Projekt 49: Schwebende Kugel Nachbau

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
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  Kennlinie Abstand-Hallspannung

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  Kennlinie Dutycycle-Hallspannung

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  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

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Umsetzung

Während der Wartezeit auf die bestellten Bauteile, wurde von den Bachelorstudenten eine Leiterplatte designt, die zum Unterbringen der bestellten elektronischen Bauteile diente. 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. 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.

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

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  Schaltplan der Platine

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.

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.

• Gallerie zur Umsetzung der Masterstudenten
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  Gelötete Platine

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  Versuchsaufbau der Masterstudenten

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  QR-Code zum spektakulären Video

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

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.

Realisierung mit einem Mikrocontroller

Als Mikrocontroller für die Regelung der Kugel wurde ein Atmel326b verwendet. Über das Entwicklungsboard Arduino Uno lässt sich eine Verbindung zu der Leiterplatte herstellen. Mithilfe des Arduino Uno Boards lässt sich der Mikrocontroller direkt auf der Leiterplatte programmieren, 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.

Literaturverweise

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

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