Projekt 49: Schwebende Kugel Nachbau: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Datei:DSC_0007.JPG|450px|thumb|right|Der fertige Versuchsaufbau des Projekts]]
Autoren:  [[Benutzer:Benedikt_Roeper| Benedikt Röper]], [[Benutzer:Niklas_Lingenauber| Niklas Lingenauber]] und [[Benutzer:Christopher Broemse| Christopher Brömse]], [[Benutzer:Gesina-Kira Tigger| Gesina Kira Tigger]]<br/>
Autoren:  [[Benutzer:Benedikt_Roeper| Benedikt Röper]], [[Benutzer:Niklas_Lingenauber| Niklas Lingenauber]] und [[Benutzer:Christopher Broemse| Christopher Brömse]], [[Benutzer:Gesina-Kira Tigger| Gesina Kira Tigger]],
[[Benutzer:John Kneib| John Kneib]], [[Benutzer:Benedikt Wulowitsch| Benedikt Wulowitsch]] <br/>
Betreuer: [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]], [[Benutzer:Mirekgoebel| Prof. Göbel]]
Betreuer: [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]], [[Benutzer:Mirekgoebel| Prof. Göbel]]




Bei dieser Seite handelt es sich um die Dokumentation des Projektes "Schwebene Kugel - Nachbau" des Elektrotechnik-Praktikums im 5. Semester des Bachelorstudiengangs Mechatronik bzw. im 1. Semester des Masterstudiengangs Business and Systems Engineering. Das Projekt wurde zunächst von den Bachelorstudenten [[Benutzer:Benedikt_Roeper| Benedikt Röper]] und [[Benutzer:Niklas_Lingenauber| Niklas Lingenauber]] bearbeitet und von [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]] betreut, dann von den Masterstudenten [[Benutzer:Christopher Broemse| Christopher Brömse]] und [[Benutzer:Gesina-Kira Tigger| Gesina Kira Tigger]] überarbeitet und fertiggestellt und von [[Benutzer:Mirek_Göbel| Prof. Göbel]] betreut.
Bei dieser Seite handelt es sich um die Dokumentation des Projektes "Schwebene Kugel Nachbau" aus dem Modul Angewandte Elektrotechnik im 5. Semester des Bachelorstudiengangs Mechatronik bzw. im 1. Semester des Masterstudiengangs Business and Systems Engineering. Das Projekt wurde zunächst von den Bachelorstudenten [[Benutzer:Benedikt_Roeper| Benedikt Röper]] und [[Benutzer:Niklas_Lingenauber| Niklas Lingenauber]] bearbeitet und von [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]] betreut, dann von den Masterstudenten [[Benutzer:Christopher Broemse| Christopher Brömse]] und [[Benutzer:Gesina-Kira Tigger| Gesina Kira Tigger]] überarbeitet und fertiggestellt und von [[Benutzer:Mirekgoebel| Prof. Göbel]] betreut.
Im Wintersemester 2017/2018 wurde eine neue Platine entwickelt, zudem wurde ein Konzept zur digitalen Regelung der Kugel in der Software MATLAB Simulink durch die Bachelorstudenten [[Benutzer:John Kneib| John Kneib]] und [[Benutzer:Benedikt Wulowitsch| Benedikt Wulowitsch]] erarbeitet.  




== Aufgabe ==
== Aufgabe ==
Das Projekt beinhaltete die Aufgabe eine Magnetkugel mit Hilfe einer Spule und eines Hallsensors zum Schweben zu bringen. Die Anleitung für dieses Projekt konnte aus der Zeitschrift c't hacks 4/2014 entnommen werden.
Das Projekt beinhaltete die Aufgabe eine Magnetkugel mit Hilfe einer Spule und eines Hallsensors zum Schweben zu bringen. Die Anleitung für dieses Projekt konnte aus der Zeitschrift c't hacks 4/2014[1] entnommen werden.


== Erwartungen an die Projektlösung ==
== Erwartungen an die Projektlösung ==
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Es ist allgemein bekannt, dass sich im Magnetismus gleichnamige Pole abstoßen und sich unterschiedliche Pole anziehen. Die Schwierigkeit, eine Magnetkugel zum Schweben zu bringen, liegt darin, ein Gleichgewicht zwischen der durch den Magnetismus verursachten Anziehungskraft und der Erdanziehungskraft auf die Kugel zu erzeugen. Dazu wird ein dynamisches Magnetfeld benötigt, um eine Änderung des Magnetfeldes zu realisieren. Mit einer Spule lässt sich ein dynamisches Magnetfeld erzeugen und elektrisch steuern.  
Es ist allgemein bekannt, dass sich im Magnetismus gleichnamige Pole abstoßen und sich unterschiedliche Pole anziehen. Die Schwierigkeit, eine Magnetkugel zum Schweben zu bringen, liegt darin, ein Gleichgewicht zwischen der durch den Magnetismus verursachten Anziehungskraft und der Erdanziehungskraft auf die Kugel zu erzeugen. Dazu wird ein dynamisches Magnetfeld benötigt, um eine Änderung des Magnetfeldes zu realisieren. Mit einer Spule lässt sich ein dynamisches Magnetfeld erzeugen und elektrisch steuern.  


== Regelkreis ==
== Regelkreis der Bachelorstudenten WS17/18==
Um die Aufgabenstellung zulösen, wurde der in der c't hacks beschriebene Schaltkreis verwendet. Die Eingangsspannung beträgt 12V. Ein Spannungregler erzeugt daraus eine 5V-Spannung um den Hallsensor zu versorgen, der das Magnetfeld zwischen Kugel und Magnetkugel ermitteln soll und an einen Operationsverstärker übermittelt. Als Referenzspannung dient ein Potentiometer, über das sich der Abstand der Kugel zur Spule einstellen lässt. Befindet sich die Intensität des Magnetfeldes im gewünschten Bereich, schaltet der Mosfet am Ausgang des Operationsverstärkers nicht durch. Dadurch fließt ein sehr geringer Strom durch die Spule, das Magnetfeld wird sehr schwach. Ist die Intensität unterhalb des gewünschten Bereichs, schaltet der Mosfet durch und erzeugt durch den fließenden Strom ein Magnetfeld. Die maximale Spannung an der Spule beträgt 12V.
Nachdem die Hardware erfolgreich in Betrieb genommen werden konnte und die Signale der analogen Eingänge in MATLAB Simulink zur Verfügung standen, wurden Kennlinien aufgenommen. Zuerst wurde eine Kennlinie Abstand-Hallspannung aufgenommen. Hierbei wurde der Abstand variiert, parallel dazu wurde die Hallspannung eingelesen. Aus diesen Daten wurde in einem 1D-Lookup Table eine Kennlinie erzeugt.
Die zweite Kennlinie bezieht sich auf den Dutycycle der Pulsweitenmodulation, mit der die Spule angesteuert wird und den dabei entstandenen Einfluss auf die Hallspannung. Dazu wurde an die Spule eine Spannung von 14.0V angelegt. Anschließend wurde der Dutycycle von 0-100% in Zehnerschritten erhöht. Die dabei zu messende Hallspannung wurde ebenfalls in einem 1D-Lookup Table, zusammen mit dem Dutycycle, als Kennlinie hinterlegt.
Der schematische Aufbau des Regelkreises ist als Bild in der Galerie dargestellt.  
 
<gallery caption="Galerie zum Regelkreis der Bachelorstudenten" widths="200px" heights="200px" perrow="4">
Datei:Abstand_Hallspannung.PNG|Kennlinie Abstand-Hallspannung
Datei:Dutycycle - Hallspannung.PNG|Kennlinie Dutycycle-Hallspannung
Datei: Regelkreis_Schwebende Kugel.png|Schematischer Aufbau des Regelkreises
</gallery>


== Bearbeitung des Projekts ==
== Bearbeitung des Projekts ==
===Bachelorstudenten===
===Bachelorstudenten===
Für die Umsetzung der Bachelorstudenten wurden folgende Bauteile verwendet:
Bei der Umsetzung im WS 2017/2018 wurde auf den bestehenden Aufbau zurückgegriffen. Dieser Aufbau beinhaltete das Stativ inkl. Potentiometer und Spule.
 
Die neu hinzugekommenen Bauteile sind folgende:


{| border="1"
{| border="1"
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  ! width="100px" |Anzahl
  ! width="100px" |Anzahl
  |-
  |-
  |Keramik-Kondensator 47 nF 100 V/DC
  |Leistungs-MOSFET P-Ch TO-220AB 55V 74A
  |1
  |2
  |-
  |-
  |Keramik-Kondensator 100 nF 50
  |Spannungsregler, 5V, 1,5A, TO-220
  |1
  |2
  |-
  |-
  |Spannungsregler/Schaltregler STMicroelectronics L78L05ACZ                  
  |ATMega AVR-RISC-Controller, DIL-28                  
  |1
  |2
  |-
  |-
  |Diode Vishay 1N4148-TAP Gehäuseart DO-35                                  
  |Ultraschnelle Gleichrichterdiode, DO201, 400V,3A                                  
  |1
  |2
  |-
  |-
  |Schneller Operationsverstärker Slew Rate > 10 V/µs ON Semiconductor MC34072P
  |Widerstand, Metalloxyd, 1,0 kOhm, axial, 0,5 W, 5%
  |1
  |5
  |-
  |-
  |Power MOSFET, P-Kanal International Rectifier IRF4905 P-Kanal                  
  |Widerstand, Metallschicht, 3,0 kOhm, 0207, 0,6 W, 0,1%                  
  |1
  |5
  |-
  |-
  |Dreh-Potentiometer Mono 0.4 W 1 kΩ                                          
  |Widerstand, Metallschicht, 1,0 kOhm, 0207, 0,6 W, 0,1%                                          
  |1
  |2
  |-
  |-
  |Hallsensor, linear, analog, TO-92  SS 495 A                                
  |Elko radial, 120 uF, 16 V, 105°C, low ESR                                
  |1
  |4
  |-
  |-
  |Kugelmagnet Ø 26 mm Neodym, N38, verchromt                                  
  |Keramik-Kondensator, 500V, 22P                                  
  |1
  |4
  |-
  |-
  |100g Kupferlackdraht auf Spule, Ø 0,28mm                                  
  |Standardquarz, Grundton, 16,000000 MHz                                  
  |1
  |3
  |-
  |-
  |Stecker-Netzteil                                                          
  |Hallsensor, linear, analog, TO-92                                                          
  |1
  |3
  |-
  |-
  |M10 Schraube min. 8cm lang                                                   
  |IC-Sockel, 28-polig, doppelter Federkontakt                                                   
  |1
  |2
  |-
  |-
  |M10 Mutter                                                                      
  |IC-Sockel, 8-polig, doppelter Federkontakt                                                                      
  |1
  |2
  |-
  |-
  |Stativ
  |Lötbare Schraubklemme - 8-pol, RM 5 mm, 90°
  |1                                                                      
|2
|-
|Widerstand Keramik, 1,0 Ohm
|2
|-
|Leiterplatte mit eigenem Layout
  |1                              
  |}
  |}
Bauteiletabelle der Bachelorstudenten
<br/>
----




====Umsetzung====
====Umsetzung====
Während der Wartezeit auf die bestellten Bauteile, wurde von den Bachelorstudenten in SolidWorks ein Stativ entworfen, dass Spule und Hallsensor hoch lagern. Ein Kabelkanal, der durch die Standbeinen des Stativs verläuft ermöglicht, das Kabel zu diesen Komponenten von Außen unentdeckt bleiben. Außerdem wurden ein Bohrung für die Spannungsversorgung und eine Vorrichtung zur Anbringung des Potentiometers modelliert.
Während der Wartezeit auf die bestellten Bauteile, wurde von den Bachelorstudenten ein Schaltplan erstellt und diesem entsprechend eine Leiterplatte designt, die zum Unterbringen der bestellten elektronischen Bauteile diente. Der Schaltplan und das Leiterplattenlayout wurde mit der Software Eagle erstellt. Gefertigt wurde die Leiterplatte mit dem eigenen Fräsbohrplotter der Hochschule.


Nach der Anleitung der c't hacks wurde ein Schaltplan mit dem Tool NI Multisim entworfen und eine Leiterplatte in NI Ultiboard designed. Dieser Entwurf wurde anschließend in der Hochschule gefräst. Nun wurden die Bauteile auf die Leiterplatte gelötet. Für die Elemente, die nicht direkt auf der Leiterplatte angebracht werden, wie Netzteil, Spule und Hallsensor, wurden Kabel angebracht. Die Komponenten wurden auf dem Stativ platziert und Verbindungen zur Leiterplatte mit Lüsterklemmen realisiert. Dies hat den Vorteil, dass die Leiterplatte leicht aus dem Versuchsaufbau entfernt werden kann.
Nachdem die Bauteile eingetroffen waren, wurden diese auf die Leiterplatte anhand des erstellten Schaltplanes aufgelötet.
Als Netzteil zur Spannungsversorgung der Leiterplatte wird ein Labornetzteil verwendet (Vcc der Platine max. 14 V). An die Leiterplatte wird die Spannungsversorgung, die Spule, der Hallsensor und das Potentiometer über eine lötbare Schraubklemmleiste angeschlossen.
Dies hat den Vorteil, dass die Platine von den angeschlossenen Komponenten problemlos getrennt werden kann.
Nach Fertigstellung der Platine wurde zur nächst die Vesorgungsspannung angelegt und es wurde geprüft, ob die Platine Elektrotechnisch in Ordnung ist. Das heißt es wurde an verschiedenen Stellen Spannung gemessen und verifiziert, das die richtigen Spannungen anliegen. Durch diese Prüfung ist es relativ einfach schlechte Lötverbindung aufzudecken. Es war allerdings alles einwandfrei. Nach der elektrotechnischen Prüfung wurden dann Komponenten über die lötbare Schraubklemmleiste angeschlossen.


<gallery caption="Gallerie zur Umsetzung der Bachelorstudenten" widths="200px" heights="200px" perrow="4">
<gallery caption="Galerie zur Umsetzung der Bachelorstudenten WS17/18" widths="200px" heights="200px" perrow="4">
Datei:Projekt49 CAD Modell.png|CAD-Modell des Stativs
Datei:Platinenlayout_Eagle_PCB.PNG|Layout der Platine
Datei:Leiterplatte.JPG|Gefräste Leiterplatte
Datei:Schaltplan_Eagle_PCB.PNG|Schaltplan der Platine
Datei:Projekt_49_Standfuß_geduckt.JPG|Gedruckter Standfuß
Datei:Platine Schwebende Kugel 1.JPG| Platine zusammen mit Arudino Uno Board zum Programmieren
Datei:20160108_143341.jpg|Versuchsaufbau der Bachelorstudenten
Datei:Aufbau Schwebende Kugel 1.JPG| Versuchsaufbau der schwebenden Kugel
</gallery>
</gallery>


===Masterstudenten===
====Umsetzung mit dem Mikrocontroller====
Für die Umsetzung der Masterstudenten wurden folgende Bauteile verwendet:
 
{| border="1"
! width="600px" |Bauteil
! width="100px" |Anzahl
|-
|Keramik-Kondensator, 100 nF                                             
|2
|-
|Elektrolytkondensator, 100 uF                                                    
|1
|-
|Spannungsregler, 5 V, 78L05                               
|1
|-
|Diode, 1N4148                                                  
|1
|-
|Operationsverstärker, NE5532 DIP           
|1
|-
|MOSFET, IRF4905, P-Kanal                
|1
|-
|Dreh-Potentiometer, zehnstufig, 15 kΩ                                        
|1
|-
|Hallsensor, 27S05L                                
|1
|-
|Kugelmagnet, Ø 18 mm, Neodym                                
|1
|-
|100g Kupferlackdraht auf Spule, Ø 0,28 mm                                
|1
|-
|Lochrasterplatine                                                        
|1
|-
|M6 Innensechskantschraube, 40 mm                                                   
|1
|}


Als Mikrocontroller für die Regelung der Kugel wurde ein Atmel328P mit geflashtem Arduino Bootloader verwendet. Über das Entwicklungsboard Arduino Uno lässt sich eine Verbindung zu der Leiterplatte herstellen. Mithilfe des Arduino Uno Boards kann der Mikrocontroller direkt auf der Leiterplatte programmiert werden, ohne ihn immer entnehmen zu müssen. Zudem ist es möglich, die Analogeneingänge des Mikrocontrollers auf der Leiterplatte über das Arduino Board einzulesen und der Software MATLAB Simulink für die Regelung zu benutzen. Um diese Funktion zu benutzen muss der der 328P aus dem Arduino entnommen werden. Das Arduino Board dient nun im Prinzip nur noch als USB zu Seriell Adapter.
Um die Kommunikation herstellen zu können müssen die an die männlichen Pin-Header geführten Pins des Microcontrollers auf der Platine(Sent, Recieve, Reset und GND) mit dem Arduino Board verbunden werden. (Siehe Schaltplan)


====Fehleranalyse====
Mit dem "Simulink Support Package for Arduino Hardware" können die Analogen Ein- und Ausgänge des Mikrocontrollers in Echtzeit in Simulink eingelesen und verarbeitet werden. An dem analogen Eingängspin 0 ist der Hallsensor anschlossen und an dem analogen Eingangspin 1 ist das Potentiometer angeschlossen. Am PWM Ausgang 5 ist der N-Channel Mosfet angeschlossen der dann das PWM Signal für die Spule schaltet.
Zunächst wurde der bisherige Aufbau auf Fehler analysiert. Das Ergebnis war, dass der Spannungsregler keine Funktion zeigte und dass die Lötstellen auf der Platine unsauber ausgeführt waren. Des Weiteren wurde vermutet, dass der Abstand zwischen Eisenkern und Spulenmaterial aufgrund des Spulenkörpers, sowie der Abstand zwischen Spule und Magnetkugel aufgrund des Stativs zu groß waren.
====Umsetzung====
Bei der Umsetzung wurde mit der Bearbeitung des Stativs begonnen. Um den Abstand zwischen Spule und Magnetkugel zu verringern, wurde die Stativfassung für die Spule tiefer ausgefräst. Außerdem wurden die Beine für eine nicht-sichtbare Kabelführung durchgebohrt. Um das Stativ flexibel hinsichtlich Ab- und Umbauten zu gestalten, wurde die Klebeverbindung der Beine mit dem Boden und dem oberen Teil durch eine Schraubverbindung ersetzt. Für die Kabelführung der Spannungsversorgung wurde zudem ein Loch in den Boden gebohrt.  


Als nächstes wurde die Spule optimiert. Es wurde zur Verringerung des Abstands zwischen Eisenkern und Spulenmaterial ein neuer Spulenkörper aus Kunststoff gefertigt. Das Spulenmaterial wurde dann auf den neuen Körper aufgewickelt.  
Nachdem verfiziert werden konnte, dass die Platine elektrotechnisch gesehen ihren Zweck erfüllt, wurde ein Projekt in der Software MATLAB Simulink aufgesetzt. Nachdem die Projekteinstellungen parametriert wurden, konnte die analogen Eingänge abgefragt, um sicher zu stellen, dass plausible Werte in Simulink eingelesen werden können. Zudem wurde ein Dutycycle auf den analogen Ausgang, welcher mit der Spule verknüpft ist, gegeben um die Auswirkung desssen auf den Hallsensor beurteilen zu können.
Im Anschluss an diese Versuche wurden die besagten Kennnlinie aufgenommen und es wurde schematisch ein Regelkreis entworfen.


Zuletzt wurde eine neue Platine angefertigt, weil davon ausgegangen werden kann, dass die unsauberen Lötstellen einen Kurzschluss und die Zerstörung von Bauteilen zur Folge hatten. Als erstes wurde die Schaltung auf einem Steckbrett aufgebaut, um einfacher Änderungen an dieser vorzunehmen. Hier konnten Probleme mit dem Potentiometer und dem Hallsensor festgestellt werden. Das 1 kΩ Potentiometer mit nur einer Stufe konnte nicht präzise genug eingestellt werden, sodass es durch ein 15 kΩ Potentiometer mit zehn Stufen ausgetauscht wurde. Der erste Hallsensor wurde durch das Auftreffen der Magnetkugel zerstört. Zudem wurde angenommen, dass die Magnetkugel mit ihrem Gewicht von 60 g zu schwer für den Aufbau ist. Aus diesen Gründen wurde ein neuer Hallsensor und eine neue kleinere Magnetkugel eingesetzt. Da der neue Hallsensor ein entgegengesetztes Verhalten aufwies, wurde beim Operationsverstärker die Referenz- mit der Vergleichsspannung getauscht. Abschließend wurde die Schaltung auf eine Lochrasterplatine gelötet und in das Stativ eingesetzt.
==Ergebnis und Ausblick==
===Bachelorstudenten WS17/18===
Das Projekt konnte soweit wie möglich erfolgreich umgesetzt werden.  
Es steht eine komplett fertige und funktionsfähige Platine zur Verfügung, um die schwebende Kugel mit einem digitalen Regler zum schweben zu bringen. Zudem wurde das Konzept zur Regelung, sowie die Kennlinien und das dazugehörige MATLAB Simulink Projekt entwickelt und kann zur Verfügung gestellt werden.


<gallery caption="Gallerie zur Umsetzung der Masterstudenten" widths="200px" heights="200px" perrow="3">
Für nachfolgende Studierende, die sich mit diesem Projekt befassen, wäre es sinnvoll auf der gefertigten Platine und der Kennlinie aufzusetzen, um die Regelung erfolgreich in die Realität umsetzen zu können. Zudem könnte dann das Potentiometer fest mit eingebunden werden, um über die Stellung den Abstand vorgeben zu können.
Datei:P49_Platine.JPG|Gelötete Platine
Datei:Foto_20.12.16,_13_27_33.jpg|Versuchsaufbau der Masterstudenten
Datei:49-qrcode.jpeg|QR-Code zum spektakulären Video
</gallery>


==Ergebnis und Ausblick==
===Bachelorstudenten===
Nach Fertigstellung des Versuchaufbaus wirkte keine Anziehungskraft auf die magnetisierte Kugel, sodass ein Schweben nicht möglich ist. Da bei vorherigen Testaufbauten jedoch bereits eine Anziehungskraft aufgetreten war und bereits eine Umpolung des Feldes vorgenommen wurde, wurden zunächst von Lötfehlern auf der Plantine als Ursache angenommen. Nach der Beseitigung Unreinheiten auf der Platine, war die gewünschte Funktion weiterhin nicht sichergestellt. Bei der Ursachenunteruschung fiel auf, dass zum Einen der Spannungsregler sehr heiß läuft, zum Anderen die Spule selbst beim Anlegen der maximalen Spannung kein Magnetfeld aufbaut, dass die Kugel im Gleichgewicht halten kann. Dies lässt darauf schließen, dass die Spule bei den ersten Ansteuerungsversuchen überlastet wurde, den Kupferlack zum Schmelzen brachte und somit Kurzschlüsse innerhalb der Spule hervor ruft. Ein Kabelbruch konnte ausgeschlossen werden, da beim Anlegen der Spannung ein Strom fließt, der messbar ist. Die Ursache der hohen Temperatur des Spannungsreglers könnte möglicherweise in einem Defekt des Spannungsregler liegen, der durch die zuvor angesprochenen Lötfehler zerstört worden sein könnte.
===Masterstudenten===
===Masterstudenten===
Das Projekt konnte erfolgreich umgesetzt werden. Die Kugel schwebt in einem stabilen Zustand mit etwa 30 mm Abstand zum Hallsensor und der Spule.  
Das Projekt konnte erfolgreich umgesetzt werden. Die Kugel schwebt in einem stabilen Zustand mit etwa 30 mm Abstand zum Hallsensor und der Spule.  


Dies ist auch in dem spektakulären Video zu sehen. Hierzu entweder den QR-Code in der Gallerie zur Umsetzung der Masterstudenten scannen oder auf den folgenden Link klicken:  
Dies ist auch in dem spektakulären Video zu sehen. Hierzu entweder den QR-Code in der Gallerie zur Umsetzung der Masterstudenten scannen oder auf den folgenden Link klicken:  
[//www.youtube.com/watch?v=mcJvrVlwSXE Angewandte Elektrotechnik - Projekt 49: Schwebende Kugel Nachbau]
[//youtu.be/NBaq-wzOaHg Angewandte Elektrotechnik - Projekt 49: Schwebende Kugel Nachbau]


Um die Kugel auch nach größeren Störungen stabil zu halten, ist es möglich das Projekt mit einem Microcontroller, wie beispielsweise dem Arduino Uno, zu realisieren. Hier könnte ein PID-Regler zum Einsatz kommen.
Um die Kugel auch nach größeren Störungen stabil zu halten, ist es möglich das Projekt mit einem Microcontroller, wie beispielsweise dem Arduino Uno, zu realisieren. Hier könnte ein PID-Regler zum Einsatz kommen.


==Literaturverweise==
[1] Schmerold, U. (04/2014). Schwebeteilchen. c’t Hacks, 18ff.
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→ zurück zum Hauptartikel: [[Fachpraktikum_Elektrotechnik_(WS_15/16)|Fachpraktikum Elektrotechnik (WS 15/16)]]
→ zurück zum Hauptartikel: [[Fachpraktikum_Elektrotechnik_(WS_15/16)|Fachpraktikum Elektrotechnik (WS 15/16)]]<br>
→ zurück zum Hauptartikel: [[Angewandte_Elektrotechnik_(WS_16/17)|Angewandte Elektrotechnik (WS 16/17)]]

Aktuelle Version vom 22. Januar 2018, 14:45 Uhr


Der fertige Versuchsaufbau des Projekts

Autoren: Benedikt Röper, Niklas Lingenauber und Christopher Brömse, Gesina Kira Tigger, John Kneib, Benedikt Wulowitsch
Betreuer: Prof. Schneider, Prof. Göbel


Bei dieser Seite handelt es sich um die Dokumentation des Projektes "Schwebene Kugel Nachbau" aus dem Modul Angewandte Elektrotechnik im 5. Semester des Bachelorstudiengangs Mechatronik bzw. im 1. Semester des Masterstudiengangs Business and Systems Engineering. Das Projekt wurde zunächst von den Bachelorstudenten Benedikt Röper und Niklas Lingenauber bearbeitet und von Prof. Schneider betreut, dann von den Masterstudenten Christopher Brömse und Gesina Kira Tigger überarbeitet und fertiggestellt und von Prof. Göbel betreut. Im Wintersemester 2017/2018 wurde eine neue Platine entwickelt, zudem wurde ein Konzept zur digitalen Regelung der Kugel in der Software MATLAB Simulink durch die Bachelorstudenten John Kneib und Benedikt Wulowitsch erarbeitet.


Aufgabe

Das Projekt beinhaltete die Aufgabe eine Magnetkugel mit Hilfe einer Spule und eines Hallsensors zum Schweben zu bringen. Die Anleitung für dieses Projekt konnte aus der Zeitschrift c't hacks 4/2014[1] entnommen werden.

Erwartungen an die Projektlösung

An das Projekt für die Bachelorstudenten wurden folgende Erwartungen gestellt:

  • Lesen Sie den Artikel in c‘t hacks 4/2014
  • Planen Sie den Aufbau
  • Beschaffen Sie die Bauteile
  • Realisierung des Aufbaus
  • Machen Sie spektakuläre Videos, welche die Funktion visualisieren.
  • Test und wiss. Dokumentation
  • Live Vorführung während der Abschlusspräsentation


An das Projekt für die Masterstudenten wurden folgende Erwartungen gestellt:

  • Lesen Sie den Artikel in c‘t hacks 4/2014
  • Analysieren Sie den bisherigen Aufbau
  • Beschaffen Sie eventuelle Ersatz-Bauteile
  • Realisierung des Aufbaus
  • Machen Sie ein spektakuläres Video, welches die Funktion visualisiert
  • Test und wissenschaftliche Dokumentation
  • Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Anspruchsvoll (**)

Wirkungsprinzip

Es ist allgemein bekannt, dass sich im Magnetismus gleichnamige Pole abstoßen und sich unterschiedliche Pole anziehen. Die Schwierigkeit, eine Magnetkugel zum Schweben zu bringen, liegt darin, ein Gleichgewicht zwischen der durch den Magnetismus verursachten Anziehungskraft und der Erdanziehungskraft auf die Kugel zu erzeugen. Dazu wird ein dynamisches Magnetfeld benötigt, um eine Änderung des Magnetfeldes zu realisieren. Mit einer Spule lässt sich ein dynamisches Magnetfeld erzeugen und elektrisch steuern.

Regelkreis der Bachelorstudenten WS17/18

Nachdem die Hardware erfolgreich in Betrieb genommen werden konnte und die Signale der analogen Eingänge in MATLAB Simulink zur Verfügung standen, wurden Kennlinien aufgenommen. Zuerst wurde eine Kennlinie Abstand-Hallspannung aufgenommen. Hierbei wurde der Abstand variiert, parallel dazu wurde die Hallspannung eingelesen. Aus diesen Daten wurde in einem 1D-Lookup Table eine Kennlinie erzeugt. Die zweite Kennlinie bezieht sich auf den Dutycycle der Pulsweitenmodulation, mit der die Spule angesteuert wird und den dabei entstandenen Einfluss auf die Hallspannung. Dazu wurde an die Spule eine Spannung von 14.0V angelegt. Anschließend wurde der Dutycycle von 0-100% in Zehnerschritten erhöht. Die dabei zu messende Hallspannung wurde ebenfalls in einem 1D-Lookup Table, zusammen mit dem Dutycycle, als Kennlinie hinterlegt. Der schematische Aufbau des Regelkreises ist als Bild in der Galerie dargestellt.

  • Galerie zum Regelkreis der Bachelorstudenten
  • Kennlinie Abstand-Hallspannung

    Kennlinie Abstand-Hallspannung

  • Kennlinie Dutycycle-Hallspannung

    Kennlinie Dutycycle-Hallspannung

  • Schematischer Aufbau des Regelkreises

    Schematischer Aufbau des Regelkreises

Bearbeitung des Projekts

Bachelorstudenten

Bei der Umsetzung im WS 2017/2018 wurde auf den bestehenden Aufbau zurückgegriffen. Dieser Aufbau beinhaltete das Stativ inkl. Potentiometer und Spule.

Die neu hinzugekommenen Bauteile sind folgende:

Bauteil Anzahl
Leistungs-MOSFET P-Ch TO-220AB 55V 74A 2
Spannungsregler, 5V, 1,5A, TO-220 2
ATMega AVR-RISC-Controller, DIL-28 2
Ultraschnelle Gleichrichterdiode, DO201, 400V,3A 2
Widerstand, Metalloxyd, 1,0 kOhm, axial, 0,5 W, 5% 5
Widerstand, Metallschicht, 3,0 kOhm, 0207, 0,6 W, 0,1% 5
Widerstand, Metallschicht, 1,0 kOhm, 0207, 0,6 W, 0,1% 2
Elko radial, 120 uF, 16 V, 105°C, low ESR 4
Keramik-Kondensator, 500V, 22P 4
Standardquarz, Grundton, 16,000000 MHz 3
Hallsensor, linear, analog, TO-92 3
IC-Sockel, 28-polig, doppelter Federkontakt 2
IC-Sockel, 8-polig, doppelter Federkontakt 2
Lötbare Schraubklemme - 8-pol, RM 5 mm, 90° 2
Widerstand Keramik, 1,0 Ohm 2
Leiterplatte mit eigenem Layout 1

Bauteiletabelle der Bachelorstudenten


Umsetzung

Während der Wartezeit auf die bestellten Bauteile, wurde von den Bachelorstudenten ein Schaltplan erstellt und diesem entsprechend eine Leiterplatte designt, die zum Unterbringen der bestellten elektronischen Bauteile diente. Der Schaltplan und das Leiterplattenlayout wurde mit der Software Eagle erstellt. Gefertigt wurde die Leiterplatte mit dem eigenen Fräsbohrplotter der Hochschule.

Nachdem die Bauteile eingetroffen waren, wurden diese auf die Leiterplatte anhand des erstellten Schaltplanes aufgelötet. Als Netzteil zur Spannungsversorgung der Leiterplatte wird ein Labornetzteil verwendet (Vcc der Platine max. 14 V). An die Leiterplatte wird die Spannungsversorgung, die Spule, der Hallsensor und das Potentiometer über eine lötbare Schraubklemmleiste angeschlossen. Dies hat den Vorteil, dass die Platine von den angeschlossenen Komponenten problemlos getrennt werden kann. Nach Fertigstellung der Platine wurde zur nächst die Vesorgungsspannung angelegt und es wurde geprüft, ob die Platine Elektrotechnisch in Ordnung ist. Das heißt es wurde an verschiedenen Stellen Spannung gemessen und verifiziert, das die richtigen Spannungen anliegen. Durch diese Prüfung ist es relativ einfach schlechte Lötverbindung aufzudecken. Es war allerdings alles einwandfrei. Nach der elektrotechnischen Prüfung wurden dann Komponenten über die lötbare Schraubklemmleiste angeschlossen.

  • Galerie zur Umsetzung der Bachelorstudenten WS17/18
  • Layout der Platine

    Layout der Platine

  • Schaltplan der Platine

    Schaltplan der Platine

  • Platine zusammen mit Arudino Uno Board zum Programmieren

    Platine zusammen mit Arudino Uno Board zum Programmieren

  • Versuchsaufbau der schwebenden Kugel

    Versuchsaufbau der schwebenden Kugel

Umsetzung mit dem Mikrocontroller

Als Mikrocontroller für die Regelung der Kugel wurde ein Atmel328P mit geflashtem Arduino Bootloader verwendet. Über das Entwicklungsboard Arduino Uno lässt sich eine Verbindung zu der Leiterplatte herstellen. Mithilfe des Arduino Uno Boards kann der Mikrocontroller direkt auf der Leiterplatte programmiert werden, ohne ihn immer entnehmen zu müssen. Zudem ist es möglich, die Analogeneingänge des Mikrocontrollers auf der Leiterplatte über das Arduino Board einzulesen und der Software MATLAB Simulink für die Regelung zu benutzen. Um diese Funktion zu benutzen muss der der 328P aus dem Arduino entnommen werden. Das Arduino Board dient nun im Prinzip nur noch als USB zu Seriell Adapter. Um die Kommunikation herstellen zu können müssen die an die männlichen Pin-Header geführten Pins des Microcontrollers auf der Platine(Sent, Recieve, Reset und GND) mit dem Arduino Board verbunden werden. (Siehe Schaltplan)

Mit dem "Simulink Support Package for Arduino Hardware" können die Analogen Ein- und Ausgänge des Mikrocontrollers in Echtzeit in Simulink eingelesen und verarbeitet werden. An dem analogen Eingängspin 0 ist der Hallsensor anschlossen und an dem analogen Eingangspin 1 ist das Potentiometer angeschlossen. Am PWM Ausgang 5 ist der N-Channel Mosfet angeschlossen der dann das PWM Signal für die Spule schaltet.

Nachdem verfiziert werden konnte, dass die Platine elektrotechnisch gesehen ihren Zweck erfüllt, wurde ein Projekt in der Software MATLAB Simulink aufgesetzt. Nachdem die Projekteinstellungen parametriert wurden, konnte die analogen Eingänge abgefragt, um sicher zu stellen, dass plausible Werte in Simulink eingelesen werden können. Zudem wurde ein Dutycycle auf den analogen Ausgang, welcher mit der Spule verknüpft ist, gegeben um die Auswirkung desssen auf den Hallsensor beurteilen zu können. Im Anschluss an diese Versuche wurden die besagten Kennnlinie aufgenommen und es wurde schematisch ein Regelkreis entworfen.

Ergebnis und Ausblick

Bachelorstudenten WS17/18

Das Projekt konnte soweit wie möglich erfolgreich umgesetzt werden. Es steht eine komplett fertige und funktionsfähige Platine zur Verfügung, um die schwebende Kugel mit einem digitalen Regler zum schweben zu bringen. Zudem wurde das Konzept zur Regelung, sowie die Kennlinien und das dazugehörige MATLAB Simulink Projekt entwickelt und kann zur Verfügung gestellt werden.

Für nachfolgende Studierende, die sich mit diesem Projekt befassen, wäre es sinnvoll auf der gefertigten Platine und der Kennlinie aufzusetzen, um die Regelung erfolgreich in die Realität umsetzen zu können. Zudem könnte dann das Potentiometer fest mit eingebunden werden, um über die Stellung den Abstand vorgeben zu können.

Masterstudenten

Das Projekt konnte erfolgreich umgesetzt werden. Die Kugel schwebt in einem stabilen Zustand mit etwa 30 mm Abstand zum Hallsensor und der Spule.

Dies ist auch in dem spektakulären Video zu sehen. Hierzu entweder den QR-Code in der Gallerie zur Umsetzung der Masterstudenten scannen oder auf den folgenden Link klicken: Angewandte Elektrotechnik - Projekt 49: Schwebende Kugel Nachbau

Um die Kugel auch nach größeren Störungen stabil zu halten, ist es möglich das Projekt mit einem Microcontroller, wie beispielsweise dem Arduino Uno, zu realisieren. Hier könnte ein PID-Regler zum Einsatz kommen.

Literaturverweise

[1] Schmerold, U. (04/2014). Schwebeteilchen. c’t Hacks, 18ff.

→ zurück zum Hauptartikel: Fachpraktikum Elektrotechnik (WS 15/16)
→ zurück zum Hauptartikel: Angewandte Elektrotechnik (WS 16/17)

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