Stromabschaltung für Gleichstrommotor - Bitte um Hilfe

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Stromabschaltung für Gleichstrommotor - Bitte um Hilfe

    







BID = 774374

Fiselgrulm

Gerade angekommen


Beiträge: 6
Wohnort: Jena
 

  


Hallo! Ich möchte für einen kleinen 24V-DC-Motor eine Schaltung aufbauen, die bei Überschreitung eines bestimmten Stromes den Motor kurz abschaltet und dann weiterlaufen lässt. Angesteuert wird der Motor mit einer PWM, deren Pulsbreite mit einer externen Steuerspannung von 0...5V einstellbar ist.

Die Idee war nun, zunächst aus dem Ankerstrom des Motors mittels eines Shunts eine Spannung zu gewinnen, mit der ein Komparator angesteuert wird; siehe Schaltung im Anhang. Wird die mittels Trimmer R2 einstellbare Schwelle überschritten, wird der Ausgang des Komparators LOW. Mit dieser fallenden Flanke wird ein Timer NE555 getriggert, dessen Ausgangspuls mit Q1 invertiert und über die Diode D1 auf den Steuereingang der PWM gegeben wird. Der Ausgang liefert also immer +5V, wenn der Schwellstrom nicht erreicht ist. Wird die Schwelle überschritten, ist die Spannung hinter dem Inverter Null, die Diode leitet und zwingt die Steuerspannung der PWM ebenfalls auf NULL, so daß der Motor stoppt.

So weit, so gut - es klappt bis hierhin. Das Problem ist, daß der Motor danach nicht wieder anläuft, denn sein Anlaufstrom löst sofort einen neuen Zyklus des Timers aus. Es ist klar, daß es so nicht geht, aber wo kann ich ansetzen, das Problem zu lösen?

Ich hatte bereits eine Idee ausprobiert, zwei Komparatoren (für die eigentliche Schaltschwelle und für den Anlaufstrom) in Verbindung mit etwas Logik zu benutzen - ohne Erfolg. Diese werde ich noch zur Diskussion stellen, muß aber erstmal die Schaltung zeichnen... Bis dahin würde ich mich über ein paar Denkanstöße freuen!

LG, Christian


[ Diese Nachricht wurde geändert von: Fiselgrulm am  6 Jul 2011 16:22 ]

BID = 774384

perl

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Wäre es nicht einfacher einen PTC zum Motorschutz zur verwenden, oder muß die Strombegrenzung so schnell einsetzen?

BID = 774392

Fiselgrulm

Gerade angekommen


Beiträge: 6
Wohnort: Jena

Um Motorschutz geht es nicht; der Sinn der Sache ist folgender: Es geht um eine Vorrichtung, um im experimentellen Rahmen Glasfasern zu ziehen, wobei die gezogenen Fasern von einer Trommel aufgewickelt werden sollen. Diese Trommel wird von dem beschrieben Motor angetrieben. Dabei soll aber nur lose gewickelt werden, die Wickeltrommel soll ihrerseits keinen Zug auf die Faser ausüben - das Ziehen geschieht an anderer Stelle der Vorrichtung. Die Drehzahlen der Zugwalzen und der Wickeltrommel lassen sich aufgrund der Gegebenheiten nicht exakt synchronisieren. Daher soll der Motor, wenn ein merklicher Faserzug aufkommt, abstoppen und einen Moment warten, bis die Trommel sich weiterdreht. Dazu muß die Strombegrenzung eben bei einer recht niedrigen Schwelle und auch möglichst schnell einsetzen.

BID = 774395

der mit den kurzen Armen

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Eine Möglichkeit wäre eine Rutschkupplung ähnlich wie früher bei Tonbändern die Abwickelteller gebremst wurden.



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Fiselgrulm

Gerade angekommen


Beiträge: 6
Wohnort: Jena

Das wäre dann eine rein mechanische Lösung, oder? Hmm. Damit kenne ich mich leider nicht aus... Ich weiß auch nicht, ob das Ansprechverhalten einer solchen Rutschkupplung "fein" genug bzw. überhaupt einstellbar ist. Ich würde lieber bei einer Lösung über die elektrische Ansteuerung bleiben.

Hier mal die Variante, die ich im Ausgangsposting erwähnt hatte: Wie gesagt, dort hatte ich zwei Komparatoren vorgesehen, einen (U1A) für die eigentliche "Arbeits-" Schaltschwelle und einen (U1B) für den Anlaufstrom. U1A ist invertierend beschaltet, weil ich von der ersten Schaltung ausgehend erweitert habe, sonst hätte ich mir den Invertierer U3B sparen können. Die beiden 2-fach-D-Flipflops vom Typ 74xx74 (U4 und U5) sind wie hier als flankengesteuerte RS-Flipflops geschaltet. U4 soll beim Überschreiten der Stromschwelle in den gesetzten Zustand schalten (Q wird HI, Qquer wird LO) und den Timer triggern. Nach Ablauf des Timerzyklus (steigende Flanke hinter dem Invertierer U3A) soll U5 gesetzt werden, was zu einer NULL an Pin 1 des OR-Gatters U2A führt. Gleichzeitig läuft der Motor wieder an, wobei das Überschreiten der ersten Schaltschwelle nicht zu einem erneuten Timerzyklus führt, da U4 ja bereits gesetzt ist. Erst wenn die zweite Schaltschwelle durch den Anlaufstrom überschritten wird, bekommt das OR-Gatter von U1B die zweite NULL, so daß dessen Ausgang ebenfalls NULL wird und die resultierende steigende Flanke hinter U3C die beiden Flipflops U4 und U5 zurücksetzt. Erst dann sollte die Schaltung wieder auf ein erneutes Überschreiten der ersten Schaltschwelle reagieren.

Allerdings hat das nicht funktioniert, daher wäre es schön, ein paar Gedanken zu meiner Schaltung zu hören. Habe ich irgendwo einen Denkfehler drin? Oder kann ich noch etwas anderes probieren?

Vielen Dank schonmal!

Christian


BID = 774410

perl

Ehrenmitglied



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Zitat :
Dabei soll aber nur lose gewickelt werden, die Wickeltrommel soll ihrerseits keinen Zug auf die Faser ausüben - das Ziehen geschieht an anderer Stelle der Vorrichtung. Die Drehzahlen der Zugwalzen und der Wickeltrommel lassen sich aufgrund der Gegebenheiten nicht exakt synchronisieren. Daher soll der Motor, wenn ein merklicher Faserzug aufkommt, abstoppen und einen Moment warten, bis die Trommel sich weiterdreht.
Ich fürchte, dass das in der angedachten Weise wegen des Trägkeitsmoments der Aufwickeltrommel nicht gut funktioniert.

Kennst du die alten Computermagnetbandgeräte?
In Filmen aus den 60ern und 70ern sieht man sie gelegentlich noch als Hintergrunddekoration beim Umwickeln von Magnetbändern.
Tatsächlich bewegten sich die Spulen im Betrieb aber meist ruckartig mit Pausen.

Diese Magnetbandgeräte arbeiteten im Start-Stop-Betrieb, wobei trotz der schweren Magnetbandspulen das Band innerhalb von 1..2 cm auf konstante z.B. 2m/s beschleunigt wurde und ebenso abrupt wieder abgebremst.
Der Trick waren rechts und links vom Capstanantrieb je eine Vakuumschleife, in die eine Armlänge Band von einer Art Staubsauger hineingezogen wurde.
Mit Lichtschranken oder durch Druckfühler wurde geprüft, dass die richtige Länge Band in der Schleife war und dann konnten die Aufwickelspulen verhältnismäßig gemütlich entsprechend nachgeführt werden.
Der Vorteil war eben, dass nur das Gewicht von allenfalls 1 m Magnetband beschleunigt werden musste, und der statische Bandzug war durch das Vakuum gegeben.

Etwas entsprechendes könnte man sicher auch für die Glasfasern bauen.
Man muß die U-förmige Schleife ja nicht unbedingt mit Vakuum spannen, sondern z.B. durch das Eigengewicht einer Rolle aus sehr leichtem Material (Styropor), die in der Schleife hängt..

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Das Problem bei der ganzen Geschichte ist je voller die Trommel wird umso langsamer muss die laufen. (der Umfang nimmt zu damit aber auch die Masse)
Folge geringere Drehzahl bei höherem erforderlichen Drehmoment
Den Motor ganz zu stoppen ist da keine Lösung, eher die Drehzahl runter stellen.
Ich denke aber mal das eine geringe Zugspannung auf die Faser besser ist als ein eventuell auftretender Ruck.

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dl2jas

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Das Langbein spricht gerade Tonbandtechnik an.

Tonbandgeräte sind neben Amateurfunk auch ein Hobby von mir. Ich besitze eine Uher 631 Logic. Da wird der Bandzug elektronisch gemessen und entsprechend der Aufwickelmotor geregelt. Das Prinzip könntest Du auch hier anwenden, für heutige Verhältnisse recht einfach.
Beim genannten Tonbandgerät wird der Bandzug über eine Umlenkrolle direkt vor der Tonbandspule gemessen. Je nach Bandzug verschiebt sie sich seitlich geringfügig. Eine kleine Fahne taucht dabei bandzugabhängig in eine Gabellichtschranke ein. Dabei wird entsprechend die empfangende Photodiode verdunkelt.
Studer/Revox ist einen etwas anderen Weg gegangen. Da taucht abhängig vom Bandzug ein Kern mehr oder minder tief in eine Spule ein. Baut man so einen Oszillator LC, kann man den Bandzug über die Frequenz auswerten.
Statt der Spule mit dem eintauchenden Kern kann man auch einen Plattenkondensator bauen, bei dem bandzugabhängig eine Platte mehr oder minder tief eintaucht.

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Nachtrag

Soll der Zug absolut gering sein, kann man auch das Durchhängen der Glasfaser ausnutzen, ganz ohne Umlenkrollen oder ähnliche mechanische Gebilde. Da würde ich optisch arbeiten, die Faser selbst verdunkelt eine oder mehrere Lichtschranken.
Wie dick ist die aufzuwickelnde Faser?

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Ich denk mal wenige µm jedenfalls zu dünn die optisch von der Seite zu erkennen.

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Fiselgrulm

Gerade angekommen


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Wegen Trägheitsmoment / Masse / Umfang der Wickeltrommel:

Es ist nicht so, daß wir kilometerweise Fasern aufspulen wollen. Es geht um eine Anordung für eine Diplomarbeit, wo recht dicke Fasern untersucht werden. Die werden ziemlich langsam gezogen (Größenordnung 25cm pro Sekunde). Die Wickeltrommel ist aus einem Kunststoffrohr von 16cm Durchmesser gefertigt und hat selbst keine nennenswerte Masse. Drehzahl ist um die 30 U/min! Es geht um Faserlängen von max. einigen 10m; da kommen keine so großen Lagenstärken zusammen, daß sich das Laufverhalten der Trommel merklich ändern würde.

Zu der Sache mit der U-Schleife:

Das haben wir sogar schon versucht. Das Problem war, daß aufgrund der Geometrie der Anordnung keine Schlaufenführung mit ausreichend großem Biegeradius möglich war. Die dicken Fasern haben sich in der Schlaufe regelmäßig so zusammengezogen, daß sie brachen.

Könnt ihr denn zu meiner Schaltung etwas sagen? Ist der Entwurf plausibel? Gibt es offenkundigen Unsinn darin, der sich mir nicht erschließt?

BID = 774434

der mit den kurzen Armen

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Da der Motor per PWM geregelt wird solltest du die Drehzahlsteuerung auch dementsprechend anpassen. Eine Abfrage des Motorstromes ist da der falsche Weg. Wenn deine Fasern Dick genug sind kannst du diese optisch mittels 3 Gabellichtschranken erfassen. Mitte passt, oben zu schnell, unten zu langsam und damit direkt das PWM beeinflussen. Dann pendelt die Drehzahl um den Sollwert ohne das da zu großer Zug ausgeübt wird.Aber ohne Angaben über die Dicke der Fasern lässt sich schwer abschätzen ob das möglich ist.

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Fiselgrulm

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Die Dicke der Fasern kenne ich nicht genau; ich bin nicht der Diplomand, nur der Techniker, der ihn beim Aufbau seiner Vorrichtung unterstützen soll.

BITTE: Könnt ihr die Problemstellung als gegeben hinnehmen und so tun, als sei sie der richtige Weg? Laßt uns bitte über die Schaltung und ihre Probleme diskutieren.

BID = 774481

dl2jas

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Du hast jetzt einige gute Hilfen erhalten.

Ist es so schwer, den Diplomanden anzurufen und nach der Faserstärke zu fragen?
Ich habe eher den Eindruck, Du bist der Diplomand.
Damals in der Uniwerkstatt wurde alles gefertigt, wenn nicht zu teuer, bzw. arbeitsauwendig.
Entwicklung/Idee Diplomand, die Techniker führen nach brauchbarer Vorgabe aus.
Mit etwas Ideenreichtum und wenig Geld kann man selbst was fertigen.
Eine kleine Bohrmaschine Proxxon bekommt man für etwa 50 Euro.
Bohrer 0,3 mm sind auch kein wirkliches Problem.
Damit kann man Fasern 0,1 mm locker erfassen, wenn sie sich durch solch eine enge Lichtschranke bewegen. Die Photodiode ist direkt hinter dem Loch. Was man als Lichtgeber zum Senden benutzt, LED, ist fast egal.

DL2JAS

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perl

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Zitat :
Damit kann man Fasern 0,1 mm locker erfassen, wenn sie sich durch solch eine enge Lichtschranke bewegen. Die Photodiode ist direkt hinter dem Loch. Was man als Lichtgeber zum Senden benutzt, LED, ist fast egal.
Man kann sogar eine billige (analoge) Webcam benutzen, wenn man die Faser vor einem dunklen Hintergrund kräftig beleuchtet.
Die Position der Faser ergibt sich dann als Helligkeitsimpuls, dessen zeitlichen Abstand von den superschwarzen Synchronimpulsen man leicht messen kann.

Ich würde übrigens dem Motor nicht mittels PWM regeln, denn das schafft nur neue Probleme. Bei dem Experimentalaufbau spielen doch ein paar Watt Verlustleistung eines analogen Servoverstärkers überhaupt keine Rolle.


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