Aktive Magnetschweberegelung – Anwendungsideen

[Dominic (dominic_r770)]

Hallo zusammen,

ich möchte euch ein Projekt vorstellen, an dem ich in letzter Zeit 
intensiv gearbeitet habe: ein vollständig funktionsfähiges, aktiv 
geregeltes Magnetschwebesystem mit einer selbst entwickelten Platine.

Im Unterschied zu vielen einfachen Magnetschwebeprojekten, bei denen ein 
Magnet lediglich unterhalb eines einzelnen Elektromagneten hängt, wird 
das Objekt bei meinem Aufbau aktiv in mehreren Freiheitsgraden 
stabilisiert. Die Position wird fortlaufend über Sensoren erfasst und 
durch digital geregelte Elektromagnete korrigiert.

Zusätzlich zur Hardware habe ich eine eigene Analyse- und Steuerungs-App 
entwickelt. Damit lassen sich während des Betriebs unter anderem 
folgende Funktionen nutzen:

* Echtzeitanzeige der Sensorwerte und PWM-Signale
* Anpassung der PID-Parameter (K_p), (K_i) und (K_d) ohne erneutes 
Kompilieren oder Flashen
* Veränderung der Sollposition beziehungsweise Schwebehöhe
* Kalibrierung und Überprüfung der Sensoren
* Beobachtung des Regelverhaltens direkt am schwebenden Objekt

Eine mögliche Anwendung wäre eine interaktive Lern- und 
Demonstrationsplattform für Regelungstechnik. Gerade die Auswirkungen 
der verschiedenen PID-Parameter lassen sich an einem real schwebenden 
Objekt wesentlich anschaulicher darstellen als nur anhand von Diagrammen 
oder Simulationen.

Mich würde interessieren, welche weiteren Anwendungen euch für ein 
solches System einfallen. Denkbar wären beispielsweise:

* schwebende Produkt- oder Ausstellungsobjekte
* interaktive Messeexponate
* physikalische Demonstratoren
* Versuchsaufbauten für Regelungstechnik
* kinetische Kunstobjekte
* Spiele oder Eingabegeräte mit berührungslos geführten Elementen

Seht ihr darin über einen technischen Demonstrator hinaus echtes 
Potenzial, oder bleibt es aus eurer Sicht eher eine interessante 
Spielerei?

Außerdem überlege ich, das Projekt später inklusive Firmware, 
Platinenunterlagen und App als Open-Source-Projekt zu veröffentlichen. 
Besteht an einem solchen Aufbau grundsätzlich Interesse?

Als mögliches nächstes Projekt denke ich über eine Uhr mit einem frei 
schwebenden Zeiger nach. Der Zeiger soll oberhalb des Ziffernblatts 
schweben und gleichzeitig kontrolliert gedreht beziehungsweise auf die 
aktuelle Uhrzeit ausgerichtet werden.

Dabei stellen sich insbesondere folgende Fragen:

* Ist eine solche Uhr aus eurer Sicht ein interessantes Produkt 
beziehungsweise Demonstrationsobjekt?
* Oder würdet ihr auf Basis des vorhandenen Magnetschwebesystems ein 
anderes Projekt für sinnvoller halten?

Ich freue mich über technische Kritik, Anwendungsideen und auch ehrliche 
Einschätzungen zur Uhr. Besonders interessant wären Vorschläge, die sich 
mit dem bestehenden System realistisch umsetzen lassen.

Viele Grüße
Dominic

[Michael B. (laberkopp)]

Eigentlich ist ja immer interessant, wie die Position des schwebenden 
Teils gemessen wird, und interessant ist es, wenn kein zusätzlicher 
Sensor (Lichtschranke, Kamera) notwendig ist.

Dein Ding scheint 12 Magnete zu besitzen, das ist fur viele Anwendungen 
overkill, aber vielleicht genau das notwendige für deinen Uhrzeiger - 
wenn er an der Wand hängt und nicht auf dem Tisch

[Harald K. (kirnbichler)]

Ist das dritte Bild eine Wunschvorstellung?

Die beiden anderen zeigen die übliche Anwendung, wo das Objekt über 
den Magneten schwebt - das dritte Bild, sofern korrekt ausgeerichtet, 
aber würde, wenn es real wäre, einen Gegenstand zeigen, der neben den 
Magneten schwebt.

Das wäre als "Design-Uhr" o.ä. sicherlich ein Hingucker.

[Dominic (dominic_r770)]

Vielen Dank für das Feedback! Das dritte Bild mit der Uhr ist 
tatsächlich ein eventuelles Folgeprojekt. Es ist zwar aktuell nur ein 
KI-generierter Entwurf, aber ein Anfang ist bereits gemacht: Der 
Schwebemagnet schwebt schon stabil in der vertikalen Ausrichtung, wie 
auf dem angehängten Foto zu sehen ist.

[Dominic (dominic_r770)]

Vielen Dank für das Feedback! Zu den 12 Magneten kurz zur Erklärung: Die 
sind tatsächlich zwingend für die stabile Schwebe notwendig. Sie bilden 
zusammen einen Magnetring um die Schwebevorrichtung. Ein solcher Ring 
ist erforderlich, weil sein spezifisches Magnetfeld genau die 
Eigenschaften erzeugt, die für eine stabile Schwebelage physikalisch 
notwendig sind.

[Harald K. (kirnbichler)]

Dominic schrieb:
> Der Schwebemagnet schwebt schon stabil in der vertikalen Ausrichtung,
> wie auf dem angehängten Foto zu sehen ist.

Dann musst Du es ja "nur" noch hinbekommen, ihn präzise um eine Achse 
rotieren zu lassen ...

[Dominic (dominic_r770)]

Ja "nur" ist gut.. das ist leider nicht so einfach..

[Hans W. (hanswieland)]

Dominic schrieb:
> Ist eine solche Uhr aus eurer Sicht ein interessantes Produkt
> beziehungsweise Demonstrationsobjekt?

Erster Gedanke: Nicht schon wieder eine Uhr!

Zweiter Gedanke: Obwohl ... mit so einem Zeiger wäre sie doch ziemlich 
cool.

[Dominic (dominic_r770)]

Das freut mich sehr :)

[Finn R. (finn_der_ii)]

Dominic schrieb:
> Das dritte Bild mit der Uhr ist
> tatsächlich ein eventuelles Folgeprojekt.

Wenn du den Minutenzeiger zeitgenau (über den Tag oder auch nur eine 
Stunde hinweg) zum Schweben bekommst, gebe ich dir einen aus :-)

[Dominic (dominic_r770)]

Finn R. schrieb:
> Dominic schrieb:
>> Das dritte Bild mit der Uhr ist
>> tatsächlich ein eventuelles Folgeprojekt.
>
> Wenn du den Minutenzeiger zeitgenau (über den Tag oder auch nur eine
> Stunde hinweg) zum Schweben bekommst, gebe ich dir einen aus :-)

Angebot/Herausforderung akzeptiert :) Das Schweben an sich ist nicht das 
Problem, der Magnet schwebt bei mir bereits dauerhaft stabil in der 
Vertikalen (siehe 7 Beiträge weiter oben).

Die wahre Herausforderung ist die gezielte Winkelverstellung des 
Zeigers. Ich überlege gerade noch, wie ich das am besten löse: Reicht 
eine einfache Steuerung oder führt kein Weg an einer geschlossenen 
Regelung vorbei? Das ist aktuell die größte Baustelle am Projekt.

[Finn R. (finn_der_ii)]

Dominic schrieb:
> Ich überlege gerade noch, wie ich das am besten löse: Reicht
> eine einfache Steuerung oder führt kein Weg an einer geschlossenen
> Regelung vorbei?

Vorallem musst du ja die Sollgröße kontinuierlich Sekunde für Sekunde 
ändern

[Dominic (dominic_r770)]

Das ist kein Problem, da die Regelung komplett Digital ist.

[Finn R. (finn_der_ii)]

Befürchte der Zeiger wird immer zittern und die Uhreuit nie richtig 
ablesbar sein..

[Dominic (dominic_r770)]

in dem Zustand ist der Magnet super ruhig. Die Frage ist wie man die 
Winkel regelt..

[Finn R. (finn_der_ii)]

Jetzt ist am Magnet noch kein Zeiger angebracht; der Zeiger übt ein 
zeitabhängiges Drehmoment auf den Magneten aus; das muss alles 
ausgeregelt werden

[Dominic (dominic_r770)]

Nicht wenn der Schwerpunkt des Zeigers genau auf den Schwerpunkt des 
Magneten fällt.

[Marcel V. (mavin)]

Dominic schrieb:
> Nicht wenn der Schwerpunkt des Zeigers genau auf den Schwerpunkt
> des Magneten fällt.

Man könnte am hinteren Ende des Zeigers noch ein entsprechendes 
Gegengewicht vorsehen, so dass der Zeiger durch seine eigene 
Gewichtskraft nicht anfängt sich von selbst zu drehen!

Ich gehe davon aus, dass die Kugel ein polarisierter Magnet ist, der in 
Richtung der Zeigerachse polarisiert ist (Bild) und nicht etwa um 90 
Grad dazu verdreht.

Welcher von den 3 Zeigern soll den schweben? Ich persönlich würde den 
Sekundenzeiger vorziehen, weil man so die Schwebung und die 
Sekundenanzeige im Sekundentakt gleichzeitig beobachten und bewundern 
kann! Stunden- und Minutenanzeige könnten als kleines LCD-Display in der 
oberen Hälfte des Ziffernblattes integriert werden.

Am genialsten wäre es natürlich, wenn alle 3 Zeiger schweben könnten ;-)

[Finn R. (finn_der_ii)]

Dominic schrieb:
> Nicht wenn der Schwerpunkt des Zeigers genau auf den Schwerpunkt des
> Magneten fällt.

Der Schwerpunkt des Zeigers müsste auch mit dem Schwerpunkt der Kugel 
übereinstimmen (der liegt wohl im Kugelinnern des Magneten), um weitere 
unerwünschte bzw. schwer ausregelbare Drehmomente zu vermeiden

[Finn R. (finn_der_ii)]

Marcel V. schrieb:
> Sekundenzeiger

der ist sicherlich der schwierigste von allen 3en :-)

[Magnus M. (magnetus)]

Marcel V. schrieb:
> LCD-Display

Hast du gerade Jehova gesagt?

[Dominic (dominic_r770)]

Genau, das Schwerpunktproblem beim Zeiger löse ich über ein 
Gegengewicht. Zur Skizze nochmal: Die Polung und Orientierung ist 
genauso wie in meiner Skizze. Die Schwerkraft erzeugt allerdings ein 
leichtes Kippmoment auf den Magneten selbst, also unabhängig vom Zeiger, 
wodurch er leicht aus der Ebene kippt. Ob und wie stark das am Ende die 
Stabilität beeinträchtigt, muss ich noch austesten.
Was die Zeiger-Logik angeht: Ich plane eine eigene App dafür. Auf dem 
KI-Bild/Entwurf sieht man kleine Aussparungen, das sollen später LEDs 
werden. Über die App lässt sich dann flexibel einstellen, ob der 
schwebende Zeiger als Stunden-, Minuten- oder Sekundenzeiger läuft. Finn 
hat aber völlig recht, der Sekundenzeiger wird wahrscheinlich die größte 
Challenge: Durch die schnellere, kontinuierliche Bewegung wird die 
Regelung deutlich komplexer und das System potenziell instabiler.
Die Drehbewegung möchte ich über zusätzliche Spulen lösen, die um das 
System herum angeordnet sind, ähnlich wie auf dem einen Bild. Je nach 
Spulenstrom stellt sich der Zeiger dann in den passenden Winkel. Ob das 
am Ende über eine reine Steuerung läuft oder ich eine echte Regelung 
brauche, schaue ich mir im nächsten Schritt an.

[Finn R. (finn_der_ii)]

Wie schwer ist eigentlich dieser verspiegelte Kugelmagnet? Ist der nicht 
fix und fertig als verspiegelter Kugelmagnet gekauft? Ich frage, weil 
auf dem Bild 3 aus dem letzten Post sieht der irgednwie anders aus, als 
ob du sein Innenleben selbst gestaltet hast ??

[Dominic (dominic_r770)]

Bei dem einen Bild habe ich einfach Klebeband um den Magneten gewickelt, 
um die Haftreibung zu erhöhen, damit der Draht nicht abrutscht.

[Finn R. (finn_der_ii)]

Wie schwer ist er und welche Stromstärken in den 4 Spulen brauchst du, 
um den Magneten in dem Abstand schweben zu lassen?

[Dominic (dominic_r770)]

Der Magnet wiegt zwar etwa 60 g, allerdings spielt das Gewicht kaum eine 
Rolle, da er vom Permanentmagnetring getragen wird und nicht von den 
Spulen, dadurch verbraucht eine gut parametrierte Regelung im ruhigen 
Zustand fast keinen Strom. Beim Betrieb über USB-PD (meist bei 9 V, 
teilweise bis 20 V) liegt der Stromverbrauch bei stabiler Schwebelage 
gerade einmal bei 0,01 bis 0,1 A, wovon der Großteil bereits auf den 
ESP32, den Sensor und die restlichen Bauteile entfällt.

[Marcel V. (mavin)]

Magnus M. schrieb:
> Hast du gerade Jehova gesagt?

Nein, lies mal genau! Ich habe LCD-Display gesagt!

Dominic schrieb:
> Die Schwerkraft erzeugt allerdings ein leichtes Kippmoment auf den
> Magneten selbst, also unabhängig vom Zeiger, wodurch er leicht aus der
> Ebene kippt.

Auch das lässt sich mit einem kleinen Gegengewicht in der Z-Achse lösen.

Damit insgesamt nicht zu viel Gewicht an der Kugel hängen, könnte man 
den Zeiger aus leichter schwarzer Tonpappe aus dem Bastelbedarf 
herstellen.

[Tim T. (tim_taylor)]

Hallo, mich würde mal interessieren was du dafür ausgegeben hast, da es 
z.B. bei Bambulab sowas fertig für unter 60€ zu kaufen gibt (oder bei 
Aliexpress unter 40€) und ich echt am überlegen bin, ob ich einfach aus 
Faulheit kaufe oder selber baue...

[Dominic (dominic_r770)]

Marcel V. schrieb:
> Auch das lässt sich mit einem kleinen Gegengewicht in der Z-Achse lösen.

Guter Gedanke. Auf den ersten Blick wüsste ich nicht, was dagegen 
spricht.

[Dominic (dominic_r770)]

Wenn es dir rein um die Schwebefunktion geht, würde ich dir auf jeden 
Fall dazu raten, fertige Module online zu kaufen, das sind analoge 
Regelungen.

Eine digitale Regelung bietet zwar den Vorteil, dass sie rein von den 
Materialkosten her deutlich günstiger ist (rein für die Bauteile liegt 
man wahrscheinlich unter 20 €), allerdings ist die Umsetzung extrem 
komplex. Ich habe im Rahmen meiner Abschlussarbeit und auch danach über 
ein Jahr daran gearbeitet. Wenn man sich online umsieht, sieht man 
schnell: Es gibt kaum jemanden, der ein solches System digital wirklich 
stabil zum Schweben bringt.

Selbermachen lohnt sich also eigentlich nur, wenn du zwingend eine 
digitale Lösung brauchst, um Einstellungen anzupassen, oder eine ganz 
spezielle Sonderfunktion benötigst. Es ist definitiv ein langer und 
steiniger Weg, bis das zuverlässig läuft. Ich habe dazu auch eine eigene 
App entwickelt und den Gesamten Code, den ich gerne bereitstellen kann, 
aber wie gesagt: Wenn du einfach nur das Schweben an sich haben willst, 
fährst du mit einer fertigen, analogen Kaufversion deutlich entspannter.

[Tim T. (tim_taylor)]

Ja der Vorteil wäre nunmal die Anpassbarkeit und wenn man sowas am 
Laufen hat, bestellt man ja auch nicht nur eine Platine bei JLC...

[Dominic (dominic_r770)]

Ja, das stimmt..

[Finn R. (finn_der_ii)]

Dominic schrieb:
> Der Magnet wiegt zwar etwa 60 g, allerdings spielt das Gewicht kaum eine
> Rolle, da er vom Permanentmagnetring getragen wird und nicht von den
> Spulen

Kann ich nachvollziehen für den "waagerechten Betriebszustand". Aber wie 
wird die Schwerkraft (auch wenn es nur 60g sind) kompensiert, wenn die 
Vorrichtung mit den Gegenmagneten senkrecht steht (Bild 3, "Uhrfall")? 
Wo kommen die 0,6 Newton "Auftriebskraft" für diesen Betriebszustand 
(Bild 3) her (der Permanentmagnet kann ja eine Kraft nur in horizontaler 
Richtung dann aufbringen)?

[Dominic (dominic_r770)]

Das liegt an deen speziellen geometrischen Eigenschaften das 
Permanentmagnetrings: Durch das passende Positionieren des 
Permanentmagnetrings lässt sich ein Punkt finden, an dem der Ring die 
Gewichtskraft des Schwebemagneten in alle Raumrichtungen vollständig 
aufnimmt, sodass die Spulen an diesem Betriebspunkt theoretisch gar 
keine Kraft mehr aufbringen müssen.

[Finn R. (finn_der_ii)]

Interessant, hätte ich in der Position so nicht gedacht. Vielen Dank für 
deine zeitnahen und ausführlichen Ausführungen und deine ganze Mühe, die 
Arbeit hier mal vorzustellen. Ich glaube zwar nicht, dass man mit 
überschaubarem Aufwand einen praktischen Nutzen damit erzielen kann, 
aber für Lernzewcke, wie eine digitale Regelung funktioniert, ist das 
ein sehr gutes, praxistaugliches Beispiel. insofern würde ich dir raten, 
die Arbeit an deiner Hochschule irgendwie im Rahmen eines 
Labors/Praktikumversuchs einzubringen. Im Bereich 
Regelungstrechnik/Systemtheorie würde das sicher wie die Faust aufs Auge 
hineinpassen und den Studenten nicht nur Theorie sondern auch Praxis 
vermitteln und vorallem einen Sinn zeigen, was man mit der 
Regelungstechnik (hier digital) alles anstellen kann.
Vielen Dank nochmals und weiterhin viel Erfolg!

[Michael B. (laberkopp)]

Finn R. schrieb:
> Wenn du den Minutenzeiger zeitgenau (über den Tag oder auch nur eine
> Stunde hinweg) zum Schweben bekommst, gebe ich dir einen aus

Einen ausgeben erst wenn Stunden-, Minuten- und Sekundenzeiger 
übereinander schweben und drehen.

[Patrick B. (pbeck)]

Praktisch nutzt sowas Beckhoff in XPlanar

https://youtu.be/IYw8fy9VQ24?si=-uXbdxwCwHaLzUe1

[Martin K. (martin_k662)]

Vielleicht eine idee um dein Rotationsproblem zu lösen:

den Zeiger 3D-gedruckt machen (Kunststoff), den dann über deine Regelung 
in der schwebe halten. Um die zentrale einheit einen zweiten Magnetring 
anordnen und in der Spitze des Zeigers nochmal einen Mini-Magneten 
verbauen - damit quasi den Zeiger "in Position ziehen"