Handstaubsauger mit Gebläseregelung

Autor: Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer
Betreuer: Prof. Göbel

Einleitung

Das Projekt "Handstaubsauger mit Gebläseregelung" ist Teil des Praktikums "Angewandte Elektrotechnik" im Studiengang "Business and Systems Engineering (BSE)". Das Ziel des Projekts ist es, einen Handstaubsauger zu entwickeln, der eine zwei Stufen Saugleistungsregelung ermöglicht.

Der Handstaubsauger soll aus einem 3D-Gedruckten Gehäuse bestehen. Die Saugleistung wird durch einen PC-Lüfter realisiert. Die Drehzahl dieses Lüfters soll geregelt werden. Durch einen Taster am Handgriff sollen folgenden Betriebszustände angewählt werden können: -AUS-, -50% Leistung-, -100% Leistung-. Die Energie für das System soll durch eine PowerBank bereitgestellt werden.

Die Umsetzung des Projekts erfolgt nach der Scrum-Methode, eine bewährte Methode für die Umsetzung von Projekten, die eine höhere Effizienz und Qualität erfordern.

Anforderungen

Testbare, atomare Anforderungen

ID	Beschreibung	Bereich	Autor	Datum	Status
1	Die Hardwareplattform Arduino muss verwendet werden.	Hardware	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
2	Es muss ein Laststufe für die Ansteuerung des Lüfters entwickelt werden.	Hardware	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
3	Das Gehäuse des Handsaugers muss 3D Gedruckt werden.	Mechanik	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
4	Der Auffangbehälter muss durch eine Drehung des Geräts von 180 Grad zu entleeren sein. (Es wird keine Klappe vorgesehen.)	Mechanik	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
5	Vor dem Lüfter ist ein Filter vorzusehen (Auffangbehälter - Filter - Lüfter)	Mechanik	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	03.10.2023	Offen
6	Der Algorithmus muss die Tastersignale verarbeiten und interpretieren.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
7	Der Algorithmus muss eine PWM für die Ansteuerung des Lüfter vorgeben.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
8	Der Algorithmus muss die ist Drehzahl des Lüfters erfassen.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
9	Der Algorithmus muss in Matlab Simulink entwickelt werden.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
10	Der Algorythmus muss die Lüfter Drehzahl Regeln.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Offen
11	Der Algorythmus muss die die geregelte Leistung überwachen und bei zu starker abweichung (z.B. +10% für 10sec.) eine Fehler Code über die LED am Taster anzeigen. (Filter voll)	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	03.10.2023	Offen

Bill of materials (BOM)

Anzahl	Komponente	Preis	Link
1	Powerbank	25,99€	https://www.amazon.de/dp/B09G39KZM2?ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details&th=1
1	Widerstand Komponenten Sortiment	7,99€	https://www.amazon.de/dp/B07CVMMK9D?psc=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details
1	Buchsenleiste Sortiment	9,59€	https://www.amazon.de/dp/B0BZH59NHN?ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details&th=1
1	Taster mit Led	10,99€	https://www.amazon.de/dp/B09Q19TSMQ?ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details&th=1
1	80mm Lüfter 12V	28,00€	https://www.amazon.de/dp/B08JPYKYTS?ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details&th=1
1	Arduino Uno	24,00€	https://store.arduino.cc/products/arduino-uno-rev3
1	USB-C PD 12V Trigger	11,99€	https://www.amazon.de/gp/product/B0B4NPYF4K/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o01_s00?ie=UTF8&th=1
	SUMME:	118,55€

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Im funktionalen Systementwurf wurde das System in mehrere Subkomponenten unterteilt, die jeweils für eine spezifische Teilaufgabe zuständig sind. Durch die Zusammensetzung dieser Komponenten wird die Gesamtaufgabe der Steuerung und Überwachung des Lüfters erfüllt. Die Unterteilung in spezifische Subkomponenten ermöglicht es, das Gesamtsystem übersichtlich und verständlich zu gestalten und die Entwicklung des Projekts zu strukturieren.

• Taster: Diese Komponente erfasst die Nutzereingaben. Hierdurch wird die Interaktion mit dem System ermöglicht 1. Tasten 50% Leistung, 2. Tasten 100% Leistung, 3. Tasten 0% Leistung.

• LED: Diese Komponente informiert den Nutzer über den Gerätestatus.

• Arduino: Der Mikrocontroller wertet den Taster aus und führt die Steuerung und Überwachung aus.

• Laststufe: Die Laststufe steuert die Energiezufuhr des Lüfters und regelt somit dessen Leistung. (Teil des Lüfters.)

• Impulsgeber: Diese Komponente erfasst die aktulle drezahl des Lüfters.

• Power Bank: Die Power Bank ermöglicht einen Mobilen Einsatz des Geräts.

• Filter: Der Filter verhindert, dass eingesaugte Teile in den Lüfter geraten.

• 

  Funktionaler Systementwurf - Mechanisch Explosionszeichnung

• 

  Funktionaler Systementwurf - Projektskizze Hardware & Software

• 

  Funktionaler Systementwurf - Signalfluss

Technischer Systementwurf

Alle elektrischen Schnittstellen sind in der folgenden Abbildung zu finden. Eine genauere Beschreibung wird im Laufe des Projekts erarbeitet.

• 

  Technischer Systementwurf - Schnittstellen

• 

  Aufbau zur Steuerung und Überwachung des Lüfters

Projektplan

Im Nachfolgenden ist der Projektplan mit Phasen und Meilensteinen dargestellt.

• 

  Projektplan

Die Software wurde mit der SCRUM Methode erstellt nachfolgend das benutzte SCRUM Board

• 

  SCRUM Board

Komponentenspezifikation

In diesem Kapitel werden die benötigten Komponenten für das Projekt "Handstaubsauger" beschrieben. In der obigen Liste bei den Anforderungen wurden alle Zukaufteile aufgeführt.

Hardware Board:

Für die Umsetzung des Projektes wurde ein Arduino UNO R3 verwendet.

Taster:

Für die Steuerung und für das Ein und Ausschalten den Handstaubsaugers wurde ein Taster verwendet. Der Taster besitzt außerdem eine LED- Anzeige. Mit der LED Anzeige können verschiedene Betriebszustände ausgewiesen werden.

Lüfter:

Für die Saugleistung wurde ein Server Lüfter ausgewählt. Dieser besitzt einen Durchmesser von 80mm und kann bis zu 6500 U/min schnell drehen. Der Lüfter erreicht somit einen Airflow von 76 CFM.

Stromversorgung:

Um die Stromversorgung des Handstaubsaugers sicherzustellen haben wir eine Powerbank mit ausreichend Leistung ausgewählt. Die Powerbank gibt eine Spannung von 12V mit 2A aus. Außerdem besitzt sie eine Kapazität von 10.000 mAh.

USB C Trigger Modul:

Um der Powerbank dauerhaft 12V zu entnehmen wurde ein USB C Trigger ausgewählt. Dieser sorgt dafür, dass die Powerbank dauerhaft eine Spannung von 12V ausgibt

Umsetzung (MD/HW/SW)

Mechanik Umsetzung:

Es wurde zunächst in Solidworks CAD ein 3D Modell des Gehäuses von dem Staubsauger entworfen. Zunächst wurde die Theoretische Saugleistung mit einem entsprechenden Durchmesser berechnet. Daraufhin wurde der Durchmesser des Saugrohres festgelegt (ca.20mm). Im Anschluss wurden die Abmessung des Lüfters als grobe Richtung für die Außenmaße des Staubsaugers genommen. Vor dem Lüfter musste außerdem ein Filter platziert werden, damit dieser den Dreck nicht einsaugt. So entstanden die ersten Zeichnungen des Staubsaugergehäuses. Danach wurden alle benötigten Komponenten berücksichtigt und bei der Konstruktion eingeplant. Bei der Konstruktion war es außerdem wichtig, dass die Bauteile mittels FDM 3D Druck- Verfahren herstellbar sind, um das Gehäuse fertigen zu können. Das Fertige Gehäuse mit allen zusätzlichen Extras wie z.B ein Griff wird in Abbildung dargestellt. Es wird außerdem dargestellt an welcher Stelle sich die verschiedenen Komponenten befinden.

• 

Abbildung: Explosionszeichnung des Staubsaugers

Hardware Umsetzung:

Die nachfolgenden Bilder zeigen den Schaltplan der mit Mulitsim erstellt wurde und die resultierende Umsetzung auf einer Lochrasterplatine.

• 

  Schaltplan

• 

  Layout

Software Umsetzung:

Die Software wurde vollständig in Matlab Simulink entwickelt. Hierbei wurden die Arduino, Stateflow und Simulink Komponenten verwendet.

• 

  Software Final

Die nachfolgenden Bilder zeigen die Umsetztung des User Interface sowie der Fehlerekennung. Hierbei werden Tastendrücke ausgewertet, die LED Muster realisiert und der Fehler "Filter voll" realisiert.

• 

  Software User Interface

• 

  Software User Request

• 

  Software Error Handling

Die nachfolgenden Bilder zeigen die Auslegung und Realisierung des Reglers.

Der Regler konnte aufgrund von fehlender Rechenleistung nicht realisiert werden. Wenn alle Komponenten integriert wurden, konnte die Drehzahl nicht mehr richtig bestimmt werden. (siehe Bild Falsche Messergebnisse der RPM)

Es wurden sogar zwei verschieden Methoden zur Erfassung der Drehzahl angewendet.

1. Tacho Block -> verwendet einen Interrupt Pin und berechnet die Drehzahl in Software.

2. Frequenz Block -> verwendet eine capture compare unit.

Durch Reduzierung der Berechnungen konnte ein Plausibles Signal gemessen werden. Aus diesem Grund wurde nur eine Steuerung mit Überwachung realisiert und keine Regelung.

• 

  Software Regler

• 

  Sprungantwort des Lüfters

• 

  Testaufbau für die ermittlung der Übertragungsfunktion und auslegung des Reglers

• 

  Falsche Messergebnisse der RPM

Das Nachfolgende Bild zeigt die Invertierte PWM-Ansteuerung des Lüfters sowie die Messung des Tachosignals zur ermittlung der Drehzahl des Lüfters.

• 

  Software Lüfter

Herausforderungen:

Bei den ersten Saugversuchen kam es zu Problemen mit der Saugleistung des Staubsaugers. Der eingebaute Lüfter konnte nicht genügend Druck aufbauen und somit keine Saugleistung entwickeln. Hierbei ist zu beachten das der Lüfter zwar einen hohen Volumenstrom fördern kann aber keinen statischen Druck aufbauen kann. Die Rechnung mit einem verringerten Querschnitt eine höhere Luftgeschwindigkeit und somit eine höhere Saugleistung zu erreichen ging also nicht auf und bewirkte eher das Gegenteil. Daraufhin hin haben wir den Durchmesser von dem Saugrohr von 20mm auf 40mm erhöht. Durch die Erhöhung konnten wir nun eine akzeptable Saugleistung erreichen.

Komponententest

Die Komponenten, die getestet werden mussten, sind:
● Der Taster mit LED
● Der Lüfter mit Tachosignal
● Die Powerbank mit Laststufe
● Das 3D-Gehäuse

Taster und LED

Der Taster mit der LED kann erfolgreich über das Arduino Uno R3 Board betrieben werden. Damit die LED genug Spannung erhält, muss eine externe Spannungsversorgung über ein Powerbank bereit gestellt werden. Die Abbildung stellt die Ergebnisse der durchgeführten Tests in Bezug auf die Anforderungen ID 6 und 11 dar.

• 

  Test Taster

• 

  Test LED

Test des Tasters und der LED

Lüfter mit Tachosignal

Der Lüfter mit dem Tachosignal kann erfolgreich über das Arduino Uno R3 Board betrieben werden. Damit der Lüfter genug Spannung erhält, muss eine externe Spannungsversorgung über ein Powerbank bereit gestellt werden. Die Abbildung stellt die Ergebnisse der durchgeführten Tests in Bezug auf die Anforderungen ID 2 und 8 dar.

• 

  Test Lüfter und Tachosignal

Test Lüfter und Tacho

Powerbank mit Laststufe

Das Initiale Konzept hat einen DC/DC Wandler (Laststufe) vorgesehen der über einen Enable Pin (PWM) in der Leistung eingestellt werden kann. Bei den Komponenten Tests ist aufgefallen das die Last nicht von dem DC/DC Wandler betrieben werden kann (DC/DC funktionierte nicht gut mit relativ großen Induktiven Lasten 60% Wirkungsgrad.). Nachdem der Zweite DC/DC Wandler mit deutlich besseren Spezifikationen auch nicht funktioniert hat, haben wir das Konzept angepasst und sind auf USB C Power Delivery System gewechselt. Hierbei wird der Powerbank über einen USB C IC mitgeteilt, dass sie nicht 5V liefern soll, sondern 12V.

• 

  Test DC DC Testaufbau

• 

  Test DC DC 1 Spannung, Blau Vout, Gelb Vin

• 

  Test DC DC 2 Spannung, Blau Vout, Gelb Vin

• Test USB C PD

Test Laststufe und Powerbank

3D-Druck-Gehäuse

Das Gehäuse ist sehr wichtig für den Erfolg des gesamten Projekts. Viele Aspekte wurden besprochen und berücksichtigt, auch wenn sie nicht konkret gefordert oder abgetestet wurden, z.B. wurde ein Gitter vor dem Lüfter vorgesehen das Verletzungen verhindert, eine Öffnung zur Sicht in den Auffangbehälter wurde vorgesehen, der Akkuzustand kann abgelesen werden und der Ansaugstutzen wurde für eine bessere Effizienz überarbeitet.

• 

  Test Gehäuse Gitter

• 

  Test Gehäuse Auffangbehälter

• 

  Test Gehäuse Akkuanzeige

• 

  Test Gehäuse Ansaugstutzen

Test 3D Gehäuse

Ergebnis

In diesem Kapitel werden die Anfangs gestellten Anforderungen erneut aufgegriffen. Der Status wurde hierbei zu Erfolgreich bzw. nicht Erfolgreich geändert. Der Status bezieht sich auf den Abschlusstest der am 16.01.2024 durchgeführt wurde. In der unten stehenden Tabelle sind die Ergebnisse aufgelistet. In den Abbildungen unter der Tabelle wird der Fertige Staubsauger dargestellt.

Getestete Anforderungen

ID	Beschreibung	Bereich	Autor	Finale Abschlussprüfung	Status
1	Die Hardwareplattform Arduino muss verwendet werden.	Hardware	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich
2	Es muss ein Laststufe für die Ansteuerung des Lüfters entwickelt werden.	Hardware	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich
3	Das Gehäuse des Handsaugers muss 3D Gedruckt werden.	Mechanik	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	02.10.2023	Erfolgreich
4	Der Auffangbehälter muss durch eine Drehung des Geräts von 180 Grad zu entleeren sein. (Es wurde zusätzlich eine Klappe eingefügt.)	Mechanik	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich
5	Vor dem Lüfter ist ein Filter vorzusehen (Auffangbehälter - Filter - Lüfter )	Mechanik	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich
6	Der Algorithmus muss die Tastersignale verarbeiten und interpretieren.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich
7	Der Algorithmus muss eine PWM für die Ansteuerung des Lüfter vorgeben.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich
8	Der Algorithmus muss die ist Drehzahl des Lüfters erfassen.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich
9	Der Algorithmus muss in Matlab Simulink entwickelt werden.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich
10	Der Algorythmus muss die Lüfter Drehzahl Regeln.	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Nicht Erfolgreich, da zu wenig Rechenleistung
11	Der Algorythmus muss die die geregelte Leistung überwachen und bei zu starker abweichung (z.B. +10% für 10sec.) eine Fehler Code über die LED am Taster anzeigen + Sauger wird abgeschaltet. (Filter voll)	Software	Lucas Sagenschneider & Felix Neubauer	16.01.2024	Erfolgreich

• 

  Handstaubsauger vorne

• 

  Handstaubsauger hinten

• 

  Handstaubsauger Akkuanzeige

Zusammenfassung

Abschließend können wir sagen das Projekt Handstaubsauger mit Gebläseregelung war erfolgreich. Wir konnten mithilfe von Solidworks und dem 3D Druckverfahren FDM ein funktionsfähiges Gehäuse entwickeln. Das Gehäuse erfüllt alle vorher gestellten Anforderungen. Außerdem konnten wir mithilfe eines Arduinos und einer extra entwickelten Software eine Gebläseregelung entwickeln. Der Staubsauger kann wie gewünscht in zwei unterschiedlichen Saugstufen betrieben werden. Der Zeitplan des Projektes konnte ebenfalls eingehalten werden und das Projekt konnte Anfang 2024 beendet werden.

Lessons Learned

In diesem Projekt haben wir gelernt wie man in verschiedenen Projektschritten von der Idee eines Produktes bis hin zu einem funktionsfähigen Prototypen gelangen kann. Es wurden Kenntnisse in Solidworks und dem 3D Druckverfahren FDM erlangt. Außerdem wurde gelernt wie man mithilfe von Simulink eine funktionsfähige Software für die Arduino Umgebung erstellen kann. Zusätzlich wurden besondes viel aus Problemen gelernt, z.B. die verwendung von DC/DCs bei Induktiven Lasten oder die Benötigte CPU-Leistung für Messung und Regelung von sehr schnellen Signalen.

Projektunterlagen

Projektplan

In der Abbildung ist der vorab erstellte Projektplan zu sehen, anhand welchem die Umsetzung erfolgen soll.

Projektplan

Projektdurchführung

Die Durchführung des Projekts hat an einigen stellen viel Kraft und Aufwand gekostet. Die vielen Hindernisse bei der Entwicklung eines Gesamten Produkts waren sehr herausfordernd. Besonders aufgefallen ist die „Verzehnfachung der Fehlerkosten“, es ist nicht wirklich teuer geworden, jedoch wurde der Aufwand, um Fehler zu beseitigen immer größer. Als wir festgestellt hatten das die Rechenleistung für unsere Anwendung nicht ausreicht, wäre eine mögliche Lösung die Verwendung eines ESP32 gewesen. Jedoch war dieses nicht mit dem „Kunden“ abgestimmt, unser Gehäuse ist für einen Arduino ausgelegt, die Adapter-Platine für die Ansteuerung der Ein und Ausgänge ist für einen Arduino aufgebaut, unsere Softwareblöcke sind für einen Arduino ausgelegt. Hieraus nehmen wir mit, dass eine ausreichende Voruntersuchung ist besonders bei neuen Projekten sehr wichtig ist.

Zip Dateien

In dem Ordner "Handstaubsauger" können all unsere Verwendeten Dokumente und 3D- Zeichnungen für das Projekt eingesehen werden.

HandstaubsaugerDaten

YouTube Video

Video vom Projekt: Handstaubsauger mit Gebläseregelung

Weblinks

USVN 167_Handstaubsauger

Literatur

---

→ zurück zur Übersicht: WS 22/23: Angewandte Elektrotechnik (BSE)