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Materialsammlungen und Vorstudien fÃOEr die geplanten LaborÃOEbungen zur LV Regelungstechnik im WS 2021/22 im Bachelor Maschinenbau


Alle nachfolgend aufgefÃOEhrten Bauteile sind in der Mechatronik vorhanden, jedoch nicht immer in ausreichender StÃOEckzahl. Idee: Teile zusammensuchen und in Schrank "5" in IWZ135 sammeln. 



Pro Box, also pro Zweier Studierendengruppe:
(Wenn etwas ÃOEber 20 Studierende teilnehmen, werden 15 Boxen benötigt, also alles mal 15.) 

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

VV 1 Kunststoffbox

TT 1 Steckboard MIT ETWAS GRÖSSERER 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 fÃOEr MPU6050
VV 1 4-er Stiftleiste ECKIG um Kabelverbindung mit dÃOEnner Litze herstellen zu können.
VV 1 4-er Buchsenleiste ECKIG um Kabelverbindung mit dÃOEnner Litze herstellen zu können.

TT 1 L293D Motortreiber

VV 1 Elektromotor FF-130SH (Ebay / habe 100 StÃOEck zur VerfÃOEgung)
  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 Körper ergÃEURnzt und die Winkellage gut erkennbar macht und gut befestigbar ist)

VV 5 rote, 5 blaue, 10 grÃOEne Steckboardkabel M-M ("normale" LÃEURnge)
VV 5 gelbe Steckboardkabel M-W ("normale" LÃEURnge)
VV 10 kurze Steckboardkabel 
BB sehr dÃOEnne Litze 2 Meter (Verbindung zum MPU6050)

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

1/4 Watt KohleschichtwiderstÃEURnde 5%Toleranz:
VV 5x 10 kiloOhm
VV 5x 220 Ohm

BB 1 Großer Leistungswiderstand 47 Ohm
BB 1 Großer Leistungswiderstand 22 Ohm (Alternative)

VV 1 LED 5mm rot
VV 1 LED 5mm grÃOEn
VV 1 47nF Keramikkondensator zum Entstören des Motors.

VV 1 Rolle isolierter Klingeldraht, um selber DrahtbrÃOEcken herstellen zu können.

VV 1 kurze M3-Schraube
TT 1 Stellring fÃOEr 2mm Achse
VV 2 kleine Unterlegscheiben M3
VV 2 Sprengringe M3

optional:
BB 1 Nice-to-have: Aufsteckpropeller fÃOEr Motor (2mm Achse, so könnte eine dritte Regelung umgesetzt werden, die durch GeblÃEURse kÃOEhlt.)
TT 1 Nice-to-have: KÃEURstchen 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 ermöglichst ihnen, den Versuch leichter online zu zeigen)

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

DurchzufÃOEhrende vorbereitende TÃEURtigkeiten:

  • Bauteile zusammensuchen.
  • Bestellnummern der Bauteile bei Conrad (Best.Nr. ohne MWSt.(?)) und Reichelt heraus suchen.
  • Bauteile, die nicht in ausreichender StÃOEckzahl da sind bestellen.
  • Stiftleisten bei MPU6050 anlöten.
  • Nicht originale MPU6050 ÃOEberprÃOEfen (vergleichbare Ergebnisse? auch Temperatursensor?)
  • Sehr leicht biegsames Verbindungskabel (möglichst dÃOEnne DrÃEURhte) zwischen MPU6050 und Steckboard herstellen (fÃOEr ebenes Gimbal)
  • *** Ideen zu einer Momentfreien Drahtverbindung zwischen Motorachse mit MPU6050 und Steckboard finden ***
  • Entstörkondensator und Anschlußleitungen bei den Motoren anlöten.
  • 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 ÃOEberlegen / Ausleihbuch anlegen.
  • Loop-Zyklus mit definierter Dauer dt umsetzen, um Integral klarer definieren zu können.
  • Versuchsaufbauten optimieren, einfache Herstellung, möglichst lineare ZusammenhÃEURnge, geringe Störungen, einfache Reproduzierbarkeit, deutliche Effekte anstreben.
  • Anti-Windup fÃOEr "Gimbal" (?)
  • Regelstrecken identifizieren, modellieren, fÃOEr Ãœbungen in Scilab bereit stellen.

Grundidee: Je Zweiergruppe bekommen die Studierenden eine Box mit dessen Hilfe sie zu Hause selber regelungstechnische Versuche durchfÃOEhren können.


  • Die Ãœbung und auch ein großer Teil des theoretischen Unterrichts findet unter Verwendung der CAE-Software Scilab statt.
  • Die Versuche sollen realistische Bedingungen bei der Entwicklung regelungstechnischer Komponenten fÃOEr 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.
  • Zugehörige konkrete Aufgabenstellungen werden noch zu einem spÃEURteren Zeitpunkt ergÃEURnzt 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 durchgefÃOEhrte 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 möglich diese ohne eine zusÃEURtzliche Treiberschaltung direkt durch die digitalen AusgÃEURnge des Arduino-Micro anzusteuern. Im Allgemeinen ist so etwas nicht möglich, ohne zu einer Ãœbelastung der Mikrocontroller zu fÃOEhren.

Trotz der geringen Stromaufnahme liefert der Motor ein genÃOEgend großes Drehmoment, um damit regelungstechnische Versuche durchfÃOEhren zu können.

Der Keramik-Entstörkondensator wird gemeinsam mit den halbierten Steckkabeln verlötet.

Bild 0-1: Der Keramik-Entstörkondensator wird gemeinsam mit den halbierten Steckkabeln verlötet.

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

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

Die Verbindung des Motors mit dem Steckbrett erfolgt ÃOEber selbstklebende KlettbÃEURnder.

Bild 0-3: Die Verbindung des Motors mit dem Steckbrett erfolgt ÃOEber selbstklebende KlettbÃEURnder.

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

FÃOEr eine nachfolgende Lageregelung soll zunÃEURchst der dreiachsige Beschleunigungssensor des MPU6050 getestet werden. Dazu wird die Sensorplatine zunÃEURchst direkt auf das Steckbrett gebracht und mit dem Arduino-Micro ÃOEber 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 spÃEURter 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 zusammengefÃOEhrt.

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 mÃOEßten noch sehr weiche Litzen als Verbinder des MPU6050 mit dem Mikrocontroller gefunden werden, damit die Reglung gut funktioniert! Oder es mÃOEßte 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 gegenÃOEber 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 Meßwerte auszugleichen)
LABORVERSUCH Nr.6..11: Heizregelung
  • Der MPU6050 besitzt auch einen TemperaturfÃOEhler, der fÃOEr eine Heizregelung verwendet werden soll.
  • Als Heizung und gleichzeitig Regelstrecke soll ein von den baulichen Abmessungen relativ grosser Leistungswiderstand verwendet werden.
  • Bis 500mA können ÃOEber 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 VerstÃEURrkung des PWM-Signals und zum Ansteuern des Widerstandes verwendet werden.
  • Im Versuch: Störung durch Anpusten des Heizwiderstands.
ÃœberprÃOEfen des Mosfets mittels einer LED-Schaltung.

Bild 0-11: ÃœberprÃOEfen des Mosfets mittels einer LED-Schaltung.

Ersetzen der LED durch den 47 Ohm-Widerstand. Der wird spÃOErbar warm, wohingegen der Mosfet kÃOEhl bleibt.

Bild 0-12: Ersetzen der LED durch den 47 Ohm-Widerstand. Der wird spÃOErbar warm, wohingegen der Mosfet kÃOEhl bleibt.

Schaltungsschema zum Heizwiderstand, der von einem Mosfet angesteuert wird.

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