Geschwindigkeitsregelanlage
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
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. |  |
| 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] |  |
| 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] |  |
| 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] |  |
| 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. |  |
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
- ↑ Eigenes Dokument
- ↑ Eigenes Dokument
- ↑ Arduino: Arduino- ArduinoBoardUno. 2021. Online im Internet: https://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno> Abruf: 05.01.2021
- ↑ https://cdn-reichelt.de/bilder/web/artikel_ws/B400/PICTURE_2SS52M.jpg
- ↑ STMikroelektronics: STP16NF06L/FP. 2004. Online im Internet: https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A200/TXSTM-POWERMOSFET-STX-16NF06L_EN.pdf; Abruf: 05.01.2021
- ↑ https://cdn-reichelt.de/bilder/web/xxl_ws/A200/TO-220.png
- ↑ 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
- ↑ https://cdn-reichelt.de/bilder/web/artikel_ws/A501/DIP-4.jpg
- ↑ 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
- ↑ https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A400/BA157_BA158_BA159_CDIL.pdf
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