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Forum: Mechanik, Gehäuse, Werkzeug Kraftregelung Spindelhubgetriebe


Autor: MarkusMasching (Gast)
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Hallo zusammen,

für einen Versuch möchte einen Hubmotor mit Kraftregelung betreiben. 
Wegen der relativ hohen, quasi-statischen Kraft (und 
Platzbeschränkungen, etc.) läuft die Mechanik auf eine 
Trapezgewindestange mit Getriebe hinaus. Über eine Feder und 
Kraftmessdose (Feedback) wird dann die Kraft übertragen.
Diese Teile kann ich als Maschinenbauingenieur/Strukturmechaniker noch 
ordentlich auslegen. Schwerer fällt mir die zugehörige Elektronik, mit 
der Regelungstechnik habe ich kaum praktische Erfahrung, deshalb möchte 
ich hier um Hilfe fragen.

Welche Plattform würdet ihr für die Regelung empfehlen?
Habe von Berufswegen Erfahrung mit Python, bin aber offen für alle Hard- 
und Sofware (darf für Mehrwert ruhig auch etwas mehr kosten).
Welche Art der Regelung verwendet man dafür (Kaskadenregelung hatte ich 
mal gelernt, praktisch habe ich mich bisher nie damit beschäftigt.)?

Bei den (kleineren) kompletten Hubgetrieben ist meist ein 24V 
Gleichstrommotor verbaut, teilweise auch als Servomotor (mit Encoder). 
Der Motor wird abgesehen vom erstmaligen Aufbringen der Last vor allem 
gelegentliche kleinere langsame Bewegungen mit dem entsprechenden 
Anlaufdrehmoment machen müssen (grob überschlagen mit dicker Sicherheit 
2 Nm Anlaufdrehmoment, aus Losbrechmoment von Spindel+Getriebe unter 
Last). Ein entsprechender DC Motor (DC-Permanentmagnetmotor?) wäre mir 
eigentlich am liebsten, bei denen überblicke ich noch die Elektronik im 
Hintergrund.

Das ganze würde ich zunächst an einem kleineren System mit ca. 1,5 kN 
Zugkraft aufbauen, später wenn alles klappt auch mit deutlich höheren 
Kräften und einer zusätzlichen Getriebestufe um den Motor ähnlich zu 
belasten. Deshalb würde ich versuchen, dass zumindest die Elektronik und 
Regelungstechnik möglichst hochskalierbar ist.

Über Hilfe würde ich mich sehr freuen!

Viele Grüße

Markus

PS: Eine ähnliche Problemstellung findet sich hier: 
Beitrag "Spindel-Lageregelung - DC-Motor oder ASM"

: Verschoben durch Moderator
Autor: aSma>> (Gast)
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MarkusMasching schrieb:
> Welche Plattform würdet ihr für die Regelung empfehlen?

Matlab oder Xcos für Regler auslegen. µC kannst du eigentlich fast jeden 
nehmen. Nicht schlecht wäre es einen UART Schnittstelle zu haben, dann 
kannst du in Matlab/Xcos in "Echtzeit" deinen Regler auslegen.

Habt ihr D-Space im Labor?

Für eine Kraftregelung musst du erstmal den Strom messen, denn I~M.
Du willst es ja mit einer Kraftfeder machen? Male mal ein Bild, damit 
man dir folgen kann. Soll jetzt nur an der Endposition das gewünschte 
Moment anliegen?

MarkusMasching schrieb:
> Bei den (kleineren) kompletten Hubgetrieben ist meist ein 24V
> Gleichstrommotor verbaut, teilweise auch als Servomotor (mit Encoder).
> Der Motor wird abgesehen vom erstmaligen Aufbringen der Last vor allem
> gelegentliche kleinere langsame Bewegungen mit dem entsprechenden
> Anlaufdrehmoment machen müssen (grob überschlagen mit dicker Sicherheit
> 2 Nm Anlaufdrehmoment, aus Losbrechmoment von Spindel+Getriebe unter
> Last). Ein entsprechender DC Motor (DC-Permanentmagnetmotor?) wäre mir
> eigentlich am liebsten, bei denen überblicke ich noch die Elektronik im
> Hintergrund.

Ach, so. Du willst einen industriellen Hubmotor nachbauen. Du kannst 
jeden Motor nehmen nur rechnen musst du selber! Du willst ja uns 
nichtmal ein paar konkrete Zahlen nennen, dann kriegst du auch keine 
konkreten Antworten. Sowas wie: "langsame Geschwindigkeit, kleine 
Bewegung" gibt es im Kindergarten.

Fang an zu rechnen wie groß ist die Trägheit am Motor anliegend..., dann 
muss der Motor dieses Moment aufbringen und diese Leistung... Wie 
schnell soll sich der Motor drehen... Wie groß muss dann das Getriebe 
sein.

Eine Kaskadenregelung brauchst du, wenn du die Position + Drehmoment 
regeln willst. In Lutz Wendt werden gibt es ein paar Beispiele über 
Hub-Regelung. Nur weiß ich immer noch nicht wie es aussehen soll.

Autor: MarkusMasching (Gast)
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Hallo,
besten Dank für diesen kritischen Beitrag, ich hänge eine 
Übersichtszeichnung zum Aufbau an:
https://s22.postimg.org/59pabo0b5/Testing_Arrangement.png

Außerdem habe ich noch mit Simulink eine Skizze mit Funktionsblöcken 
gemacht wie ich es mir vorstelle:
https://s22.postimg.org/joqauspe9/Regler_Prinzip_Idee.png

Mir geht es vor allem darum, dass der Regler so Sinn macht und darum die 
richtige Hardware/Software zu verwenden.
Meine Schwierigkeit ist das Simulink Modell in eine tatsächliche 
funktionierende Regelung umzusetzen.

Falls hilfreich, hier trotzdem noch Zahlen zum angestrebten Aufbau (zur 
Übersicht, ich meine jetzt nicht, dass jemand den kompletten Regler für 
mich auslegen soll):
Max. Zugkraft: 1.5 kN
Spindelhubgetriebe mit Getriebeübersetzung 32:1
Gewindesteigung, Trapezgewinde: 16 mm
Max. Drehmoment motorseitig (Trägheitsmoment vernachlässigt, 
Losbrechmoment unter Last): 0,12 Nm
Verfahrweg 600 mm
Als maximale Verfahrgeschwindigkeit der Spindel 500mm/min beim Anfahren, 
entspricht mit den obigen Zahlen einer Eingangsdrehzahl von 1 U/min
Verfahrgeschwindigkeit im Versuch kann viel niedriger sein, etwa 50 
mm/min (entspricht 0.2 U/min am Motor)
Massenträgheitsmoment motorseitig: 0.8 kgcm^2 + Motorträgheitsmoment


aSma>> schrieb:
> Matlab oder Xcos für Regler auslegen. µC kannst du eigentlich fast jeden
> nehmen. Nicht schlecht wäre es einen UART Schnittstelle zu haben, dann
> kannst du in Matlab/Xcos in "Echtzeit" deinen Regler auslegen.
Als Plattform würde ich dann wohl ein Beaglebone Black verwenden, damit 
habe ich schon gearbeitet.

aSma>> schrieb:
> Habt ihr D-Space im Labor?
Nein, hab ich nicht.

aSma>> schrieb:
> Für eine Kraftregelung musst du erstmal den Strom messen, denn I~M.
> Du willst es ja mit einer Kraftfeder machen? Male mal ein Bild, damit
> man dir folgen kann. Soll jetzt nur an der Endposition das gewünschte
> Moment anliegen?
Genau, letztlich muss vor allem die Last an der Kraftmessdose stimmen.
Die Trapezgewindespindel ist selbsthemmend und verursacht ziemlich viel 
Reibung (und aus den Katalogen auch kaum zu quantifizieren). Dadurch 
muss der Motor nur gelegentlich anspringen, wenn sich die Kraft auf der 
Probe hinreichend geändert.
Wegen Reibung kann ich nicht über I~M gehen, daher über den Weg mit der 
Feder. Diese verrringert die Steifigkeit des Systems, sodass eine 
Positionsabweichung nur eine geringe Kraftänderung bewirkt.

aSma>> schrieb:
> Ach, so. Du willst einen industriellen Hubmotor nachbauen. Du kannst
> jeden Motor nehmen nur rechnen musst du selber! Du willst ja uns
> nichtmal ein paar konkrete Zahlen nennen, dann kriegst du auch keine
> konkreten Antworten. Sowas wie: "langsame Geschwindigkeit, kleine
> Bewegung" gibt es im Kindergarten.
Naja, nachbauen eigentlich nicht, wenn ich das Spindelhubgetriebe mit 
Motor und geeigneter Regelung als Gesamtpaket kriege, gerne!
Ist aber schwierig was passendes zu finden, vor allem später dann bei 
höherer Last.
Konkrete Zahlen habe ich oben nachgereicht.

aSma>> schrieb:
> Fang an zu rechnen wie groß ist die Trägheit am Motor anliegend..., dann
> muss der Motor dieses Moment aufbringen und diese Leistung... Wie
> schnell soll sich der Motor drehen... Wie groß muss dann das Getriebe
> sein.
Trägheiten dürften kaum eine Rolle spielen. Mit der Spindel ist 
standardmäßig die oben genannte 32:1 Getriebeübersetzung verbaut. 
Dadurch werden Motordrehzahl und -leistung ziemlich niedrig (max. 
1U/min, 0,12 Nm, 0,12 W, alles ohne Sicherheitsfaktoren). Eventuell eher 
ein Fall für einen Schrittmotor?

aSma>> schrieb:
> Eine Kaskadenregelung brauchst du, wenn du die Position + Drehmoment
> regeln willst. In Lutz Wendt werden gibt es ein paar Beispiele über
> Hub-Regelung.
Den Lutz/Wendt hole ich am Montag in der Bib ab.
Beispiele für die Kraftregelung von (quasi reibungsfreien) 
Kugelumlaufspindeln kenne ich aber. Der Unterschied ist, dass ich nicht 
direkt über Strom/Drehmoment gehen kann wegen Reibung. Mit einer 
Kugelumlaufspindel müsste der Motor durchgehend heizen, ohne dass sich 
an der Probe etwas ändert.


In der eigentlichen Kraftregelung habe ich nur einen P-Regler, sollte 
aber keine Probleme geben wegen Regelabweichung, oder?
Was ist die minnimale Drehzahl die man von einem permanenterregten 
DC-Motor guten Gewissens verlangen kann?


Viele Grüße
Markus

Autor: Thorsten Ostermann (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite
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Hallo Markus,


> für einen Versuch möchte einen Hubmotor mit Kraftregelung betreiben.
> Wegen der relativ hohen, quasi-statischen Kraft (und
> Platzbeschränkungen, etc.) läuft die Mechanik auf eine
> Trapezgewindestange mit Getriebe hinaus. Über eine Feder und
> Kraftmessdose (Feedback) wird dann die Kraft übertragen.

Warum Trapezgewinde und nicht Kugelrollspindel? Die hat einen deutlich 
besseren Wirkungsgrad, kein Spiel und weniger Losbrechmoment.

> Welche Plattform würdet ihr für die Regelung empfehlen?
> Habe von Berufswegen Erfahrung mit Python, bin aber offen für alle Hard-
> und Sofware (darf für Mehrwert ruhig auch etwas mehr kosten).
> Welche Art der Regelung verwendet man dafür (Kaskadenregelung hatte ich
> mal gelernt, praktisch habe ich mich bisher nie damit beschäftigt.)?

Wenn du in Phyton fit bist, könnten die Motorregler von miControl für 
dich intersant sein. Die kann man mit Phyton-Scripten frei programmieren 
("integrierte SPS") und dabei die in der Firmware vorhandenen Funktionen 
für die normale Kaskadenregelung (Position, Drehzahl und Strom) 
verwenden und konfigurieren. Die Geräte gibt es für DC-/BLDC- und 
Schrittmotoren.
http://www.mechapro.de/mcDSA.html
Ich habe damit für einen Kunden ein mobiles Testgerät für Schrittmotoren 
aufgebaut mit einem BLDC-Motor als Last. Gute Getriebemotoren bekommt 
man in der von dir angepeilten Drehmomentklasse von Dunker oder EBM 
Pabst.

> Bei den (kleineren) kompletten Hubgetrieben ist meist ein 24V
> Gleichstrommotor verbaut, teilweise auch als Servomotor (mit Encoder).

Bei BLDC-Motoren (bürstenlose DC-Motoren) reichen ggf. auch die ohnehin 
meist vorhandenen Hallsensoren.

> Das ganze würde ich zunächst an einem kleineren System mit ca. 1,5 kN
> Zugkraft aufbauen, später wenn alles klappt auch mit deutlich höheren
> Kräften und einer zusätzlichen Getriebestufe um den Motor ähnlich zu
> belasten. Deshalb würde ich versuchen, dass zumindest die Elektronik und
> Regelungstechnik möglichst hochskalierbar ist.

Das wäre mit den o.g. Geräten auf jeden Fall gegeben. Deutlich 
preiswerter als eine Matlab/Simulink Lizenz oder ein dSpace System ist 
das auch noch.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

Autor: aSma>> (Gast)
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Servus,

MarkusMasching schrieb:
> Mir geht es vor allem darum, dass der Regler so Sinn macht und darum die
> richtige Hardware/Software zu verwenden.
> Meine Schwierigkeit ist das Simulink Modell in eine tatsächliche
> funktionierende Regelung umzusetzen.

Eigentlich kommt die schnellere Strecke als Hilfsregelkreis. So wie du 
das machst hat es keinen Sinn. Wie soll hier phi verlaufen? Von 0-2pi 
oder durchgängig? Wenn phi immer größer wird, dann fkt. die Regelung 
nicht.
Eventuell könnte das aber mit der !Winkelgeschwindigkeit funktionieren.

Lageregelung verwendet man bei hohen Zeitkonstanten. Du kannst für den 
ersten Versuch nur die Kraftregelung mit einen PD (PID) Regler 
versuchen. Falls dir die Regelgüte nicht gefählt, dann Zustandsregelung 
(17.6.4 Kraftregelung an Arbeitsmaschninen) oder google force control 
oder s.o.
Du kannst dir auch PID-Regler mit Anti-Windup nach Aström angucken. 
Klappt zu 99%.

MarkusMasching schrieb:
> Wegen Reibung kann ich nicht über I~M gehen, daher über den Weg mit der
> Feder. Diese verrringert die Steifigkeit des Systems, sodass eine
> Positionsabweichung nur eine geringe Kraftänderung bewirkt.

Man kann alles kalibrieren. Den Sensor dazu hast du ja schon. Dann hast 
du durchgängig dein gewünschtes Moment.

MarkusMasching schrieb:
> Genau, letztlich muss vor allem die Last an der Kraftmessdose stimmen.
> Die Trapezgewindespindel ist selbsthemmend und verursacht ziemlich viel
> Reibung (und aus den Katalogen auch kaum zu quantifizieren).

Da gibt es Fausformeln oder googlen:
http://smarthost.maedler.de/datenblaetter/trapezgewinde.pdf
eta ist ca 0.47

MarkusMasching schrieb:
> Trägheiten dürften kaum eine Rolle spielen. Mit der Spindel ist
> standardmäßig die oben genannte 32:1 Getriebeübersetzung verbaut.
> Dadurch werden Motordrehzahl und -leistung ziemlich niedrig (max.
> 1U/min, 0,12 Nm, 0,12 W, alles ohne Sicherheitsfaktoren). Eventuell eher
> ein Fall für einen Schrittmotor?

> Als maximale Verfahrgeschwindigkeit der Spindel 500mm/min beim Anfahren,
> entspricht mit den obigen Zahlen einer Eingangsdrehzahl von 1 U/min
> Verfahrgeschwindigkeit im Versuch kann viel niedriger sein, etwa 50
> mm/min (entspricht 0.2 U/min am Motor)

Mitunter das wichtigste beim Motor auslegen. Motorträgheit anpassen 
usw...

Ich habe mal kurz nachgerechnet die Werte passen perfekt. Aber da noch 
Reibung und CO dazu kommen wird es eher eng. Ein DC Motor hat seinen 
größten Wirkungsgrad bei über 6000rmp. Bau ein größeres Getriebe rein. 
Beim Schrittmotor muss man wiederum erstmal rechnen. Eventuell kannst 
dir ein Getriebe sparen. Dann brauchst du einen Motor über 3Nm!

MarkusMasching schrieb:
> In der eigentlichen Kraftregelung habe ich nur einen P-Regler, sollte
> aber keine Probleme geben wegen Regelabweichung, oder?

Musst du testen. Bau ein paar Störgrößen rein und guck, ob diese 
ausgeregelt werden. Sonst inneren Kreis mit einen P-Regler(PI) mit einer 
hohen Verstärkung und Hauptregelkreis mit einen PI-Regler.

> Was ist die minnimale Drehzahl die man von einem permanenterregten
> DC-Motor guten Gewissens verlangen kann?

Motoren dürfen nicht heiß werden. Die max. Temp müsste in Datenblättern 
stehen.

Autor: Inkognito (Gast)
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Wird zwar nicht helfen, aber:
Warum soll man einem Maschinenbauingnieur mit Elektronik-Know-How
versorgen? Wäre es hier nicht sinnvoller jemanden, der dafür
ausgebildet ist, einzustellen oder zu beauftragen? Nichts dagegen,
wenn kleines Know-How als Hilfe zur Selbsthilfe weitergeben wird,
aber irgendwo muss auch mal ein Grenze sein, oder?
Die großen Beiträge zeigen den Trend leider zu offensichtlich.
Bei dem Gokart-Thread ist es anscheinend genauso und scheint mir
langsam etwas missbräuchlich.

Autor: ths (Gast)
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Was darf der Versuch denn kosten inklusive Entwicklungszeit?
Kraftregelungssysteme kann man schließlich für relativ wenig Geld 
kaufen. Das beginnt bei elektronischen Regelkomponenten mit 
Messverstärkern und geht über fertige Reglern mit Motoransteuerungen bis 
hin zu fertigen Pressachsen oder gar Universalprüfmaschinen. Fertige 
Maschinen für 2 kN für vielleicht 10 k€, gebraucht deutlich günstiger.

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