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Materialsammlungen und Vorstudien f├OEr die geplanten Labor├OEbungen zur LV Regelungstechnik im WS 2021/22 im Bachelor Maschinenbau


Alle nachfolgend aufgef├OEhrten Bauteile sind in der Mechatronik vorhanden, jedoch nicht immer in ausreichender St├OEckzahl. Idee: Teile zusammensuchen und in Schrank "5" in IWZ135 sammeln.



Pro Box, also pro Zweier Studierendengruppe:
(Wenn etwas ├OEber 20 Studierende teilnehmen, werden 15 Boxen ben├Âtigt, also alles mal 15.) 

Nachfolgend aufgeteilt: 
VV -- Ist in ausreichender Menge VORHANDEN, muss nicht betellt werden
TT -- TEILWEISE vorhanden, Menge an THB m├OE├čte erfasst und der Rest, der fehlt bestellt werden
BB -- Ist nicht vorhanden, muss BESTELLT wernden

VV 1 Kunststoffbox

TT 1 Steckboard MIT ETWAS GR├ľSSERER UNTERPLATTE AUS METALL (damit man auf die Metallplatte den Motor anbringen kann!)
TT 1 Paar selbst klebendes Klettband M-W, 5cm lang.

VV 1 Arduino Micro
VV 1 USB-Micro-Kabel zur Verbindung zwischen Arduino-Micro und PC
TT 1 MPU6050 ( am liebsten Original, damit man den Strohhalm aufstecken kann ;-)
VV 1 8-ter Stiftleiste ECKIG f├OEr MPU6050
VV 1 4-er Stiftleiste ECKIG um Kabelverbindung mit d├OEnner Litze herstellen zu k├Ânnen.
VV 1 4-er Buchsenleiste ECKIG um Kabelverbindung mit d├OEnner Litze herstellen zu k├Ânnen.

TT 1 L293D Motortreiber

VV 1 Elektromotor FF-130SH (Ebay / habe 100 St├OEck zur Verf├OEgung)
  Alternativ: Minimotor mit Getriebe 1:5 ... 1:9 , 5V, weniger als 300mA unter Volllast.
  Beispiele:
BB  https://www.pollin.de/p/dc-getriebemotor-zhaowei-zwmc012010-5-12-v-3550-u-min-310608


VV 3 Kunststoff Trinkhalme (oder etwas anderes, das zum Sensor einen starren K├Ârper erg├EURnzt und die Winkellage gut erkennbar macht und gut befestigbar ist)

VV 5 rote, 5 blaue, 10 gr├OEne Steckboardkabel M-M ("normale" L├EURnge)
VV 5 gelbe Steckboardkabel M-W ("normale" L├EURnge)
VV 10 kurze Steckboardkabel 
BB sehr d├OEnne Litze 2 Meter (Verbindung zum MPU6050)

TT 1 N-Mosfet BUZ21 (Achtung: IRZL34N geht zu leicht kaputt!)

1/4 Watt Kohleschichtwiderst├EURnde 5%Toleranz:
VV 5x 10 kiloOhm
VV 5x 220 Ohm

BB 1 Gro├čer Leistungswiderstand 47 Ohm
BB 1 Gro├čer Leistungswiderstand 22 Ohm (Alternative)

VV 1 LED 5mm rot
VV 1 LED 5mm gr├OEn
VV 1 47nF Keramikkondensator zum Entst├Âren des Motors.

VV 1 Rolle isolierter Klingeldraht, um selber Drahtbr├OEcken herstellen zu k├Ânnen.

VV 1 kurze M3-Schraube
TT 1 Stellring f├OEr 2mm Achse
VV 2 kleine Unterlegscheiben M3
VV 2 Sprengringe M3

optional:
BB 1 Nice-to-have: Aufsteckpropeller f├OEr Motor (2mm Achse, so k├Ânnte eine dritte Regelung umgesetzt werden, die durch Gebl├EURse k├OEhlt.)
TT 1 Nice-to-have: K├EURstchen mit vorkonfektioniertem Klingeldraht
TT 1 Nice-to-have: Elektronikschneider
TT 1 Nice-to-have: Lupe
TT (1 Nice-to-have: USB-Webcam -- ist selten bei den Studierenden zu Hause vorhanden und erm├Âglichst ihnen, den Versuch leichter online zu zeigen)



Code 0-1: Bauteilliste (Im Zweifel, vergl. die Versuche weiter unten., bitte VV-TT-BB gegenpr├OEfen)

Durchzuf├OEhrende vorbereitende T├EURtigkeiten:

  • Bauteile zusammensuchen.
  • Bestellnummern der Bauteile bei Conrad (Best.Nr. ohne MWSt.(?)) und Reichelt heraus suchen.
  • Bauteile, die nicht in ausreichender St├OEckzahl da sind bestellen.
  • Stiftleisten bei MPU6050 anl├Âten.
  • Nicht originale MPU6050 ├OEberpr├OEfen (vergleichbare Ergebnisse? auch Temperatursensor?)
  • Sehr leicht biegsames Verbindungskabel (m├Âglichst d├OEnne Dr├EURhte) zwischen MPU6050 und Steckboard herstellen (f├OEr ebenes Gimbal)
  • *** Ideen zu einer Momentfreien Drahtverbindung zwischen Motorachse mit MPU6050 und Steckboard finden ***
  • Entst├Ârkondensator und Anschlu├čleitungen bei den Motoren anl├Âten.
  • 15 Boxen bereitstellen.
  • Bei jeder Box Arduino-Micro, MPU6050 und BUZ21 vorher testen.
  • Video zur Installation von Scilab (s. scilab.org) unter Windows 10 erstellen.
  • Video zur Installation der Arduino-IDE unter Windows 10 erstellen.
  • Video zur Installation von Processing (s. processing.org) unter Windows 10 erstellen.
  • Ausleihprozedere ├OEberlegen / Ausleihbuch anlegen.
  • Loop-Zyklus mit definierter Dauer dt umsetzen, um Integral klarer definieren zu k├Ânnen.
  • Versuchsaufbauten optimieren, einfache Herstellung, m├Âglichst lineare Zusammenh├EURnge, geringe St├Ârungen, einfache Reproduzierbarkeit, deutliche Effekte anstreben.
  • Anti-Windup f├OEr "Gimbal" (?)
  • Regelstrecken identifizieren, modellieren, f├OEr ├ťbungen in Scilab bereit stellen.

Grundidee: Je Zweiergruppe bekommen die Studierenden eine Box mit dessen Hilfe sie zu Hause selber regelungstechnische Versuche durchf├OEhren k├Ânnen.


  • Die ├ťbung und auch ein gro├čer Teil des theoretischen Unterrichts findet unter Verwendung der CAE-Software Scilab statt.
  • Die Versuche sollen realistische Bedingungen bei der Entwicklung regelungstechnischer Komponenten f├OEr eingebettete Systeme abbilden.
  • Basis bildet ein Arduino-Micro.
  • Regler werden als Software auf dem Mikrocontroller implementiert.
  • Es gibt kontinulierlichen Support.
  • Alle Versuche werden nachfolgend mit Aufbauschema und Demonstrationsvideo vorgestellt.
  • Zugeh├Ârige konkrete Aufgabenstellungen werden noch zu einem sp├EURteren Zeitpunkt erg├EURnzt werden.
  • Die Identifikation der Regelstrecken soll nicht Gegenstand dieser LV sein. Jedoch werden entsprechende Daten vom Dozenten mit Hinweisen dazu ausgegeben, wie sie gewonnen wurden.
  • Sehr wohl sollen diverse Techniken erlernt werden, Regler zu den bekannten Strecken auszulegen.
  • Verteilt auf mehrere (vorbereitende) Versuche werden zwei Regelungen umgesetzt: Ein ebener Gimbal und eine Heizregelung.
Die verwendete Technik basiert auf den Erfahrungen aus der Entwicklung eines Einachsers: 15_Einachser

Vergleiche hierzu auch bereits durchgef├OEhrte LVs:

03_SoSe2021/01_STR/01_day_by_day
62_Regelungssysteme
LABORVERSUCH Nr.1: Einrichten des Motors

Durch die geringe Stromaufnahme der verwendeten Elektromotore auch unter Last (<80mA), ist es m├Âglich diese ohne eine zus├EURtzliche Treiberschaltung direkt durch die digitalen Ausg├EURnge des Arduino-Micro anzusteuern. Im Allgemeinen ist so etwas nicht m├Âglich, ohne zu einer ├ťbelastung der Mikrocontroller zu f├OEhren.

Trotz der geringen Stromaufnahme liefert der Motor ein gen├OEgend gro├čes Drehmoment, um damit regelungstechnische Versuche durchf├OEhren zu k├Ânnen.

Der Keramik-Entst├Ârkondensator wird gemeinsam mit den halbierten Steckkabeln verl├Âtet.

Bild 0-1: Der Keramik-Entst├Ârkondensator wird gemeinsam mit den halbierten Steckkabeln verl├Âtet.

F├OEr den ersten Versuch wird der Stellring mit einer kurzen M3-Schraube an die Motorachse angebracht.

Bild 0-2: F├OEr den ersten Versuch wird der Stellring mit einer kurzen M3-Schraube an die Motorachse angebracht.

Die Verbindung des Motors mit dem Steckbrett erfolgt ├OEber selbstklebende Klettb├EURnder.

Bild 0-3: Die Verbindung des Motors mit dem Steckbrett erfolgt ├OEber selbstklebende Klettb├EURnder.

LABORVERSUCH Nr.2: PWM-Steuerung eines Elektromotors
  • PWM-Bereich: -12500...+12500
  • Losbrechmoment erreicht bei ca. pwm=5000, bzw. pwm=-5000.
  • Positive Werte: Linksderehung
  • Negative Werte: Rechtsdrehung
RTduino001e_motortest.zip -- Arduino-Projekt zum Experiment
Motortest -- Versuchsaufbau.

Bild 0-4: Motortest -- Versuchsaufbau.

Motortest -- Versuchsaufbau schematisch.

Bild 0-5: Motortest -- Versuchsaufbau schematisch.

Video zum Experiment: 02_WS2021_22/01_RTS/99_Material/motortest.mp4
LABORVERSUCH Nr.3: Testen des dreiachsigen Beschleunigungssensors des MPU6050

F├OEr eine nachfolgende Lageregelung soll zun├EURchst der dreiachsige Beschleunigungssensor des MPU6050 getestet werden. Dazu wird die Sensorplatine zun├EURchst direkt auf das Steckbrett gebracht und mit dem Arduino-Micro ├OEber das I2C-Interface verbunden.

Im Versuch kann nun einfach das Steckbrett in die Hand genommen und hin und her zur Seite gekippt werden, um einen Effekt beim Sensor zu sehen.

  • Der Verkippwinkel wird auch aufintegriert in der Variable integ_ary.
  • Das Integral wird aber nach oben und unten begrenzt auf +/-1.
  • Damit die Regelung sp├EURter schnell genug erfolgen kann, muss dazu die serielle Schnittstelle ausgeschaltet werden (SERIELL=false)
Versuchsaufbau zum Testen des MPU6050.

Bild 0-6: Versuchsaufbau zum Testen des MPU6050.

Schematischer Versuchsaufbau zum Testen des MPU6050.

Bild 0-7: Schematischer Versuchsaufbau zum Testen des MPU6050.

Video zum Experiment: 02_WS2021_22/01_RTS/99_Material/mpu6050.mp4
Arduino-Projekt zum Testen des MPU6050: RTduino002c_MPU6050test.zip
LABORVERSUCH Nr.4: Ebenes Gimbal

Hier werden die Komponenten aus den vorangehenden Versuchen zusammengef├OEhrt.

Aufbau des ebenen Gimbals

Bild 0-8: Aufbau des ebenen Gimbals

Schematischer Aufbau des ebenen Gimbals

Bild 0-9: Schematischer Aufbau des ebenen Gimbals

Video zum Experiment: 02_WS2021_22/01_RTS/99_Material/gimbal.mp4

Es m├OE├čten noch sehr weiche Litzen als Verbinder des MPU6050 mit dem Mikrocontroller gefunden werden, damit die Reglung gut funktioniert! Oder es m├OE├čte doch ein Motortreiber wie der L293D verwendet werden. Um das durch die Kabel verursachte Moment klein zu halten, wurde auch der Motor um 90 Grad gegen├OEber den vorangehenden Anordnungen gedreht.


Arduino-Projekt zum ebenen Gimbal: RTduino003e_Gimbal.zip
LABORVERSUCH Nr.5: Ebenes Gimbal, Verwendung eines Motortreibers
Variation unter Verwendung eines Motortreibers (L293D).

Bild 0-10: Variation unter Verwendung eines Motortreibers (L293D).

Arduino-Projekt zum ebenen Gimbal mit Motortreiber: RTduino003g_Gimbal_L293D.zip
Video zum Experiment: 02_WS2021_22/01_RTS/99_Material/motortreiber.mp4 ( (Zu) hoher I-Anteil, um starke Streuung der Me├čwerte auszugleichen)
LABORVERSUCH Nr.6..11: Heizregelung
  • Der MPU6050 besitzt auch einen Temperaturf├OEhler, der f├OEr eine Heizregelung verwendet werden soll.
  • Als Heizung und gleichzeitig Regelstrecke soll ein von den baulichen Abmessungen relativ grosser Leistungswiderstand verwendet werden.
  • Bis 500mA k├Ânnen ├OEber USB abgerufen werden.
  • Bei 47 Ohm ergibt sich: U=R*I, U=5Volt, I=U/R=106mA und damit eine Leistung von P=U*I=532mW.
  • Ein N-Mosfet BUZ21 kann zur Verst├EURrkung des PWM-Signals und zum Ansteuern des Widerstandes verwendet werden.
  • Im Versuch: St├Ârung durch Anpusten des Heizwiderstands.
├ťberpr├OEfen des Mosfets mittels einer LED-Schaltung.

Bild 0-11: ├ťberpr├OEfen des Mosfets mittels einer LED-Schaltung.

Ersetzen der LED durch den 47 Ohm-Widerstand. Der wird sp├OErbar warm, wohingegen der Mosfet k├OEhl bleibt.

Bild 0-12: Ersetzen der LED durch den 47 Ohm-Widerstand. Der wird sp├OErbar warm, wohingegen der Mosfet k├OEhl bleibt.

Schaltungsschema zum Heizwiderstand, der von einem Mosfet angesteuert wird.

Bild 0-13: Schaltungsschema zum Heizwiderstand, der von einem Mosfet angesteuert wird.