Selbstregelndes Schwungrad

Aus HSHL Mechatronik
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Abb.1: Titelbild Selbstregendes Schwungrad

Autor: Bastian Hannappel, Paul Janzen
Betreuer: Prof. Göbel
Kategorie: Projekte ET MTR BSE WS2023


Einleitung

Das Projekt "Selbstregelndes Schwungrad" im Rahmen des Moduls "Mechatronische Systeme 2" im 5. Semester des Studiengangs Mechatronik handelt von einem Schwungrad, welches durch einen Motor an einer Halterung angebracht ist. Die Halterung ist an einer Stelle mit dem Boden verbunden, kann aber entlang einer Ebene um diesen Punkt rotieren. Durch ein Gyroskop erkennt ein Arduino, ob die Halterung senkrecht stehen. Sollte etwas die Halterung in eine Richtung kippen lassen, kann das Schwungrad durch gezielte Drehungen dem entgegenwirken und sich wieder senkrecht aufstellen.

Anforderungen

Teilanforderungen
Nr. Anforderung Bereich Zuständigkeit Umsetzung
1 Das selbstregelnde Schwungrad muss aus einem Schwungrad, montiert an einer Halterung, bestehen. Hardware Basti & Paul Das Schwungrad wird auf dem Rotor des Motors montiert. Der Motor ist fest mit der Halterung verbunden. Die Halterung ist mithilfe von 2 Stehkugellagern auf der Basisplatte verschraubt.
2 Das Schwungrad muss von einem DC-Motor betrieben werden. Hardware Basti & Paul Das Schwungrad wird von einem 24V BDCM Nidec 24H Motor angetrieben.
3 Das Gyroskop muss die Stellung der Halterung feststellen können. Hardware/Software Basti & Paul Mithilfe eines Blocks der Arduino Simulink Library kann der Sensor in Simulink ausgelesen und die Daten verarbeitet werden.
4 Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe muss mit einem Arduino und Matlab Simulink realisiert werden. Software Basti & Paul Sensor, Regler & Motoransteuerung wurden in Simulink realisiert und werden mithilfe eines Arduino Mega ausgeführt.
5 Mithilfe eines Reglers muss sich das selbstregelnde Schwungrad senkrecht ausrichten. Software Basti & Paul Als Regler haben wir uns für einen PD Regler entschieden (Siehe Reglerauswahl). Durch variieren der Parameter KP und KD und austesten am realen System haben wir die Regler Parameter herausgefunden die zu unserem System passten.
6 Optional: Das Schwungrad muss sich selber aus der Ruhestellung aufrichten können. Software noch offen noch offen

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Im folgenden Systementwurf wird das Projekt in Systemkomponenten unterteilt:

  • Arduino: Programmierung mit Matlab Simulink.
  • Halterung/Motor/Schwungrad: Steuerung des Motors, antreiben des Schwungrads
  • Gyroskop: Positionsabfrage mittels eines Gyroskops
  • Regler: Regler zur Senkrechtstellung


  • Abb.2: Technischer Systementwurf

    Abb.2: Technischer Systementwurf

  • Abb.3: Funktionaler Systementwurf - Skizze

    Abb.3: Funktionaler Systementwurf - Skizze

  • Abb.4: Schaltplan (erstellt mit Fritzing[1])

    Abb.4: Schaltplan (erstellt mit Fritzing[1])

Projektplanung

Meilensteine

Direkt zum Anfang des Projektes haben wir uns wichtige Meilensteine in dem Programm Gantt Projekt gesetzt.

Datum Meilenstein Kommentar
28.09.2023 Projektstart Kick-off Veranstaltung GET-Fachpraktikum
03.10.2023 Vorbereitung abgeschlossen Projektidee eingereicht und Projektplan erstellt
17.11.2023 Planung abschließen Anforderungen, Systementwurf, CAD-Datein, Schaltpläne, Bauteile bestellen
25.12.2023 Projekt umgesetzt Projekt fertig aufgebaut, Einzelkomponenten getestet und Programm fertiggestellt
18.01.2024 Projektmesse Tests erfolgreich bestanden, Dokumentation in Wiki&Video

Den kompletten Projektplan mit allen Unteraufgaben finden Sie unter Projektplan.

Bauteile

Nr. Bauteil Kosten Link
1 Arduino MEGA 2560 38,50€ Reichelt.de
2 L298N Motortreiber mit doppelter H-Brücke 2,65€ Roboter-Bausatz.de
3 3-Achsen Beschleunigungs-/ Lagesensor - GY-521 MPU-6050 2,95€ Roboter-Bausatz.de
4.1 DC Motor 12V 9800 RPM 0.16A 1,45€ Roboter-Bausatz.de
4.2 STEPPERONLINE Schrittmotor Nema 17 13,99€ Amazon.de
4.3 Nidec 24H Brushless DC Motor 4,04€ Aliexpress.com
5 Breadboard 0,95€ Roboter-Bausatz.de
6 Flanschkupplung 3mm 2,76€ GTech-Shop.de

Zusätzliche Komponenten, wie ein Holzbrett, Verbindungskabel sowie verschiedene Schrauben und Muttern, waren bereits vorhanden. Daher ist eine detaillierte Auflistung dieser Teile nicht möglich. Die Halterung und das Schwungrad wurden mithilfe eines 3D-Druckers aus PLA gedruckt und sind somit ebenfalls nicht genau zu beziffern.

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Abb.5: Nidec 24H Motor[2]

Motor

Am Anfang unserer Projektarbeit lag der Fokus auf der Motorsteuerung. Wir planten zunächst, ein Schwungrad mittels eines einfachen 12V DC Motors zu betreiben. Dazu sollte ein L298N Motortreiber mit doppelter H-Brücke verwendet werden, um ein PWM-Signal vom Arduino zu empfangen und auf 12V zu verstärken. Allerdings stellten wir in Tests fest, dass dieser Motor nicht leistungsfähig genug war und insbesondere schnelle Richtungswechsel nicht bewältigen konnte. Daher mussten wir uns nach einer Alternative umsehen.

Anfänglich erwogen wir den Einsatz eines Nema 17 Schrittmotors. Jedoch erwies sich die Ansteuerung der einzelnen Phasen in korrekter Reihenfolge und mit hoher Geschwindigkeit, besonders in Simulink, als sehr komplex. Letztendlich entschieden wir uns für einen Nidec 24h Servomotor. Ein entscheidender Vorteil dieses Motors ist der integrierte Treiber, der separate Anschlüsse für die Spannungsversorgung und die Steuerspannung bietet. Dies ermöglichte uns den Betrieb ohne zusätzlichen Motortreiber, was die Implementierung deutlich vereinfachte.



Abb.6: MPU6050 mit Achsen[3]

Gyroskop

Der Gyroskop- und Beschleunigungssensor MPU6050, ein sogenanntes Mikro-Elektro-Mechanisches System (MEMS), vereint einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und ein 3-Achsen-Gyroskop.

Der Gyroskop-Teil des MPU6050 basiert auf dem Coriolis-Effekt. Wenn sich das Gyroskop um eine der drei Achsen (X, Y oder Z) dreht, verursacht der Coriolis-Effekt eine Vibration. Diese Vibration wird von einem MEMS-Sensor innerhalb des MPU6050 erfasst. Das resultierende Signal wird anschließend verstärkt, demoduliert und gefiltert, um eine Spannung zu erzeugen, die der Winkelgeschwindigkeit proportional ist. Diese Spannung wird durch einen 16-Bit-ADC digitalisiert. Die Skala reicht dabei von ±250 bis ±2000 Grad pro Sekunde​​.[4]

Der Beschleunigungsmesser-Teil des MPU6050 nutzt ebenfalls MEMS-Technologie, um Neigungswinkel und Kippen entlang der X-, Y- und Z-Achsen zu messen. Bewegungen entlang dieser Achsen verursachen eine Verschiebung der beweglichen Massen im Sensor. Diese Verschiebung führt zu einer Veränderung der Differenzialkapazität und erzeugt ein Ausgangssignal, das proportional zur Beschleunigung ist. Ein 16-Bit-ADC digitalisiert dieses Signal. Der MPU6050 bietet verschiedene Empfindlichkeitsbereiche für die Beschleunigungsmessung, von ±2g bis ±16g. Wenn der Sensor auf einer ebenen Fläche liegt, misst er 0 g auf den X- und Y-Achsen und +1 g auf der Z-Achse​​.[5]


Abb.7: Schwungrad CAD-Zeichnung

Schwungrad

Für die Entwicklung unseres Schwungrads wählten wir den 3D-Druck mit einem FDM-Drucker für den Heimgebrauch. Diese Entscheidung basierte auf der Verfügbarkeit eines eigenen Druckers, der kostengünstigen Druckmöglichkeit und der Möglichkeit, entworfene Modelle schnell umzusetzen. Es war wichtig, dass das Schwungrad absolut rotationssymmetrisch ist, um Vibrationen zu vermeiden. Eine besondere Herausforderung stellte die Montage des Schwungrads auf dem Motorrotor dar. Zunächst nutzten wir eine Flanschkupplung, um das Schwungrad mit dem ersten Motor zu verbinden. Nach dem Wechsel zum Nidec 24H Motor mussten wir die Lochgröße entsprechend anpassen. Der Nidec 24H Motor besitzt eine Zahnung am Rotor, wodurch wir das Schwungrad direkt darauf montieren konnten. Da ein neuer Druck des Schwungrads notwendig war, entschieden wir uns außerdem, Löcher für M8 Schrauben entlang des äußeren Randes zu integrieren. Dies ermöglicht es, das Gewicht des Schwungrads und somit auch die Schwungmasse durch das Hinzufügen oder Entfernen von Schrauben modular anzupassen.





Abb.8: Halterung CAD-Zeichnung

Halterung

Die Konstruktion der Halterung mag einfach erscheinen, doch sie muss bestimmte Anforderungen erfüllen. Zunächst ist eine stabile Verbindung zum Boden erforderlich, um einerseits eine freie Rotation zu ermöglichen, andererseits aber so fest mit dem Boden verbunden zu sein, dass keine Schwingungen auftreten beim Betrieb des Motors auftreten. In unserer CAD-Zeichnung haben wir dafür ein Loch vorgesehen, in das ein Zylinder (ebenfalls 3D-Druck) mit einem Zweikomponentenkleber fest eingeklebt wird. Dieser Zylinder wird dann in die Kugellager eingesetzt, um eine feste, aber dennoch drehbare Verbindung zu gewährleisten.

Zudem ist die Halterung so konstruiert, dass der Motor zentral positioniert ist, was das Gewicht optimal verteilt. Durch die zahlreichen Löcher in der Halterung kann der Motor in insgesamt sechs verschiedenen Positionen befestigt werden. Dies bietet nicht nur mehr Flexibilität bei der Montage, sondern erleichtert auch die Verlegung der Kabel.

Zusätzlich sind in der Halterung zwei Löcher vorgesehen, um das Gyroskop MPU6050 fest anzuschrauben. Dies ist entscheidend, um die genaue Position und Ausrichtung der Halterung kontinuierlich zu messen, was für die Präzision des gesamten Systems von großer Bedeutung ist.


Abb.9: Programmablaufplan

Software

Das Ziel unserer Softwareentwicklung war es nach dem EVA-Prinzip (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe) das selbstregelnde Schwungrad zu steuern. Dafür teilten wir den Entwicklungsprozess in drei Hauptbereiche auf: die Erfassung der Sensor-Daten (Eingabe), die Verarbeitung dieser Daten durch einen eigenen Regler, und schließlich die Umsetzung der berechneten Werte in die Motorsteuerung (Ausgabe).

Im Eingabebereich konzentrierten wir uns auf die genaue Erfassung und Aufbereitung der Sensordaten. Die Verarbeitungsphase beinhaltete die Entwicklung eines Reglers, der auf Basis der Sensordaten die Stellgröße, also die Motordrehgeschwindigkeit regelt. Im Ausgabebereich stand die genaue Umsetzung dieser berechneten Werte in die Motorsteuerung im Vordergrund.

Jeder dieser Bereiche wurde durch spezifische Komponententests überprüft, um die Funktionalität und Effizienz der einzelnen Teile sowie des Gesamtsystems zu gewährleisten

Abb.9: MPU6050 Simulink Block aus Einzelkomponententest[6]


Auslesen des Sensors

Der MPU6050 kann nahtlos in Simulink integriert werden. Dies erfolgt durch die Verwendung eines vordefinierten Simulink-Bausteins aus dem Simulink Support Package für Arduinos, der speziell für die Interaktion mit dem MPU6050 entwickelt wurde[6]. Dieser Baustein ermöglicht das direkte Auslesen von Sensordaten wie Beschleunigungs- und Gyroskop-Werten innerhalb der Simulink-Umgebung. Die Konfiguration des MPU6050 Sensors kann ebenfalls direkt in Simulink vorgenommen werden, dazu stehen spezielle Blockeinstellungen zur Verfügung. Diese ermöglichen es dem Benutzer, verschiedene Sensorparameter anzupassen, einschließlich der Einstellung der Anschlusspins des I2C Busses. Während des Komponententests werden die von dem MPU6050 Sensor erfassten Daten in Simulink auf ihre Richtigkeit überprüft. Dies umfasst das Auslesen und Analysieren der Sensordaten in verschiedenen Ausrichtungen, um die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Sensors sicherzustellen. Die erzielten Testergebnisse konnten in Simulink angezeigt und erfolgreich validiert werden.

Regler

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  • Abb.10: Screenshot Simulink Hauptprogramm

    Abb.10: Screenshot Simulink Hauptprogramm

  • Abb.11: Screenshot Simulink Drehrichtungsgeber

    Abb.11: Screenshot Simulink Drehrichtungsgeber

  • Abb.12: Screenshot Simulink Regler

    Abb.12: Screenshot Simulink Regler

Abb.10: MotorDriver S-Function Simulink Block aus Einzelkomponententest

Ansteuerung des Motors

Die Steuerung des Motors stellte eine besondere Herausforderung dar. Wir begannen mit einem einfachen Gleichstrommotor (DC-Motor) aus einem früheren Projekt. Dieser Motor wurde mittels eines L298N Motortreibers angesteuert. Das bedeutete konkret, dass wir an einen Pin ein PWM-Signal anlegten und über einen zweiten Pin den Motor durch ein High-Signal vorwärts und durch ein Low-Signal rückwärts laufen ließen. Allerdings stellten wir fest, dass dieser Motor für unsere Zwecke zu wenig Leistung bot und vor allem bei Richtungswechseln träge reagierte. Daraufhin versuchten wir, einen Nema 17 Schrittmotor zu verwenden, der jedoch eine höhere Leistung benötigte, als der Motortreiber bereitstellen konnte. Zudem war es eine Herausforderung, die verschiedenen Phasen in der richtigen Reihenfolge schnell genug anzusteuern, damit der Motor sich entsprechend drehte. Schließlich entschieden wir uns für den Nidec 24H Motor, der über einen integrierten Motortreiber verfügt. Dieser Treiber benötigt einen separaten Anschluss für 24V und drei Pins für ein PWM-Signal, die Drehrichtung und eine Bremse. Eine weitere Schwierigkeit war die Notwendigkeit eines PWM-Signals mit einer Frequenz von 15-25kHz. Nach verschiedenen Versuchen fanden wir die AVR_PWM Library[7], die es uns ermöglichte, die Frequenz des PWM-Signals und den Dutycycle zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit einzustellen. Damit konnten wir die Geschwindigkeit des Motors sehr präzise regulieren.

Programmcode S-Function
<div class="mw-collapsible-content">
/* Includes_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
#include <AVR_PWM.h>

#define PWM_Pin       8

//Erstelle Frequenz&dutyCycle
float frequency = 20000;
float dutyCycle;

//Erstelle PWM Instanz
AVR_PWM* PWM_Instance;

#endif
/* Includes_END */

/* Externs_BEGIN */
/* extern double func(double a); */
/* Externs_END */

void MotorDriverSF_Start_wrapper(real_T *xD)
{
/* Start_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
    PWM_Instance = new AVR_PWM(PWM_Pin, 20000, 0);
#endif
/* Start_END */
}

void MotorDriverSF_Outputs_wrapper(const real_T *PWM,
                                   const real_T *xD)
{
/* Output_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
    PWM_Instance->setPWM(PWM_Pin, frequency, map(PWM[0], 0, 255, 100, 20));
#endif
/* Output_END */
}

void MotorDriverSF_Update_wrapper(const real_T *PWM,
                                  real_T *xD)
{
/* Update_BEGIN */

/* Update_END */
}

void MotorDriverSF_Terminate_wrapper(real_T *xD)
{
/* Terminate_BEGIN */
/*
 * Custom Terminate code goes here.
 */
/* Terminate_END */
}


Komponententest

Bevor die verschiedenen Bauteile fest miteinander verlötet und eingebaut werden konnten, war es notwendig, zunächst Tests an den einzelnen Komponenten durchzuführen. Dies diente dazu, die Funktionsfähigkeit jedes Einzelteils sicherzustellen.

Test-Nr. Bauteil Testinhalt Ergebnis Kommentar
1 Motor Einfacher DC-Motor über L298N Motortreiber ansteuern, schnelle Richtungswechsel Durchgefallen Richtungswechsel nicht schnell genug möglich
2 Motor Nema 17 Schrittmotor ansteuern, schnelle Richtungswechsel Durchgefallen Schnelle Ansteuerung der Phasen nur schwer möglich ohne zusätzlichen Treiber
3 Motor Nidec 24h ansteuern, schnelle Richtungswechsel Erfolgreich Schnelle Richtungswechsel und präzise Steuerung gut möglich.
4 Halterung Halterung mit wenig Reibung auf Basisplatte montieren Erfolgreich Mithilfe von 2 Stehkugellagern senkrechtes Aufstellen mit wenig Reibung bei Bewegung.
5 Gyroskop Gyroskop auslesen und Werte in Simulink anzeigen Erfolgreich Mithilfe eines Blocks aus dem Arduino Support Package, konnten alle Werte ausgelesen und in Simulink angezeigt werden.

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

In diesem Projekt konnten wir uns Erfahrung und Wissen in unterschiedlichen Disziplinen aneignen. Zum einen mussten wir, um effektiv im Team zusammenarbeiten zu können, zuerst das Projekt strukturieren, die Ziele ausformulieren und einen Zeitplan erstellen. Dies war in diesem Umfang recht neu für uns, hat sich aber als sehr wertvoll erwiesen. Nachdem wir das Projekt strukturiert hatten, konnten wir die Aufgaben untereinander aufteilen. Während unserer Arbeit am Projekt haben wir die Wichtigkeit von guter Kommunikation im Team kennengelernt.

Eine der wichtigsten Lektionen betrifft die Auswahl und Planung des Motors. Für zukünftige Projekte würden wir einen systematischeren Ansatz verfolgen, indem wir die Anforderungen des Motors gründlicher analysieren und einen detaillierten Plan für die Steuerung in der gewählten Programmierumgebung erarbeiten.

Ein weiterer Aspekt, den wir verbessern würden, ist die Wahl der Programmierumgebung. Obwohl Simulink sich hervorragend für die Entwicklung und Visualisierung von Regelkreisen eignet, haben wir festgestellt, dass es Herausforderungen mit sich bringt, insbesondere wenn keine vorgefertigten Bausteine für unsere Komponenten vorhanden sind. Die Integration von benutzerdefiniertem Code in S-Function erwies sich als relativ kompliziert. Für künftige Projekte gilt es zu überlegen: Für die Umsetzung eines Regelkreises mit einfachen Ein- und Ausgängen ist Simulink die geeignete Wahl. Bei komplexeren Ein- und Ausgängen, die nicht durch einfache Blöcke realisierbar sind, empfiehlt sich hingegen die Verwendung der ArduinoIDE.

Schließlich haben wir erkannt, dass eine gründliche Vorabplanung des mechanischen Systems entscheidend ist. Das selbstregelnde Schwungrad oder das inverse Pendel, wie es in der Mechanik bekannt ist, stellt ein komplexes System dar. Für ein erstes Projekt in diesem Bereich war dies eine sehr ambitionierte Wahl. In zukünftigen Projekten würden wir von Anfang an sorgfältiger abwägen, welches mechanische System umsetzbar und angemessen für unser Erfahrungslevel ist.

Projektunterlagen

Projektplan

  • Abb.11: Projektplan selbstregelndes Schwungrad (mit GanttProjekt erstellt).

    Abb.11: Projektplan selbstregelndes Schwungrad (mit GanttProjekt erstellt).

Projektdurchführung

Bei der Projektdurchführung starteten wir mit der Ideenfindung. Da wir Simulink bereits als optimale Software für die Steuerung von Regelkreisen kannten, entschieden wir uns schnell für die Umsetzung eines mechanischen Systems mit Regelkreis. Unsere Online-Recherche führte uns zum Konzept des inversen Pendels, welches wir als unser Projektziel des selbstregelnden Schwungrades auswählten. Im nächsten Schritt überlegten wir, welche Komponenten für die Realisierung eines solchen Projekts erforderlich wären. Nachdem ein detaillierter Plan erstellt war, bestellten wir die notwendigen Bauteile. Diese wurden, wie zuvor geplant, einzeln auf ihre Funktionalität getestet. Die Halterung und das Schwungrad fertigten wir mittels 3D-Druck selbst an. Nachdem das Gesamtsystem aufgebaut war, begannen wir mit der Entwicklung des Regelkreises, was sich rückblickend als komplexer herausstellte als zunächst angenommen.

YouTube Video

Weblinks

Literatur

→ zurück zur Übersicht: WS 23/24: Projekte GET Fachpraktikum (MTR)

  1. ↑ https://fritzing.org/
  2. ↑ Bild: Nidec 24H Brushless DC Motor | Abgerufen am 15. Januar 2024.
  3. ↑ Bild: MPU6050 mit Achsen | Abgerufen am 15. Januar 2024.
  4. ↑ Complete Guide on MPU6050 (Gyroscope + Accelerometer ) Sensor Module | Abgerufen am 15. Januar 2024.
  5. ↑ InvenSense, Inc.: MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.4 | Abgerufen am 15. Januar 2024.
  6. ↑ 6,0 6,1 Mathworks: MPU6050 Baustein | Abgerufen am 15. Januar 2024.
  7. ↑ GitHub khoih-prog: AVR_PWM Libary | Abgerufen am 15. Januar 2024.
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