast)
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Werde ich machen. Allerdings stehe ich hier langsam vor einer Wand. Ich 
habe zig Widerstände zu bestimmen und habe keine Ahnung, wo man hier 
anfangen soll. Das beste Ergebnis sind immer nur hüpfende Gegenstände. 
Wie beginnt man denn bei so einem Regler die Bauteilwerte zu bestimmen? 
Die hälfte aller Widerstände habe ich hier als Trimmer ausgeführt, ich 
kann ja schlecht herumprobieren, bis es per Zufall endlich funkioniert. 
Das gleiche gilt für die Kondensatoren, ich habe keine Ahnung ob ich 1nF 
oder 10µF verwenden soll.

Autor: Fritz (Gast)
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Werde morgen versuchen das im Sinne der Reglungstechnik aufzuschreiben.

Autor: Thomas (Gast)
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Versuche werden für heute eingestellt. Die Solarzelle hat ihren Minuspol 
verloren und ist unbrauchbar. Gute nacht :(

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Fritz (Gast)

>      P.PNG      634,1 KB, 19 Downloads

>Vielleicht noch eine Anmerkung:

Ja, das Wort zum Sonntag:

Du sollst die Bildformate achten, sprach der Herr.

MFG
Falk

Autor: Thomas (Gast)
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Ja ich weiß ich habe gesündigt. Aber Bilder sind etwas von dem ich 
absolut keine Ahnung habe und wie ich ein 2,2MB Bild auf die schnelle 
mit Paint (was anderes habe ich nicht) verkleinern soll weiß ich nicht, 
ich habe nichts in dem Programm gefunden wie ich das anstellen könnte 
außer das Bild zu verkleinern (was ich gemacht habe). Jetzt sind es 
wenigstens nur noch 800KB statt 2,2MB.

Autor: Thomas (Gast)
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Ich habe die Solarzelle notdürftig geflickt. Nun versuche ich es mit der 
Schaltung im Anhang, mit welcher ich P und D Anteil getrennt einstellen 
kann.

Aber zu mehr wie hüpfenden Büchsen bringe ich es wieder nicht.

Spannung aus der Solarzelle liegt zwischen 1,7 und 2,3V.

Kann mir jemand erklären wo ich anfangen muss? Es muss doch Ansatzpunkte 
geben um den Regler Stück für Stück einzustellen. Vom ewigen Potiwerte 
herumprobieren habe ich die Nase voll, das führt ja zu gar nichts.

Autor: doc (Gast)
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Hast du mal die Version mit der Lichtschranke (Phototransistor) versucht 
?
Da hüpft nix. Ist allerdings ohne Regler.

Aber dadurch, daß sehr schnell ein/ausgeschaltet wird, bewegt sich das 
Objekt immer genau an der"Schaltschwelle" der Lichtschranke.

Autor: Thomas (Gast)
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Nein habe ich nicht weil ich keinen Fototransistor habe und eigentlich 
mit dem Projekt in das Thema Regler einsteigen wollte.

Autor: Thomas (Gast)
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Könnte nicht jemand ein paar Erfahrungswerte posten wie ich jetzt 
weitermache? Ich komme nach wie vor nicht weiter, ich weiß nicht welche 
Bauteilwerte hier angebracht sind und nicht wie ich den Regler anfangen 
könnte einzustellen. Inzwischen habe ich auch fertige Schaltungen aus 
dem Internet ausprobiert, aber die funktionieren auch nicht, weil ich ja 
nicht die gleiche Spule und Fotozelle habe.

Autor: Franz (Gast)
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Eine schwebende Kugel gibts auch bei Conrad.

1. Die Kugel ist federleicht und hat einen Permanentmagnet.
Dadurch kann ein großer Abstand zum Magneten realisiert werden.

2. Die Höhenmessung erfolgt über ein Hall-Element auf der Oberseite der 
Spule.

Autor: Hans (Gast)
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Regelungstechnischer  Ansat:

Alle Funktionen werden in erster Näherung als linear betrachtet.

Übertragungsfunktione der Spule und der Endstufe:
Die Spule zieht einen Strom von 1 Volt/50 , wobei u die Spannung an der 
Endstufe ist.
Geht man von einem Gewicht der Kugel von 50 g aus und ermittelt 
(aufgrund der Wicklungen und Kernform des Magneten)  einem stabilen 
Abstand  bei 0,2A, so ist die Übertragungsfunktion 0,5N/0,2A.
Multipliziert man diese zwei Übertragungsfunktionen, erhält man für 
Endstufe und Magnet H_ = 0,05N/Volt  (also Kraft/Volt)

Geht man beim Sensor von einem Empfindlichkeitsbereich von  10 Volt bei 
1 cm aus, ist das
H_sensor = 1000 Volt/m

In der Regelstrecke wird zweimal integriert, da F = m*a ist, ist
a=F/Masse
Die Kraft wird vom Magneten  und der Erdanziehung bewirkt. In der 
Schleife ist im Vorwärtsweg also ein
H von   1/s * 1/s * 0,05N/Volt   /0,05kg *H_regler

Geht man von einem Phasenanhebenden PD Regler aus, ist im 
Vorwärtsbereich
1/s * 1/s  *0,05N/Volt  /0,05kg  * (A + sB)

In der Rückführung ist die Übertragungsfunktion des Sensors. Die gesamte 
Übertragungsfunktion ist v’ = v/(1 +k*v)

Betrachtet man den Nenner, erhält man 1 + 1/s * 1/s *0,05N/Volt  /0,05kg 
* (A + sB) * 1000 Volt/m

Multipliziert man den Nenner mit s*s , verschwindet der Doppelbruch und 
das Polynom zweiter Ordnung ist:
s*s +s*B*1000 + A*100

Falls dieses Polynom keine imaginäre Nullstelle hat, gibt es keinen 
Überschwinger. Also muss (B*500)*(B*500) > A*1000 sein. Das ist die 
Dimensionierung der PD Reglers.

Falls man B etwas kleiner, gibt es beim Ausregeln einen Überschwinger. 
Das führt zu einem rascheren Regelvorgang.

Autor: juppi (Gast)
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Als ich mit diesen Teil erstmalig experimentiert habe,
waren das nur Zahlen und Buchstaben.
Jetzt sind es wenigstens Formeln und Gleichungen..............

Autor: Thomas (Gast)
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Also ich habe mir Mühe gegeben das zu verstehen, aber das ist mir jetzt 
doch wieder zu hoch.

>Die Spule zieht einen Strom von 1 Volt/50 , wobei u die Spannung an der
>Endstufe ist.

Was meinst du damit? Warum wird hier durch 50 dividiert?

Ich weiß auch nicht, was die Variabeln für Bedeutung haben. Was ist s, 
was sind A und B und wo kommt diese Differenzialgleichung
v’ = v/(1 +k*v) her?

Wenn ich ein Quelle hätte wo ich das alles nachlesen könnte würde ich es 
machen, aber so einfach scheint mir das Thema nicht zu sein und wirklich 
brauchbare Ergebnisse finde ich auch nicht.

Ich bin bis jetzt so vorgegangen:

Die Solarzelle liefert eine Spannung von 1,7 bis 2,3 Volt. Ich habe das 
Signal durch einen Impedanzwandler geschickt und dann 1,7 Volt abgezogen 
(IC1C und IC1D in obigem Schaltplan). Somit habe ich ein Signal zwischen 
0 Volt (Die Kugel klebt an der Spule) und 0,6 Volt (Die Kugel ist 
abgestürzt). Dann wurde das Signal verstärkt (IC1A), damit es im Bereich 
zwischen 0 und 5 Volt liegt. Ich habe die Kugel von Hand gehalten und 
festgestellt, das beim gewünschten Abstand von ca. 7mm unter der Spule 
eine spannung von 3 Volt am Ausgang des Verstärkers anliegt.

Dann wurde das Signal auf 2 OPVs aufgeteilt: IC1B sollte den P-Anteil 
liefern und vom Signal den Sollwert abziehen. IC2D sollte den D-Anteil 
liefern.

Dann wurden die beiden Signale über die beiden 5K Widerstände addiert 
und auf den Stromregler gegeben.

Beim Einstellen ging ich so vor:

Bei einem Abstand von 7mm unter der Spule muss durch die Spule ein Strom 
von ca. 600mA fließen (bei diesem Strom spürt man das Gewicht der Kugel 
nicht mehr, wenn man sie in der Hand hält und sie ist kurz davor, von 
der Spule angezogen zu werden). Ich habe das Poti am Ausgang des 
D-Anteils auf Null gestellt und bei einer Eingangsspannung des Reglers 
von 3 Volt
mit dem P-Regler und dem Sollwert einen Strom von 600mA durch die Spule 
eingestellt. Dann habe ich den D-Anteil dazugenommen und verschiedene 
Werte für die Widerstände und Kondensatoren am Regler durchprobiert.

Die Kugel hat ca. 80g.

Autor: Thomas (Gast)
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Kugel schwebt!!!

Nach mehreren Tagen probieren, Einstellversuchen und einem Tipp aus dem 
Internet (Das Signal der Solarzelle war verrauscht weil die Zelle 
offenbar sehr empfindlich ist, ein RC-Gleid mit 10K und 100nF hat 
Abhilfe geschafft) schwebt die Kugel nun gut 7mm unter der Spule, 
Ruhestrom ca. 700mA.

Ich war überrascht wie lange die Kugel im Magnetfeld rotieren kann wenn 
sie nur durch die Reibung an der Luft gebremst wird.

Die Kugel wiegt überigens keine 80g sondern 160g (warum ich 80g 
geschrieben habe weiß ich auch nicht mehr...

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