Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

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juh
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Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von juh » 16 Okt 2019, 16:36

Im Thread 3D Schaufel Radlader/Bagger hat sich (u.a.) eine rege Diskussion um Ansätze zur Ermittlung von Drehwerten bzw. Drehwinkeln zu Steuerungs- und Regelungszwecken ergeben. Wir sollten wir die Diskussion in einen eigenen Thread auslagern.

Lösungen, die es schon gab oder die im Thread diskutiert oder erwähnt wurden:
Ich ziehe den Beitrag mal hier rüber:
NBGer hat geschrieben:
16 Okt 2019, 08:08
ich habe ja noch eine ganz andere Idee im Hinterkopf!

!! Magnetische Drehwinkelgeber !! extrem klein, genau, kein Verschleiß

ich hatte mir vor einiger Zeit sogar schon mal Muster von AMS besorgt. https://ams.com/angle-position-on-axis
funktioniert super!
Das Evalboard davon ist aber etwas zu groß.
Ha, wie genial ist diese Idee denn? Ich kannte Hall-Sensoren bisher nur als Endstopps und für brushless Motoren, dass die analog die Magnetlage auswerten können, ist mir neu.

Ich nehme an, Dein Evalboard war vom AS5200L? Ich habe mal ein wenig rumgesucht, kennst Du diese boards mit dem AS5600 schon?
Bild

Formfaktor 15x16mm, den Fotos zufolge müssten die sich mit der Blechschere locker auf 15x15 inkl. Gehäuse bringen lassen. Und wie genial sind denn die Teile: Messwert wird analog (0-5V) / per PWM ausgegeben, Konfiguration per I2C oder auch ohne, dabei kann man einen beliebigen Winkelbereich von 18-360 Grad auswählen. Hier ein kurzes Video, selbst ohne I2C ein Kinderspiel!

Ich habe mir für ein paar Encoder-Experimente mit einem "normalen" Hall-Sensor mal vor ein paar Jahren diametraler magnetisierte 4x4mm-Magnete (ähnlich wie diese) besorgt, die sich hier ideal einsetzen ließen, z.B. passen sie exakt in die Hülse eines Gelenkwürfel 15, alternativ haften sie auch direkt am Ende einer Metallachse, aufgrund der diametralen Magnetisierung allerdings nicht perfekt. Den Sensor dann mit entsprechendem Gehäuse auf den anderen Arm, Winkelbereich konfigurieren und mit einem einzelnen µC-Pin auslesen. Wer's genauer will, nimmt I2C. Arduino-Library gibt es auch schon. Ein Traum.

Meine Bestellung ist in jedem Fall schon mal draußen...

vg
Jan
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NBGer
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von NBGer » 16 Okt 2019, 18:27

Hallo Jan,

ich bin begeistert!
Diese Boards kannte ich noch nicht. Ich hatte tatsächlich das relativ große AMS-Evalboard.
Aber diese kleinen Boards, die Du gefunden hast, sind genial! Der 1mm mehr auf einer Seite macht mir persönlich nichts aus; ich muß die Teile ja auch irgendwie befestigen! Schau mal bei meinem Roboterprojekt
download/file.php?id=941&mode=view

wenn Du genau hinschaust, siehst Du, wie ich die Trimm-Potis befestigt habe; Ich würde mir für diese kleinen AS5600 Boards ein kleines Gehäuse bzw. Halter mit dem 3D-Drucker machen. Dann wäre das eine saubere Lösung!

Die Magnete 4mm hatte ich aus der selben Quelle. Ich glaube, ich hatte auch noch 5mm Magnete; die passen nämlich in den Baustein 15 mit Ansenkung

NBGer
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von NBGer » 16 Okt 2019, 18:30

p.s.
zwecks Befestigen der Magnete an der Metallachse. Einfach nen kurzen Schrumpfschlach drüber.

Karl
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von Karl » 16 Okt 2019, 18:43

Hallo,
und für Freunde der "Trimm-Potentiometrie" gibt es auch etwas "on board":
https://www.ebay.de/itm/10x-Drehwinkels ... 09f3997acc

Eine Bau-Idee für AS5600, wie ich sah, mit Kugellager.
Allerdings ein etwas anderes Trägerboard.
https://www.tindie.com/products/nsted/m ... c-encoder/
Grüße von
Karl
Ich.., Bauteile verschwenderisch eingesetzt. Lösung....., einfach weglassen.

juh
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von juh » 16 Okt 2019, 21:17

NBGer hat geschrieben:
16 Okt 2019, 18:27
Aber diese kleinen Boards, die Du gefunden hast, sind genial! Der 1mm mehr auf einer Seite macht mir persönlich nichts aus; ich muß die Teile ja auch irgendwie befestigen! Schau mal bei meinem Roboterprojekt
download/file.php?id=941&mode=view

wenn Du genau hinschaust, siehst Du, wie ich die Trimm-Potis befestigt habe; Ich würde mir für diese kleinen AS5600 Boards ein kleines Gehäuse bzw. Halter mit dem 3D-Drucker machen. Dann wäre das eine saubere Lösung!
Da sind wir komplett auf einer Linie. Ich bleibe nur bei meinen Gehäusen gerne wenn irgend möglich im Raster. Und da stört es mich massiv, wenn Maße wie 15x16 einen zu einem völlig überdimensionierten Gehäuse von 30x30 zwingen. Daher kappe ich nötigenfalls, am einfachsten geht es mit der Blechschere, ein paar Millimeter von einer Platine, es sollte also hier problemlos möglich sein, das Gehäuse auf 15x15 bzw. mit Befestigung auf 30x15 zu bringen. ;-)

Ein Thema könnte übrigens die exakte Positionierung sein. Lt. Datenblatt darf das Zentrum des Hall-Sensors nur geringfügig vom Zentrum des Magnetfelds abweichen. Es könnte also Sinn machen, eine Lösung zu suchen, bei der die Platine innerhalb des Gehäuses noch geringfügig justierbar ist, aber vielleicht hast Du da schon Erfahrungen mit dem Evalboard, wie kritisch das werden kann?

Deine Befestigungslösung der Potis kenne ich schon lange! Sehr clever, aber auch hier würde ich ein Gehäuse bevorzugen. Ich glaube wir hatten auch mal per PN Kontakt wegen der Potis, mein damaliger Versuch eines Gehäuses war wenig zufriedenstellend und ich habe ihn daher nie publiziert. Inzwischen gibt ja aber den Trick mit der Printbuchse, daher hat mich der aktuelle Thread gestern noch einmal auf eine neue Idee gebracht, ist aber noch ein Testdruck, der noch ein wenig Tuning braucht:

DSC_0554.JPG
DSC_0554.JPG (70.85 KiB) 8305 mal betrachtet
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von NBGer » 16 Okt 2019, 21:45

juh hat geschrieben:
16 Okt 2019, 21:17

...Und da stört es mich massiv, wenn Maße wie 15x16 einen zu einem völlig überdimensionierten Gehäuse von 30x30 zwingen. Daher kappe ich nötigenfalls, am einfachsten geht es mit der Blechschere, ein paar Millimeter von einer Platine, es sollte also hier problemlos möglich sein, das Gehäuse auf 15x15 bzw. mit Befestigung auf 30x15 zu bringen. ;-)
ich dachte eher an so etwas wie einen Halter 15x30 für diese Platine ; in diex x Richtung wäre der Halter bündig mit der Platine, die andere Seite ist dann entsprechend länger für die ft-kompatible Befestigung. Der Halter eventuell mit Deckel zum draufschrauben durch die Löcher der Platine. müsste eigentlich sauber aussehen; ich muß mir auch solche Platinen bestellen!
juh hat geschrieben:
16 Okt 2019, 21:17

Ein Thema könnte übrigens die exakte Positionierung sein. Lt. Datenblatt darf das Zentrum des Hall-Sensors nur geringfügig vom Zentrum des Magnetfelds abweichen. Es könnte also Sinn machen, eine Lösung zu suchen, bei der die Platine innerhalb des Gehäuses noch geringfügig justierbar ist, aber vielleicht hast Du da schon Erfahrungen mit dem Evalboard, wie kritisch das werden kann?
ich muß mal das Evalboard suchen; ist lange her.....tief vergraben irgendwo in einem Schrank; ich weiß noch, da war ein Halter für den Magneten dabei

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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von MasterOfGizmo » 16 Okt 2019, 21:55

Eine Platine zu entwerfen und ein paar dann wirklich passende Prototypen zu bauen ist kein großer Aufwand. Da springe ich gerne zur Hilfe.
ftDuino, der Arduino für fischertechnik: http://ftduino.de

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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von NBGer » 16 Okt 2019, 22:02

hab's schon gefunden:

eigentlich wollte ich da mal ne eigene Platine machen! :(
AMS_1.jpg
AMS_1.jpg (58.4 KiB) 8289 mal betrachtet
AMS_2.jpg
AMS_2.jpg (74.42 KiB) 8289 mal betrachtet

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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von NBGer » 16 Okt 2019, 22:14

und so ganz nebenbei...

dieses Evalboard ist auch von AMS:

http://www.ftcommunity.de/detailsb7e9-3 ... e_id=47853

das leistet mir immer gute Dienste, um irgendwelche Bedienaufgaben zu lösen.

Darauf ist auch ein 3-achhsiger Sensor; wurde auf dem Evalboard für einen Joystick verwendet.
Ich dachte mir, daraus kann ich mal einen taktilen Sensor für einen Roboter bauen oder
für die Sensoren in den Füßen, um Querkräfte zu erkennen. Der Sensor ist hochempflindlich für kleinste Bewegungen!

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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von juh » 21 Okt 2019, 22:57

Hallo,

während ich auf das Päckchen aus China warte, habe ich das Piher PT 15 Poti (in der Variante PT15 N H05 10kΩ) hier mal ein wenig auf den Teststand geschickt. Interessiert haben mich

1. Effektiver Winkelbereich
2. Linearität
3. Positionsgenauigkeit
4. Verschleiß

resized_DSC_0558.JPG
resized_DSC_0558.JPG (127.48 KiB) 8144 mal betrachtet
Die Messungen beruhen auf dem Vergleich von gemessenem Potentiometerwert (Abk. P, von 0 bis 1023 per Arduino analogRead()) und Steps ab Referenzposition (0 bei P=0). Das Spiel von Rastachse auf Potentiometer habe ich durch einen kleinen gedruckten Adapter eliminiert, zwischen Z10 und Z40 bleibt natürlich etwas Umkehrspiel. Bisher beruhen alle Messungen auf einem einzelnen Potentiometer, neu gekauft vor ca. 3 Jahren.

1. Effektiver Winkelbereich

Der Stepper hat 200 Schritte pro Umdrehung, bei 1/8 Microstepping und einer Übersetzung 4:1 macht das 6400 (Micro-)Steps pro Umdrehung. Für den Bereich von P=0 bis P=1023 braucht es 4240±4 Schritte, das entspricht einem Winkelbereich von 238,5 Grad. Der im Datenblatt angegebene "Electrical rotation angle" von 240° ± 20° wird also ziemlich genau erreicht.

2. Linearität

resized_Messreihe actual vs expected linear.png
resized_Messreihe actual vs expected linear.png (50.34 KiB) 8144 mal betrachtet

Abgetragen sind je zwei Messfahrten über den gesamten Messbereich von P=0 bis P=1023 vorwärts und rückwärts. Befunde:
(a) Hohe Übereinstimmung zwischen den Fahrten. Der Versatz zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt ist mit dem Umkehrspiel zwischen Z10 und Z40 zu erklären, ansonsten praktisch deckungsgleiche Kurven, die beiden Vorwärts- und Rückwärtsfahrten überlagern sich jeweils.
(b) Geringe Abweichungen vom erwarteten linearen Verlauf. Die Auflösung ist also über den Messbereich hinweg nicht homogen. Für exakte Winkelmessungen/-positionierungen kann das je nach Anwendung ohne (vermutlich zu aufwändige) Korrektur zu ungenau sein. Für das Wiederanfahren gespeicherter Positionen dürfte sich daraus aber kein Problem ergeben.
(c) Größere Ungenauigkeiten in Nähe der Endpunkte. Die jeweils 10 (konservativ: 20) äußeren P-werte sollten nicht genutzt werden. Pragmatisch könnte der Bereich von P=12 bis P=1011 genutzt werden, dann hätte man eine Auflösung von exakt 1000 P-Werten und wäre relativ sicher ggü. Ungenauigkeiten in den Extrembereichen.

3. Positionsgenauigkeit

Die Testroutine lässt i zufällig bestimmte Zielwerte (in Schritten) in einem spezifizierten Winkelbereich j mal anfahren und bestimmt jeweils die akkumulierten relativen Fehler er (mit Vorzeichen) und absoluten Fehler (ohne Vorzeichen) ea. Die folgenden Befunde beruhen auf wiederholte Tests mit i=10 und j=10 in variierenden Winkelbereich von ca. 48 Grad (20% des möglichen Bereichs). Eine typischer Testlauf:

Code: Alles auswählen

RESULTS with targets = 10 and test runs per target = 10
#0	target: 3395	pot val: 822	error: 4	absolute error: 4
#1	target: 3437	pot val: 823	error: 13	absolute error: 13
#2	target: 3861	pot val: 917	error: 5	absolute error: 5
#3	target: 3846	pot val: 916	error: -5	absolute error: 5
#4	target: 3518	pot val: 851	error: 2	absolute error: 2
#5	target: 3460	pot val: 838	error: 4	absolute error: 4
#6	target: 3732	pot val: 883	error: 2	absolute error: 2
#7	target: 3866	pot val: 918	error: 1	absolute error: 1
#8	target: 3711	pot val: 901	error: 11	absolute error: 11
#9	target: 3497	pot val: 847	error: -2	absolute error: 2
	Sum error: 35	Avg error: 0.35
	Sum absolute error: 49	Avg absolute error: 0.49
Befunde:
(a) Die Fehler unterscheiden sich von Zielwert zu Zielwert teils deutlich. Solange sie aber unter oder nahe bei der Anzahl der Testanfahrten (runs per target) liegen, sollte das im erwartbaren Bereich sein, da an der Grenze zwischen zwei benachbarten Messwerten immer Unschärfe (jitter) besteht.
(b) er und ea sind nicht identisch, aber nah beieinander. Bei völlig zufällig verteilten Fehlern sollte er gegen Null tendieren, da sich over- und under-shooting aufheben müssten. Mir ist nicht klar, warum die Fehler sich asymmetrisch verteilen, da Zielwerte von beiden Seiten angefahren werden.
(c) Ein mittlerer absoluter Fehler von ea < 1 erscheint mir hervorragend. Die theoretische Auflösung von ca. 1/4° (240°/1024 bei einem 10bit ADC) wird natürlich nicht erreicht, aber 1/2° bis 1° scheinen realistisch erwartbar, natürlich unter Berücksichtigung der nicht 100%igen Linearität (s. 2.).

4. Verschleiß

Das Datenblatt des PT-15 gibt für die Standardmodelle eine Lebensdauer von 1000 Zyklen an. Für einen Stresstests habe ich die Testfahrten nach obigem Schema auf 10% des möglichen Winkelbereich beschränkt. Nach > 3000 Fahrten konnte ich noch keine Abnahme der Genauigkeit feststellen können, der absolute Fehler schwankt zwar, bleibt aber insgesamt stabil. Die Lebensdauer gemäß Datenblatt ist also mehr als deutlich gegeben, für Modelle, die nicht im Dauereinsatz laufen sollen, scheint mir das Modell trotz der geringen Kosten geeignet.

Interessant übrigens an dieser Stelle, dass es lt. Datenblatt Varianten den PT 15 mit "Extra long life: 100K cycles" gibt, die zusätzlich ein geringeres Drehmoment aufweisen. Wenn da jemand eine Bezugsquelle auftun würde, wäre das natürlich genial, nicht zuletzt auch wegen des bei diesen Modellen wohl geringeren Drehmoments. Denn diesen Nachteil der Trimmer muss man erwähnen: Sie drehen nicht gerade leichtgängig, für schwache Motorleistungen scheinen sie mir nicht geeignet.

lg
Jan

PS: Gehäuse demnächst auf thingiverse
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PHabermehl
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von PHabermehl » 21 Okt 2019, 23:05

Sehr schön! So langsam kommen alle wieder aus dem Sommerloch :-)

Freue mich auf das Gehäuse.

Gruß
Peter
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Karl
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von Karl » 22 Okt 2019, 01:26

Hallo,
Wenn da jemand eine Bezugsquelle auftun würde, wäre das natürlich genial, nicht zuletzt auch wegen des bei diesen Modellen wohl geringeren Drehmoments.
https://www.mouser.com/datasheet/2/325/ ... 327842.pdf
http://www.farnell.com/datasheets/26032.pdf
Sind beide auch Bauteile-Distributoren, einfach mal nachfragen.
Grüße von
Karl
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NBGer
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von NBGer » 22 Okt 2019, 11:08

Hallo Jan,

super Analyse! jetzt weiß man, was man misst, wenn man die Trimm-Potis einsetzt.
meine grobe Einschätzung, dass ich ca. 0,3 Grad messen kann, war vielleicht etwas optimistisch!
und die Lebensdauer der Potis übersteigt wahrscheinlich die Lebensdauer der ft-Modelle ;)

die kleinen China-Potis, die Karl gefunden hat, haben sogar folgende Angabe:

"Excellent resistance materials and high reliability wiper achieves 1M cycles"
ob das realistisch ist, ist natürlich eine andere Frage.

ein Vorteil der magnetischen Winkelgeber wäre auf jeden Fall 0-Drehmoment!

leider funktioniert nach einem Umbau mein 3D-Drucker (noch) nicht...so dass ich im Moment etwas blockiert bin

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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von MasterOfGizmo » 22 Okt 2019, 11:29

NBGer hat geschrieben:
22 Okt 2019, 11:08
die kleinen China-Potis, die Karl gefunden hat, haben sogar folgende Angabe:
Piher kommt aus Spanien und gehört zu Amphenol. Die liefern auch die einfacheren Potis vom Reichelt. Da wäre ich durchaus bereit, den Angaben zu trauen ... vor allem heisst das aber, dass die gut verfügbar sind und wenn der juh da schicke Gehäuse für baut, dann muss man sich keine Sorgen machen, dass die in ein paar Tagen nicht mehr verfügbar sind oder so ...
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NBGer
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von NBGer » 22 Okt 2019, 11:44

MasterOfGizmo hat geschrieben:
22 Okt 2019, 11:29
NBGer hat geschrieben:
22 Okt 2019, 11:08
die kleinen China-Potis, die Karl gefunden hat, haben sogar folgende Angabe:
ich meinte diese:

https://www.ebay.de/itm/10x-Drehwinkels ... 7c4c05fc12

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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von MasterOfGizmo » 22 Okt 2019, 12:11

NBGer hat geschrieben:
22 Okt 2019, 11:44
ich meinte diese:
Ah, ok. Aber die verlinkten Piher's haben teilweise ebenfalls 100.000 Zyklen.
ftDuino, der Arduino für fischertechnik: http://ftduino.de

Karl
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von Karl » 22 Okt 2019, 12:15

Hallo,
es wäre mal interessant die Trimm-Potentiometer mal bereichsweise zu "verschleissen". Ob da die halbwegs gute
Linearität bei den preisgünstigen Bauteilen erhalten bleibt?
Nutzt man immer einen bestimmten Anfangswert und einen bestimmten Endwert ist die "Abnutzung" der Widerstands-
bahn ziemlich gleichmässig und die Spannungsverhältnisse ändern sich relativ wenig.
Kann auch sein, ich liege mit meinen Ansichten falsch.
Über die og. von mir genannten China-Trimm-Potentiometer auf Platinen kann ich selbst keine Aussagen über die
Qualitäten machen. Sind, nehme ich an, keine "Piher", müssen trotzdem nicht schlechter sein.

Auf den PDF-Infos von Mouser ist die Firma Meggitt aufgeführt. Es ist ein globales Unternehmen für Sensoren
usw. aller Art. Inweiweit Meggitt an Piher, wenn überhaupt, beteiligt ist, entzieht sich meiner Kenntnis.
https://de.wikipedia.org/wiki/Meggitt_PLC
Grüße von
Karl
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von juh » 24 Okt 2019, 00:47

So, wie angekündigt hier noch das Design auf thingiverse:

https://www.thingiverse.com/thing:3922753
Bild

Das Poti wird ohne weitere Modifikation ins Gehäuse gesteckt, die beiden Hälften werden mit Sekundenkleber verklebt. Der kleine Streifen wird einfach um das Rastachsenende gefaltet und sorgt für einen spielfreien Halt der Rastache im Poti. Die modernen schlanken ft-Stecker, die ich persönlich gar nicht mag, sind hier sehr nützlich, da sie einen bündigen Einbau ermöglichen. Für Roboterarme gibt es noch ein Spezial-Bauteil zur Fixierung der Rastachse am freien Arm, wie im folgenden Demo-Video zu sehen:

https://www.youtube.com/watch?v=k6kb0ZGcKnQ

Der Wert des vorderen Potis wird eingelesen und als Sollwert in einen PID-Regler gesteckt, das hintere Poti liefert den Input, das Output steuert den Mini-Motor.

vg
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von MasterOfGizmo » 24 Okt 2019, 08:29

Ja! Ein PID-Regler auf dem ftDuino. Genau dafür fehlte mir der Trimmer! Kannst Du Gedanken lesen?

Edit: Unerlaubter Begriff "Poti" ersetzt.
Zuletzt geändert von MasterOfGizmo am 24 Okt 2019, 12:59, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Drehwertgeber / Drehwinkelgeber

Beitrag von PHabermehl » 24 Okt 2019, 10:23

Yay, damit könnt' man mal eine pneumatische Positionsregelung basteln........
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