Präsentation der Studienarbeit Aufbau eines einfachen Laborversuchs zur Positionsregelung mit LabView Betreuer: Prof. Dr. M. Adamschik Herzlich Willkommen alle miteinander! Mein Name ist Martin Schlumpberger und mein Kollege neben mir ist Tobias Schöffmann. Wir beide werden ihnen nun in den nächsten 15min unsere Studienarbeit vorstellen, welche wir im letzten halben Jahr zusammen gemacht haben. Das Thema dieser Arbeit heißt „Aufbau eines einfachen Laborversuchs zur Positionsregelung mit LabView“. Wir wurden während unsere Studienarbeit regelmäßig von Prof. Dr. Adamschik betreut und wollen uns auch nochmal herzlich bei ihm für seine Unterstützung bedanken. 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias Inhalt Aufgabenstellung und Randbedingungen Erste Schritte Komponenten und Lösungen Erreichte Ziele und Ausblick Kommen wir nun zu einer kleinen Übersicht über unsere Präsentation. Zu erst werde ich ihnen die Aufgabenstellung inklusive der Randbedingungen vorstellen, so wie wir sie zu Beginn der Studienarbeit bekommen haben. Danach werde ich unter dem Kapitel „Erste Schritte“, ihnen erläutern wie wir diese Arbeit in Angriff genommen haben und wie die ersten Wochen verlaufen sind. In dem Kapitel „Komponenten und Lösungen“ erfolgt dann der Wechsel zu meinem Kollegen Herr Schöffmann. Zuerst werde ich ihnen noch die verwendeten Bauteile vorstellen und dann setzt Herr Schöffmann mit einer kurzen Erläuterung über die selbstentworfene Elektronikschaltung fort. Zuletzt wird er im Kapitel „Erreichte Ziele und Ausblick“, ihnen das Ergebnis unsere Studienarbeit vorstellen und wie diese in Zukunft noch ergänzt und verbessert werden könnte. 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias Aufgabenstellung Randbedingungen: Große Anlaufzeitkonstante T Bei ca. 50% Nennspannung T ≈ 3 s Echtzeitregelung mit LabView muss möglich sein Schwungmasse muss veränderbar sein Schnittstelle zum Rechner mit analogen Signalen einfacher Tischaufbau  Verfielfältigung Kommen wir nun zu unserer Aufgabenstellung. In diesem schematischen Aufbau sehen Sie, wie sich Prof. Dr. Adamschik seinen Laborversuch zu Beginn der Arbeit vorgestellt hat. Der Aufbau sollte aus 2 Elektromotoren bestehen, deren Achsen über eine Welle mechanische verbunden sind. Die Welle sollte zusätzlich eine Schwungmasse besitzen. Der Sinn der Schwungmasse ist es das System träge zu halten, damit es mit LabView möglich, ist eine Echtzeitregelung zu realisieren. Als mögliche Alternative für die Motoransteuerung wurde eine Vollbrückenansteuerung vorgeschlagen. Prof. Dr. Adamschik betonte aber, dass dies nur eine mögliche Option ist und wir diesbezüglich freie Hand haben. Das haben wir dann auch später wahr genommen und realisierten die Motoransteuerung über eine OPV-Schaltung. Aber dazu später mehr. Zuletzt sollte noch ein Inkrementalgeber eingebaut werden, der die Position und die Drehzahl an LabView übergeben soll. Das waren jetzt die groben Vorgaben der Arbeit. Kommen wir nun zu den Randbedingungen.   Wie schon erwähnt soll das System mit Hilfe der Schwungmasse träge gehalten werden. Was bedeutet, dass die Anlaufzeitkonstante T groß sein muss. Bei ca. 50% der Nennspannung soll der Anlauf zur Nenndrehzahl etwa 3 Sekunden dauern. Bei der Festlegung musste sichergestellt sein, dass die Abtastrate bzw. Zykluszeit von LabView wesentlich kleiner ist, als die sich auf Grund der errechneten und ausgewählten Massen- und Motorenmomenten ergebende Zeitkonstanten der Antriebseinheit. Diese Vorgabe kam zum einen daher, dass mit LabView eine Echtzeitregelung möglich sein soll und zum anderen, dass es für die Studenten, die mit diesem Laborversuch arbeiten sollen, es einfacher ist die Reaktionen des Systems auf Änderungen der Motorspannungen nachzuvollziehen. Des Weiteren sollte die Schwungmasse so konzipiert werden, dass sie entweder veränderbar in ihrem Trägheitsmoment ist oder das sie ohne weiteres ausgetauscht werden kann. Eine weitere Randbedingung war das die Schnittstelle zum Rechner ausschließlich mit analogen Signalen erfolgt. Dies bedeutet, dass die Informationen aus dem Inkrementalgeber vorher gewandelt werden müssen, bevor sie über die I/O-Box an das LabView-Programm übergeben werden. Als letzte Randbedingung hieß es, dass die Studienarbeit so aufgebaut werden sollte, dass er zum einen leicht zu vervielfältigen ist und zum anderen, dass er in seinen Maßen so dimensioniert ist, dass er als Tischversuch geeignet ist. 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias Inhalt Aufgabenstellung und Randbedingungen Erste Schritte Komponenten und Lösungen Erreichte Ziele und Ausblick Nachdem Sie nun erfahren haben, wie unsere Aufgabenstellung gelautet hat. Beschreibe ich ihnen, wie unsere ersten Wochen verlaufen sind. 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias Erste Schritte Erste Schritte: Absprache mit Prof. Dr. Adamschik Suche nach fertigen Ansteuer- und Auswertekomponenten Entwicklung einer eigenen Ansteuer- und Auswerteelektronik Zu Beginn der Studienarbeit haben wir uns erst einmal mit Prof. Dr. Adamschik an einen Tisch gesetzt und besprochen wie diese Arbeit vonstatten gehen soll. Es wurde beschlossen, dass man so viele fertige Komponenten wie möglich benutzt um diesen Aufbau leicht duplizieren zu können. Nachdem wir uns auf die Suche nach passenden Ansteuer- und Auswertekomponenten gemacht haben, hat sich aber schnell herauskristallisiert, dass dies nicht so einfach möglich sein wird. Entweder wurden die Kriterien nicht eingehalten oder die Komponenten waren so überdimensioniert, dass sie preislich den Rahmen sprengten. Darauf wurde der Entschluss gefasst, dass wir die Ansteuer- und Auswerteelektronik selber entwickeln werden. Dazu haben wir mit dem Programm „Eagle“ einen eigenen Schaltungsentwurf erstellt und anschließend geroutet. Damit dann dementsprechend der Auftrag zur Herstellung der Platine gegeben werden konnte. 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias Inhalt Aufgabenstellung und Randbedingungen Erste Schritte Komponenten und Lösungen Erreichte Ziele und Ausblick Kommen wir nun zum 3. Teil der Präsentation, „Komponenten und Lösungen“. Darin werden wir ihnen vorstellen, welche Bauteile wir verwendet haben und wie unser Schaltungsentwurf im groben aussieht. 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Komponenten und Lösungen Verwendete Bauteile: Glockenankermotor (DC-Motor ohne Getriebe) Inkrementalgeber (Läuferscheibe + Aufnehmer) Bauteile für den mechanischen Aufbau IC‘s für die selbstentwickelte Elektronik Als Gleichstrommotor haben wir einen Glockenankermotor verwendet. Er punktet vor allem mit seinem geringen Rotations- und Trägheitsmoment, weshalb er sehr gut für hochdynamische und leichte Antriebe geeignet ist. Des Weiteren ist er frei von Eisenverlusten und erreicht bei hohen Drehzahlen sehr gute Wirkungsgrade. Es wurde auch diskutiert, ob man eventuell ein Getriebe zwischen Motor und Welle einbaut um die hohen Drehzahlen zu reduzieren. Dies ist daher sinnvoll, da bei hohen Drehzahlen hohe Fliehkräfte auftreten. Diese Kräfte stören den ruhigen Rundlauf, da es praktisch nicht möglich ist, eine fertigungsbedingte Unwucht der Mechanik zu verhindern. Das Problem bei einem Getriebe ist aber, dass sich das Drehmoment umgekehrtproportional zur Drehzahl verhält. Dies bedeutet, die Reduzierung der Drehzahl, ergibt eine Erhöhung des Drehmoments. Wenn man diese Betrachtung weiterführt auf den Einsatz des Motors, entsteht daraus allerdings ein Nachteil. Der Laboraufbau soll bewusst langsam anlaufen und auch sehr träge auf Drehzahländerungen reagieren. Wenn nun jedoch die Spanne der Drehzahlen reduziert wird und sich im Gegenzug das Drehmoment erhöht, wirkt sich das doppelt auf die Beschleunigung der Drehzahl aus und die Zeitkonstante wird zu klein. Deswegen haben wir uns gegen ein Getriebe entschieden. Für die Positions- und Drehzahlerkennung haben wir, wie in der Aufgabenstellung vorgegeben einen Inkrementalgeber verwendet. Im Bild erkennt man die dünne Läuferscheibe plus den dazugehörigen Aufnehmer durch den die Scheibe läuft. Im Vordergrund sieht man den Glockenankermotor. Der Motor ist ca 3cm lang, um ihnen eine Vorstellung zu geben, wie groß der Aufbau in etwa ist. Das gelbe was sie zwischen Winkel und Motor erkennen, ist ein haushaltsüblicher Schwamm. Den haben wir eingebaut, um den Motor so locker wie möglich zu montieren, um die Reibungsverluste zu mindern. Neben Motor und Inkrementalgeber wurden selbstverständlich verschiedene mechanische Bauteile verwendet um den Aufbau zu realisieren und eine Vielzahl von IC‘s für die Platine, die ich aber natürlich nicht alle vorstellen werde. Dies war nun mein Teil der Präsentation, ab sofort wird mein Kollege Tobias Schöffmann fortsetzen. 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Komponenten und Lösungen Elektronik: OPV-Schaltung für Motoransteuerung F/U-Wandler für Drehzahlbestimmung Quadraturzähler + D/A-Wandler für Positionsbestimmung 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Komponenten und Lösungen LabView Software I/O-Box OPV F/U-Wandlung Quadratur-Zähler + D/A-Wandlung Hardware Motor Inkrementalgeber 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias Inhalt Aufgabenstellung und Randbedingungen Erste Schritte Komponenten und Lösungen Erreichte Ziele und Ausblick 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Erreichte Ziele und Ausblick Motoren und Inkrementalgeber berechnet und ausgewählt Schwungmasse berechnet und Fertigungsauftrag erteilt Entwerfen der Schaltung und Entwicklung einer Platine Konstruktion des mechanischen Aufbaus Test der einzelnen Baugruppen mit LabView 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Erreichte Ziele und Ausblick 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Erreichte Ziele und Ausblick Optimierung des mechanischen Aufbaus Unterbringung in 19“-Rahmen Reduzierung der Reibungsverluste Neues Platinenlayout notwendig 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias

Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias Ende Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! 25.03.2017 Schlumpberger Martin – Schöffmann Tobias