Geschwindigkeitsregelanlage

Aus HSHL Mechatronik
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Autor: Maik Spinnrath, Mario Wollschläger
Gruppe: 2.5
Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

Das Projekt Geschwindigkeitsregelanlage entsteht im Rahmen des GET-Fachpraktikum des Studiengangs Mechatronik im 5 Semester. Zielsetzung ist die Realisierung eines Systems, welches die Geschwindigkeit eines modifizierten RC-Autos regeln soll. Die Reglung geschieht auf Basis von Daten aus Raddrehzahlsensoren. Die notwendigen Berechnungen werden von einem Microcontroller des Typs ATmega328 mit Arduino-Bootloader.

Die Umsetzung des Projektes wird durch die Mechatronik Studenten Maik Spinnrath und Mario Wollschläger realisiert.

Anforderungen

Für den Erfolg des Projektes bestehen die folgenden Anforderungen an das System:

Nr.: Requirement Status
1.0 Echtzeitanforderung: Die Reglung muss in Echtzeit erfolgen, d.h. die notwendigen Berechnungen müssen in einer vorher definierten Zeit abgeschlossen sein. in Arbeit
2.0 Platzbedarf: Das System muss in dem zur Verfügung stehendem Bauraum vollständig realisiert werden. Abgeschlossen
3.0 Energiebedarf: Ein Batteriebetrieb muss möglich sein um die Mobilität des Gesamtsystem Fahrzeug zu gewährleisten Abgeschlossen
4.0 Erschütterungen dürfen zu keinen Beeinträchtigungen oder Beschädigungen führen. offen
5.0 Gewicht: Die maximale Achslast des Fahrzeuges darf nicht überschritten werden. Abgeschlossen
6.0 Das System muss den Auftraggeber Zufrieden stellen offen
7.0 Die Geschwindigkeit muss ermittelt werden und weiterverarbeitbar dargestellt werden. Abgeschlossen
7.0 Der Nutzer muss eine Sollgeschwindigkeit einstellen können. Abgeschlossen
8.0 Der Nutzer muss eine Rückmeldung über Soll- und Ist-Geschwindigkeit erhalten. Abgeschlossen
8.1 Der Nutzer muss eine Rückmeldung über Regelfehler und Stellgrößer erhalten. Abgeschlossen
9.0 Die Geschwindigkeit muss zuverlässig geregelt werden. In Arbeit

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Systementwurf [1]
Erweiterung des Systementwurf[2]

Das System besteht aus verschiedenen Komponenten. Zur Erfassung der Geschwindigkeit werden Drehzahlsensoren eingesetzt. Die ermittelten Daten werden von einem Mikrocontroller verarbeitet. Anschließend kann die Geschwindigkeit durch die Anpassung der Stromzufuhr des Motors geregelt werden. Diese wird zuvor vom Benutzer angegeben.

Optional kann das System durch einen Ultraschallsensor dahingehen erweitert werden, dass eine Abstandsregelung zu vorausfahrenden Fahrzeugen möglich wird. Hierfür kann die eingestellte Geschwindigkeit je nach Distanz verringert oder vergrößert werden, um den gewünschten Abstand zu halten oder einzustellen.


Komponentenspezifikation

Komponente Beschreibung Bild
Arduino UNO R3 Die Kernkomponente ist ein Arduino Uno Board, auf diesem ist ein ATmega328P verbaut welche die Berechnungen des Systems übernimmt. Dieser arbeitet mit einer Taktfrequenz von 16MHz und besitzt eine Betriebsspannung von 5V. Über 14 I/O Pins können Sensoren und Aktoren angeschlossen werden, wovon jeweils 6 als PWM Ausgang oder als Analog Eingang genutzt werden können. Die I/O Pins können maximal 20mA leisten. Die Restlichen Informationen können aus diesem Datenblatt[3] entnommen werden.
TLE4905L Ein TLE4905L Hall-Effekt Sensor der Firma Infineon wurde verwendet um die Geschwindigkeit des Fahrzeuges über die Raddrehzahl zu ermitteln. Der Sensor kann auf Basis eines Magnetfeldes innerhalb einer Mikrosekunde schalten. Dieser arbeitet ein einem Bereich von 3.8 bis 24 Volt und kann einen Ausgangsstrom von 100mA liefern. Nähere Informationen zum Sensor sind im Hauptartikel zu finden.
Infinion TLE4905L [4]
Display Des weiteren wurde ein Display mit einer Anzeige aus 16 Zeichen pro Zeile und zwei Zeilen verwendet, um dem Nutzer Rückmeldung über Systemparameter zu geben. Dieses Display wird über eine I2C Schnittstelle betrieben.
STP16NF06L n-Kanal MOSFET Zur Schaltung größerer Lasten wurde ein n-Kanal MOSFET der Firma ST verwendet. Dieser kann Spannungen bis 60 Volt schalten und hält Ströme bis zu 16 Amper aus. Durchlasswiderstand ist kleiner als 0,09 Ohm und typischerweise 0,07 Ohm. Der MOSFET wird in einem TO-220 Gehäuse geliefert.[5]
STP16NF06L [6]
Optokoppler EL817 Aufgrund der unterschiedlichen Spannungsniveaus der verschiedenen Stromkreise des Fahrzeuges und des Mikrokontroller wurde ein Optokoppler verwendet. Kosten: 0.17 Euro. Auf der Eingangsseite schaltet er mit 1,2Volt und auf der Ausgangsseite können bis zu 35Volt geschaltet werden. Hierbei ist eine Isolierung von Aus- und Eingangsseite bis zu 5000V gewährleistet. Beide Seiten können bis zu 50mA leiten. Die Gehäuseform entspricht einem DIP mit 4 Anschlüssen.[7]
EL817[8]
Widerstände Es wurden 2 330Ohm und 3 10kOhm Widerstände zur Realisierung der Schaltung verwendet. Aus Kostengründen wurden Kohleschichtwiderstände mit einer Genauigkeit von 5% verwendet.
Diode BA 159 In der Schaltung für die Nutzereingabe wurde eine Gleichrichterdiode verwendet. Diese Diode hält bis zu 1000 Volt in Sperrrichtung und 1 Amper stand.[9]
BA 159[10]
RC-Auto Als Basis für das Projekt wurde ein Ferngesteuertes Modellauto der Firma Dickie Toys modifiziert. Es besitzt Federung, Heckantrieb und Lenkung. Der Motor kann in nur einer Leistungsstufe betrieben werden.
Modellauto

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Software

Komponententest

Halleffektsensor

Motoransteuerung

Benutzereingabe

Display

Gesamtschaltung Steckbrett

Gesamtschaltung Platine

Ergebnis

Es funktioniert!

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

Projektplan

Datum Aufgabe Durchgeführt Status
05.10.2020 Ausarbeitung einer Grundidee = Abgeschlossen
08.10.2020 Wiki-Artikel anlegen = Abgeschlossen
09.10.2020 Systementwurf, Wiki-Artikel Konzept = Abgeschlossen
05.11.2020 Sensortest, Hallsensor = Teilweise Abgeschlossen
18.12.2020 Motoransteuerung =, Sensortest, Hallsensor Abgeschlossen
21.11.2020 Regelkreis und Simulation = Teilweise Abgeschlossen
27.11.2020 Gesamtaufbau Steckbrett = Abgeschlossen
28.11.2020 Software Projekt anlegen = Abgeschlossen
29.11.2020 Software Geschwindigkeitsmessung, Regler, Motor = Abgeschlossen
30.11.2020 Software und Steckbrett Benutzereingabe = Abgeschlossen
02.01.2021 Platine Zusammenbau = Teilweise Abgeschlossen
03.01.2021 Platine Test, Kontaktierung, Gesamtaufbau =, Platine Zusammenbau Abgeschlossen
04.01.2021 Informationsaustausch, Wiki-Artikel Struktur = Abgeschlossen
04.01.2021 Wiki-Artikel Komponentenspezifikation = In Arbeit

Projektdurchführung

YouTube Video

Weblinks

Literatur

  1. Eigenes Dokument
  2. Eigenes Dokument
  3. Arduino: Arduino- ArduinoBoardUno. 2021. Online im Internet: https://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno> Abruf: 05.01.2021
  4. https://cdn-reichelt.de/bilder/web/artikel_ws/B400/PICTURE_2SS52M.jpg
  5. STMikroelektronics: STP16NF06L/FP. 2004. Online im Internet: https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A200/TXSTM-POWERMOSFET-STX-16NF06L_EN.pdf; Abruf: 05.01.2021
  6. https://cdn-reichelt.de/bilder/web/xxl_ws/A200/TO-220.png
  7. EVERLIGHT ELETCRONICS CO., LTD: Technical Data Sheet - Photocoupler-EL817 Series. 2004. Online im Internet: https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A500/EL817-EVL.pdf; Abruf: 05.01.2021
  8. https://cdn-reichelt.de/bilder/web/artikel_ws/A501/DIP-4.jpg
  9. Continental Device India Limited: FAST SWITCHING PLASTIC RECTIFIERS - BA157, BA158, BA159. Jahr Unbekannt. Online im Internet: https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A400/BA157_BA158_BA159_CDIL.pdf; Abruf: 05.01.2021
  10. https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A400/BA157_BA158_BA159_CDIL.pdf

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