Langsamlaufender Antrieb für Nutzung über langen Zeitraum

[Karl]

Hallo,
für die Nutzung von langsamlaufenden Antrieben über einen langen zusammhängenden
Zeitraum fand ich langsamlaufende Bürstenmotor-Getriebe-Kombinationen nicht gerade
optimal.
Daher kam ich auf die Idee, Schrittmotore einfach als bürstenlose Motore einzusetzen.
Herausgekommen ist folgendes Experimental-System mit drei einstellbaren Impulsgeneratoren
und drei Schrittmotor-Brücken-Endstufen. Hier wird der Schrittmotor nur mäßig warm.
Läuft schon seit drei Wochen ununterbrochen.
Die Schrittmotor-Treiber sind auf 32 Zwischenstufen eingestellt um einen sauberen Rundlauf
zu erreichen. War kein Problem das große Zahnrad auf 1 U/min zu bringen. Extrem langsamer
Lauf funktioniert auch ganz gut. Klar, irgendwann ist die unterste Grenze erreicht.
Höhere Drehzahl des großen Zahnrades habe ich mit etlichen Kiloherz-Impulsfrequenz erreicht.
Läuft auch mit 150 kHz sehr schnell. Sicherlich wird sich der Schrittmotor schon vorher "verschlucken"
und eine Drehzahlgrenze erreichen. Bemerkte ich hier kaum. So hoch zu drehen muß ja nicht
unbedingt sein. Hängt auch sehr von den Stromeinstellungen der Schrittmotor-Treibern ab.
Stromversorgung der Logik aus einem 5V-USB-Steckernetzteil und für die Motore 9V -12V
Steckernetzteil. Die Übergabe der USB-Logikspannung erfolgt über ein USB-Mini-Breakout-
Board. Gibt es auch für Mikro-USB und USB-C Anschlüsse.
Nun noch einige Bildkes in von mir "unscharfer" Qualität.

Stepper-Antrieb-01.JPG (92.84 KiB) 4501 mal betrachtet

[steffalk]

Tach auch!

In Sachen äußerst langsam laufender Motoren verweise ich mal zusätzlich auf https://ftcommunity.de/bilderpool/model ... -index/und Kollegen sowie auf https://ftcommunity.de/bilderpool/model ... ery-index/

Gruß,
Stefan

[Karl]

Hallo Stefan,
danke für die Hinweise. Aber og. Links brauchen viele Fischertechnik-Teile und teilweise auch Microcontroller.
Wollte so einfach wie möglich machen u. a. auch ohne Programmierung. Dabe die Drehzahl in niedrigeren Bereichen
weitestgehend präzise einstellbar. Wenn es etwas schneller drehen soll, einfach die Zwischenstufen im Steppermotor-
Treiber reduzieren. Frequenz des Genarators anpassen. Die Pulsweite ist unkritisch, hier auf 20 Prozent eingestellt.
Man kann meiner Meinung nach auch Bürstenmotore über die Brückentreiber betreiben. Sollte über entsprechende
Frequenz mit der Pulsweite 0% - 100% auch mit Fischertechnik-Motore funktionieren.
Klar, für mobile Geräte weniger geeignet, eher für stationäre Fischertechnik-Projekte.
Trotzdem finde ich die Ideen in den og. Links auch nicht schlecht.

[steffalk]

Hallo Karl,

ich hatte die LInks gepostet, weil ich von den Bildern her den Eindruck bekam, dass eben bei Dir ein Haufen Elektronik dahinter ist. Wenn ich aber richtig verstanden habe, nimmst Du Schrittmotortreiber und zählst die mit wenig Elektronik sehr langsam an (richtig?). Dann ist das natürlich schick und kompakt!

Gruß,
Stefan

[Karl]

Hallo Stefan,
ok. nutze effektiv nur einen Schrittmotortreiber und ein preisgünstiges Rechteck-Generator-Modul.
Klar, die 5 V für die Logik und eine evtl. höhere Spannung mit entsprechender Strombelastbarkeit
sollten auch zur Verfügung gestellt werden. Das Generatormodul kann natürlich auch mit höherer
Spannung betrieben werden. Nur..., ob die Schrittmotortreiber-Logik dieses mitmacht, dies muß anhand
der Datenblätter entschieden werden.
Durch Nutzung von Modulen und Platinen mit z. B. Schraubklemmen ist die Löterei auf ein Minimum
beschränkt. Glaube, die Treiberplatinen passen auch in Schraubklemmenadapter für den Arduino "Nano",
müßte ich auch erst nachschauen.
Nebeneffekt der Kombination wäre auch eine PWM-Steuerung eines sog. Bürstenmotors mit einstellbarer,
möglichst optimaler, Frequenz für den entsprechenden Kollektormotor. Unabhängig von der Frequenz
ist die Impulsdauer von 1% bis 100% in 1er Schritten einstellbar.
Hintergedanke war, viele stationäre Modelle werden über längere Zeit als aktives Modell betrieben.
Gerade bei Belastung eines Bürstenmotors durch etwas höhere Drehmomente wirkt sich die Ansteuerung
durch Rechteckimpulse bei niedrigen Drehzahlen meistens nicht gerade postitiv aus.
Die mechanische Lebensdauer des als BLC-Motor missbrauchten Schrittmotors ist praktisch nur durch die
Lebensdauer der verbauten Lager gegeben. OK, elektrische Fehler durch Wicklungsschluss oder Unterbrechungen
sind auch möglich. Sollten bei ordnungsgemäßen Betrieb entsprchend den Eigenschaften der Steppermotore
kaum auftreten.
Natürlich muß man die Leistungen der Schrittmotortreiber und der Schrittmotore, evtl. Bürstenmotore, entsprechend den
Projekten bemessen.
Einfach mal probieren, der finanzielle Aufwand hält sich, meine Meinung, in Grenzen.
Wenn man natürlich sanften Anlauf und sanftes Abbremsen braucht, sind natürlich andere Antriebe besser.
Es sei, man nutzt einen Mikrocontroller mit entsprchender Programmierung als Taktgeber und zur Ansteuerung
diverser Funktionen bei einem Schrittmotortreiber.
Hierbei geht es wie eingangs erwähnt um einen konstanten Betrieb über lange Zeit.

[Karl]

Hallo,
zwischenzeitlich habe ich einen ganz simplen manuell analog-einstellbaren Taktgeber
auf der Basis eines Timer-ICs, NE 555, zusammengestrickt.
Gibt sehr schmale hier "negative" Taktimpulse aus. Einstellbar per Poti zwischen ca. 100 Hz
bis ca. 12 kHz. Bei 100 Hz und 32 Zwischenstufen eines Schrittmotor-Treibers ist die
Drehzahl sehr gering.
Auf "NULL" Impulse geht so ohne weiteres nicht herunter zu stellen. Wenn man Stillstand
des Motors will sollte schon zumindest den ENABLE-Pin des Schrittmotor-Treibers auf
"Sperren" gesetzt werden.
Kondensatoren sind Folientypen. Der NE555 ist aktuell ein Standard-Typ da ich keine C-Mos-
Version von dem habe.
Aktuell habe ich ein Poti, 1 Mega-Ohm, mit logarithmischem Widerstandsverlauf angeschlossen. Nicht
besonders prickelnd da zu einer Endlage hin des Potis der Widerstandsverlauf in einem schmalen
Bereich sich stark ändert.
Bei einem Poti mit linearem Widerstandsverlauf ist die Sache sicherlich angenehmer.

[Karl]

Hallo,
nachträglich Bilder vom Testaufbau des "Analog-Taktgebers" auf einem Steckbrett
und ein Oszilloskop-Bild der Taktimpulse.
Der dicke helle Fleck kommt vom Blitz der Kamera. Bekomme den nicht ausgeschaltet.

Steller_SM-Antrieb_Bilder.JPG (88.11 KiB) 4092 mal betrachtet

[Karl]

Hallo,
muß mich wegen des "logarithmischen Potis" in der NE555er Anwendung korrigieren.
Das Poti ist liniear. Leider ist das Verhalten der Frequenz in Relation zur
Widerstandsänderung nicht über den ganzen Bereich gleichmäßig.
Testwerte der Bauteile Entladewiderstand R2 konstant 3,3 kOhm, Kondensator C1 konstant 15 nF.
Rechnerische Ergebnisse:
Bereich von ca. 1 MOhm bis 100 kOhm - Delta R ca. 900 kOhm - Frequenzänderung ca. 800 Hz,
Bereich von ca. 100 kOhm bis 10 kOhm - Delta R ca. 90 kOhm - Frequenzänderung ca. 5 kHz,
Bereich von ca. 10 kOhm bis 1 kOhm - Delta R ca. 9 kOhm - Frequenzänderung ca. 6 kHz.
Prinzipiell ist die Schaltung trotzdem brauchbar. Man muß die Werte des Potentiometers und
einem Vorwiderstand entsprechend dem Drehzahlwunsch den engeren Einstellbereichen
bemessen.

[Karl]

Hallo,
anbei ein Foto über den aktuellen Stand der Schrittmotoransteuerung mittels teilweiser
"Analog-Technik". Drehzahl des Motors, hier die Impulsanzahl bis 10 kHz mittels Steuerspannung
von 0 V - 10 V.
Dazu sind die Beschleunigung- und die Bremsrampe in gewissem Maße auch per Potentiometer
zu beeinflussen. Auch ein sog. "Schnellstop" ist vorgesehen.
Crux ist, der Motor wird durch Sperren des Enable-Einganges des Schrittmotortreibers
während den letzten langsamen Impulsen schon freigegeben.
Dadurch ist das angetriebene Objekt frei per Hand zu bewegen.
Auf dem Bild ist links die früher genannte Schrittmotor-Treiberplatine. Oben die Stromversorgungs-
Platine. Blöd ist, man braucht mehrere Spannungen, wenn auch nicht mit großen Strömen.
Dazu kommt, die Fischertechnik-Stromversorgungen liefern meist von ca. 7,5 V bei Akkubetrieb bis
9 V bei Netzgerätebetrieb, teilweise noch etwas mahr.
Da der Spannung - Frequenz - Wandler 15 V Betriebsspannung braucht, wird die Spannung von den Fischertechnik-
Stromversorgungen erstmal hochgespannt. Für den 15 V Regler stehen schon bei 7,5 V Eingangsspannung
ca 17V an seinem Eingang zur Verfügung. Bei 9 V sind es ca. 20 V. Die 15 V des Reglerausganges bekommen der
U / f - Wandler und der Operationsverstärker.
Die 10 V für das Steuerpoti des U / f - Wandlers, sowie die 5 V für die Logikausgänge für die Ansteuerung
der Schrittmotor-Treiber- Module stellen aus den 15 V kleine, auf dem Steckbrett vorhandene, Spannugsregler
zur Verfügung.
Warum ich den Operationsverstärker verwende ist ganz einfach wegen des hochohmigen Einganges nach dem
RC-Glied für die Rampen. Wenn der nachfolgende Eingang der Schaltung relativ niederohmig ist, läuft man
Gefahr des "Pumpens" der Steuerspannung nach dem Tiefpaß. Somit würde der U / f - Wandler die
Frequenz für die Schrittmotore laufend in einem gewissen Bereich ändern.
Insgesamt funktioniert die Schaltung schon ganz gut und läuft auch schon viele Stunden. Natürlich kann man
noch weiter alles perfektionieren, nur..., der Aufwand steigt immer mehr. Da wäre die Anwendunge eines
Microcontrollers bestimmt viel einfacher.
Wollte schlicht und einfach die Anwendung von Microcontroller hier vermeiden. Macht auch ein bischen
Spaß mal etwas "analoges Zeugs" zu basteln. Klar, den U / f - Wandler nutze ich schon als fertiges Modul, ebenso
den Step-Up-Wandler. Warum auch nicht ?

Stepper-Drehzahlsteller-01.JPG (176.58 KiB) 3839 mal betrachtet

Kleiner Hinweis:
Für das Poti mit der 4mm Achse nutze ich ein 10 Zähne Zahnrad mit Spannzange von Fischertechnik in rot
als "Drehknopf". Ist leider nicht anz auf dem Bild zu sehen.

[Karl]

Hallo,
aktuelles von dem Projekt.
Die Steuerelektronik funktioniert.
Die Drehzahl-"Meßeinheit" funktioniert erstmal bis zu einer höllischen
Drehzahl von ca. 100 1/min Vollausschlag auf dem Instrument.

Bild 1 zeigt die Drehzahl-Sensor-Einheit mit dem Fischertechnik-Getriebe.

Bild 2 zeigt die Antriebseinheit mit dem Schrittmotor und 10er Ritzel mit Kette.

Bild 3 zeigt die Gesamtansicht von der Antriebseinheit und des Drehzahl-Sensors.
Gekoppelt über Wellen mit Kreuzgelenken.

Bild 4 zeigt das Fischertechnik-Getriebe für die Gabellichtschranke mit der Schlitzscheibe.
Getriebe ist auf der Schneckenradseite umgebaut und dient als Abtrieb.
Was vorher als Abtrieb gedacht war ist hier die Antriebsseite. Übersetzt wird ins "Schnelle".

Bild 5 zeigt das Meßinstrument als analoge Anzeigeeinheit. Na ja, 100 µA entsprechen ca. 100 1/min.
Habe die Drehzahl mit dem großen Zahnrad mit einer Stoppuhr gemessen und einfach bei gleicher
Taktfrequenz der Schrittmotor-Steuereinheit die Drehzahl mit 4 multipliziert. Kann ja ungefähr
hinkommen.
Ein kleines Manko hat die Anzeige. Der Zeiger wackelt ein klein wenig hin und her, so ca. eine
Zeigerbreite. Selbst kann ich damit gut leben.

Stepper-Drehzahlsteller-Projekt.JPG (48.94 KiB) 3731 mal betrachtet

So, jetzt kommt der schönste Teil des aktuellen Projektes..., Arbeitsplatz aufräumen .

[Karl]

Hallo,
Getriebe-Kaskade für Übesetzung ins "Schnelle".
Die dünnen Wellen für die kleinen Ritzel sind "abgebrochene"
2,1mm HSS-Bohrerstücke. Passen in die Bohrungen mühelos ohne
Nacharbeitung. Ritzel haben Press-Sitz, allerdings aktuell hier
ohne Riffelung. Deshalb 2,1mm Bohrer.
Schlauchstück ist Silikon-Schlauch. Einseitig in eine Rasthülse
geschoben, neel..., eher gefummelt.
Glänzende Stellen ist Silikonspray zur "gleitenden" Schmierung.

Getriebe-Kaskade-1.JPG (97.13 KiB) 3619 mal betrachtet

[Karl]

Hallo,
2 kaskadierte Fischertechnik-Getriebe in kompakterer Bauform.
Der Motor dient nur für Langzeittests. Die kleine Welle links oben
ist der Abtrieb für z. B. eine Schlitzscheibe wie bei einer PC-Maus.
Kunststoffwellen sind kugelgelagert. Anwendungen von Kreuzgelenken
und Kunststoff-Schläuchen habe ich bis jetzt bei dieser kompakten
Konstruktion vermieden.
Durch die Übersetzungen ins "Schnelle" ist beim Abtrieb nur ein sehr
kleines Drehmoment nutzbar, reicht voll und ganz für die Taktscheibe.
Hoffe, damit den Zeiger des Drehzahlmessers für niedrige Drehzahlen
etwas ruhiger zu bekommen.

Kaskadierte_Getriebe_Kompakt.JPG (109.83 KiB) 3512 mal betrachtet

Der untere schwarze Motor dient ganz einfach nur als "Stütze". Lag
gerade in Griffweite.

[Karl]

Hallo,
habe mal die Drehzahl des kleinen 2mm Wellenstummel auf dem letzten Foto oben links
gemessen. Wow, es waren knapp 6400 1/min.
Dazu habe ich ein schwarzes Rad, 23mm, Art.-Nr. 36574, auf 2mm Welle adaptiert und
mit einem Stück Reflektorstreifen versehen. Dann berührungslos gemessen. Motorspannung
des roten Encoder-Motors war die Nennspannung von 9 V sowie beide Getriebeeinheiten wie
auf dem Bild.
Habe irgendwie das Gefühl daß die Getriebe dies nicht lange mitmachen. Kann mich auch
letztendlich täuschen.
Meine, zumindest bei der ersten Getriebestufe braucht es beim Abtrieb mit der 2mm Welle
ein Gegenlager, optimal sicherlich mit Kugellager. Habe nur kein 2,1mm Rundstab da. Werde
es mit einem neuen, nicht "abgebrochenen" 2,1 mm Bohrer erstmal versuchen. Die Bohrerspirale
in den 2mm/4mm Adapter aus Kunststoff eingebracht.
Schneckenmutter mit Kugellager habe ich ja noch einige schon fertig rumliegen.
Irgendwie sieht auf dem letzten Bild alles ein bischen "schief" aus.

[PHabermehl]

Wow, 6400 1/min, das ist für diese Hardware ein Wort... Da wird der Kunststoff bestimmt durch Reibungshitze wieder weich
Und "Langsamlaufender Antrieb für Nutzung über langen Zeitraum" würde ich das auch nicht mehr nennen

Gruß
Peter

[Karl]

@ Peter,

Wow, 6400 1/min, das ist für diese Hardware ein Wort... Da wird der Kunststoff bestimmt durch Reibungshitze wieder weich
Und "Langsamlaufender Antrieb für Nutzung über langen Zeitraum" würde ich das auch nicht mehr nennen

ist ja auch nur für den analogen Drehzahlmesser für niedrige Drehzahlen gedacht und nicht für Modell-Antriebe. An dem dünnen Antriebs-
stummel kommt eine Schlitzscheibe mit Lichtschranke dran um genügend Impulse für eine ralativ ruhige Zeigerstellung auf dem Anzeige-
instrument zu haben.
Die unten auf den Bildern jetzt wohl finale Version lief schon am roten großen Ft-Motor über zwei Stunden und nur der Motor wurde etwas
warm. Na ja, ist ja auch nur für zeitweiliges Messen gedacht und nicht für monatelangen Dauerbetrieb.
Als langsamer Antrieb ist doch die Schrittmotor-Version gedacht. Die lief bisher oft schon mehrere Wochen ununterbrochen Tag und Nacht.
Habe bereits die Schaltung für den Schrittmotor-Antrieb soweit endgültig mit Anlauf- und Bremsrampen, damit die Modelle nicht schlagartig gestartet und gestoppt werden, im Versuchsstadium fertig .
Mir geht es ja nur darum, so etwas in anaolger Technik aufzubauen.
Möchte schlicht und einfach nur ohne rechnende Elemente der Elektronik auskommen. Die Entwickelei macht auch mal Spaß ohne Controller und teilweise auch ohne Digitaltechnik. Den Schrittmotor-Treiber nehme ich als Fertigmodul, warum auch nicht. Sind ja relativ preisgünstig für die Fischertechnik Motore. Ebenso den Step-Up-Spannungswandler und den Spannugs-Frequenzumsetzer. Wäre zwar möglich die Schaltungen auch nochmal selbst zu entwickeln und diskret aufzubauen. Ob es letztendlich Sinn macht alles im DIY zu realisieren.., bleibt dahingestellt.

Aktuell ist der "Drehzahlmesser" dran. Die erste Basisversion der Schaltung für den Drehzahlmesser mit einfachem Getriebe lief bereits
relativ zufriedenstellend.

Hier noch Bilder von dem Drehzahlmesser-Getriebe. Als Gegenlager für die dünne Abtriebswelle sind auch eine Schneckenmutter mit
Kugellager realisiert. Den roten Motor habe ich mittlerweile entfernt und durch eine Kurbel ersetzt. Die Kurbel ist als Ersatz für die
Drehzahl der sich langsamdrehenden Objekte, hier der og. Schrittmotor-Antrieb, vorgesehen.
Durch den Handantrieb hat man bei der Justiererei der Teile mehr Gefühl. Läuft jetzt gleichmäßig und auch nicht mehr "gummiartig" zwischen Antrieb und Abtrieb. Sind ja auch nur insgesamt 6 Kugellager in drei Schneckenmuttern verbaut.

Nur für die Schlitz-Taktscheibe mit der Abtast-Lichtschranke muß ich mir für die Befestigungen noch Gedanken machen.
Jezt die Bilder für den Drehzahlmesser-Getriebeblock, ins "Schnelle" übersetzend, mit dem hinzugekommenen Gegenlager:
Läuft insgesamt auch viel ruhiger und gleichmäßiger.

Kaskadierte_Getriebe_Kompakt-2.JPG (81.62 KiB) 3410 mal betrachtet

Ja, sind vier Schneckenmuttern..., aber eine ohne Kugellager. Gefiel mir einfach diese, als "Stabilisierung" statt eines 15er
Steins, dort einzusetzen. Motor war ja auch "rot".
Dazu jetzt zwei Platten 120mm x 60mm miteinander verbunden. Ein Platte allein biegt sich schnell durch. zwei sind doch viel stabiler.