Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

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steffalk
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Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 29 Jun 2019, 16:34

Tach auch!

Endlich ist sie fertig und läuft jetzt im "Produktivbetrieb" im Esszimmer. Ihr findet sie unter https://1drv.ms/f/s!AnuxuhxP0zblrN5kO3Lo3T09NzOitw

Gruß,
Stefan

hamlet
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von hamlet » 30 Jun 2019, 11:48

Hi Stefan,
fischertechnik Feinmechanik vom Feinsten! Ich bin schwer beeindruckt von Deinem Getriebe.
Ich werd demnächst mal meinen Bestand an feinen Zahnrädern erfassen. Die hab ich bislang kaum auf dem Schirm gehabt.
Alles in Allem, eine großartige Uhr, ein Feuerwerk an Ideen!
Beste Grüße,
Helmut

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DirkW
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von DirkW » 30 Jun 2019, 11:50

Hallo Stefan,

das kann ich nur bestätigen, ganz großes Zahnradkino. :D

Gruß
Dirk

juh
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von juh » 30 Jun 2019, 16:21

Hallo Stefan,

die Schnecke zum Impulse zählen zu nutzen ist eine ziemlich clevere Lösung für einen (einphasigen) "Encoder"! Erstaunlich, dass die Kontaktierung offensichtlich über einen längeren Zeitraum verlässlich ist. Besonders gefallen hat mir auch die Lösung mit der schwarzen 105195 Scheibe.

Wie muss ich auf slide 9 verstehen, dass "sogar durch mechanische Toleranzen gar nicht geschehene Kontakte" ausgeglichen werden? Schaut da der Algorithmus "hoppla, der Impuls kam ja erst nach ca. dem doppelten Intervall, da muss wohl einer gefehlt haben" oder wie hast Du das gelöst?

Und noch zum Netduino: sehe ich richtig, dass man damit auf Windows festgelegt ist?

lg
Jan
Meine fischertechnik Designs für den 3D-Druck: https://www.thingiverse.com/juh/designs

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steffalk
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 30 Jun 2019, 16:54

Tach auch!

Danke fürs nette Feedback!

@Juh: Ja, so läuft das, wobei auch einkalkuliert wird, dass der Motor ja gerade wissentlich etwas schneller oder langsamer läuft als normal. Beispiel: Die Uhr will 0,5 s Zeitrückstand vom letzten Impuls bis zum nächsten Impuls aufholen. Deshalb wird sie den Motor ja schneller laufen lassen, als es für die normale Zykluszeit der Fall wäre. Wenn nun viele Impulse verloren gehen, könnte das also 1 Zyklus weniger sein als bei Idealgeschwindigkeit. Das wird ausgerechnet und berücksichtigt - siehe Quellcode. Man muss sich im Klaren sein, dass da nirgendwo ein Schrittmotor oder ein Schrittschaltwerk existiert, sondern der Motor permanent durchläuft. So eine richtige Analoguhr halt.

Es passiert selten, dass ein Impuls verloren geht. Aber nach einem Transport könnte die Justage um wenige 1/10 mm verschoben sein und sowas könnte passieren. Deshalb ist das aufgenommen und auch getestet.

nanoFramework, AbstractIO und die Mathematik hinter der Uhr und der Quellcode werden bestimmt noch in ft:pedia-Artikel münden.

Gruß,
Stefan

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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 05 Jul 2019, 17:41

Tach auch!

Unter https://youtu.be/IC1PixrXVbo gibt's jetzt auch ein Video der Uhr, und unter https://www.hackster.io/stefan-falk/mic ... tor-9169c8 gibt's auch einen Artikel mit korrigierter Getriebebeschreibung. Die Beschreibung auf OneDrive korrigiere ich auch noch. Da fehlte nämlich der Hinweis, dass vom Stundenzeiger auf das mot.2-Zahnrad ja netto schon eine 1:2-Untersetzung existiert, sodass das Z10 auf Z15 nicht 1:3, sondern natürlich 2:3 untersetzt, um vom 1:2:2:2 = 1:8 auf 1:12 zu kommen.

Gruß,
Stefan

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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 28 Jul 2019, 12:53

Tach auch!

Und jetzt habe ich auch einen Eindruck davon, wie lange so ein XS-Motor hält. Der läuft in der Uhr ja mit grob 1,1 V. Am 24.06.2019 startete die Uhr ihren produktivlauf (vorher kamen auch schon ein paar Tage Laufzeit während der Entwicklung und der Tests zusammen). Heute um 10:20 blieb der Motor stehen, nachdem er in den letzten Wochen schon nicht mehr so leise war.

Das waren dann also etwa 28.07.2019 - 24.06.2019 = 34 Tage, mithin also 34 * 24 * 22 * 14 * 14 * 14 = 49.260.288 Umdrehungen. Mit Tests sind es also so um die 50 Millionen Umdrehungen, die der XS-Motor hielt. Immerhin.

Zur Convention muss ich also einen neuen einbauen. Bis dahin bleibt die Uhr mal aus.

Gruß,
Stefan

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Harald
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von Harald » 28 Jul 2019, 21:33

Hallo Stefan,

das ist übel.

Aber irgend eine Grenze muss es ja geben. Laut einem Professor für technische Mechanik (damals (tm)) werden die Zahnräder in PKWs sehr genau auf ihre zu erwartende Beanspruchung ausgelegt. Zahnräder, die beim 1. Gang beteiligt sind, werden für eine Lebensdauer von wenigen -zig km ausgelegt. Der Rückwärtsgang hält in der Regel für sage und schreibe ~10 km (Stand: 198x). Bergbauern und Alpenförster sollten beim Händler auf ihre besonderen Bedingungen hinweisen, um Ärger zu vermeiden.

ft hat sicher auch eine gewisse Laufzeit im Pflichtenheft stehen. Unsereiner kennt sie aber nicht. Aber hat jetzt zumindest mal einen Datenpunkt für die Statistik herausgefunden bekommen :-)

Was genau ist denn da passiert ...
- hat der Motor angefangen zu kreischen (die Sinterlager sind berühmt dafür)?
- haben sich die Lager festgefressen (d.h. der Motor zieht noch Strom und wird heiß)?
- ist da die/eine Wicklung durchgebrannt (d.h. es fließt kein Strom mehr durch den Motor)?

ggf. kann natürlich auch (3) als Folge von (2) aufgetreten sein.
Genaueres wäre da schon interessant.

Gruß,
Harald
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 29 Jul 2019, 18:10

Tach auch!

Der Motor wurde mit der Zeit lauter. Kreischen tut er nun, wenn ich ihn mit 9 V betreibe. Bei den ca. 1,1 V der Uhr lief ehr halt nur nicht mehr ruhig, aber jetzt eben gar nicht mehr. Ich würde schon auf die Lager tippen, bin aber natürlich auch kein Motoren-Guru.

Gruß,
Stefan

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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 01 Aug 2019, 21:05

Tach auch!

@juh:
Und noch zum Netduino: sehe ich richtig, dass man damit auf Windows festgelegt ist?
Da Du die Visual Studio Extension fürs nanoFramework brauchst: Ja. Das geht aktuell nur unter Windows, genauer: nur unter Windows 10 (oder Server 2016/2019 vermutlich, hab ich aber nicht probiert).

Gruß,
Stefan

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H.A.R.R.Y.
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von H.A.R.R.Y. » 04 Aug 2019, 18:56

Hallo steffalk,
steffalk hat geschrieben:Und jetzt habe ich auch einen Eindruck davon, wie lange so ein XS-Motor hält. Der läuft in der Uhr ja mit grob 1,1 V. Am 24.06.2019 startete die Uhr ihren produktivlauf (vorher kamen auch schon ein paar Tage Laufzeit während der Entwicklung und der Tests zusammen). Heute um 10:20 blieb der Motor stehen, nachdem er in den letzten Wochen schon nicht mehr so leise war.
Das waren dann also etwa 28.07.2019 - 24.06.2019 = 34 Tage, mithin also 34 * 24 * 22 * 14 * 14 * 14 = 49.260.288 Umdrehungen. Mit Tests sind es also so um die 50 Millionen Umdrehungen, die der XS-Motor hielt. Immerhin.
steffalk hat geschrieben:Der Motor wurde mit der Zeit lauter. Kreischen tut er nun, wenn ich ihn mit 9 V betreibe.
Das kling beides sehr übel. In der Tat kenne ich das "Kreisch"-Phänomen als zerschlissene = ausgescheuerte Gleit-Lager. Das war's dann wohl leider für den Motor.

Was mich aber erstaunt ist die doch recht kurze Lebensdauer von etwas über 4 Wochen. Das waren gerade mal 816 h. So ein Motor muss auch im Dauerbetrieb länger durchhalten; deutlich länger. Als Ursache für das vorzeitige Ende kommt da ganz viel in Frage, auch in Kombination. Nur mal so zur Neugier:
Hat der Motor eine weitere Vorgeschichte oder wurde er mal an 9 V (oder mehr) längere Zeit im Leerlauf betrieben?
Wie ist das bei Deiner Uhr mit den 1,1 V nochmal - per PWM aus 9 V erzeugt oder echt analoger Wert *ohne* Pulse?

Na jedenfalls kann ich diese kurze Lebensdauer eines XS-Motors nicht bestätigen. Ab Februar 2014 bis weit nach der Convention 2016 habe ich einen XS-Motor in der Glasmurmelbahn betrieben (das "Heberad"); mit recht konstanten 6 V (ungepulst) ungefähr am optimalen Wirkungsgrad. Der lief ohne Mucken nicht nur ein paar Tage während der Ausstellungen sondern auch monatelang bei diversen Erprobungen und Umbauten. Derzeit ist leider alles ft immer noch unerreichbar auf dem Dachboden und ich kann den Motor nicht schnell mal rauskramen und prüfen ob er noch läuft. Ich möchte aber mal davon ausgehen, dass der das noch immer tut. Im "Schlepplift" war seit dessen Anbeginn (Frühjahr / Sommer 2014) ein S-Motor in Betrieb. Auch ohne Zicken, ich kann nicht klagen. Die "Hebekunst" mit dem alten Encodermotor hat ebenfalls satt über 1000 h runter und lief zum Schluß tadellos. Die U-Getriebe, Kurbelwellen, Gelenke und auch die M1,5-Zahnräder haben gelegentlich etwas Vaseline bekommen, aber das hat ja mit dem Motor nix zu tun.

Grüße
H.A.R.R.Y.
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 04 Aug 2019, 22:17

Tach auch!
Hat der Motor eine weitere Vorgeschichte oder wurde er mal an 9 V (oder mehr) längere Zeit im Leerlauf betrieben?
Nein, nichts irgendwie ungewöhnliches.
Wie ist das bei Deiner Uhr mit den 1,1 V nochmal - per PWM aus 9 V erzeugt oder echt analoger Wert *ohne* Pulse?
PWM, alle ~11,69 Sekunden um wenige % nachgeregelt.

Ich das echt ungewöhnlich, dass der nach 34 Tagen Dauerbetrieb, wenn auch nur mit 1/10 Kraft, und wenn auch ohne nennenswerte Last, ausfällt?

Gruß,
Stefan

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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von H.A.R.R.Y. » 05 Aug 2019, 09:30

Hallo Stefan,

meine Vermutung: Jedesmal wenn die PWM einen Puls aus den 9V auf den recht langsam laufenden Motor gibt, wird der Rotor sehr stark beschleunigt. Ist zwar nur kurz (Drehzahl ändert sich nur gering) aber ein kräftiger Schubs durch die Stromspitze. Wegen der Umfangskraft am Ritzel wirkt das kurze hohe Drehmoment als ebenso hohe kurze Querkraft ins Motorlager (die Welle will seitlich vom Ritzel weg und drückt jetzt gegen das Motorlager) und immer gegen die gleiche Stelle. Diese Kraftspitzen erodieren dann im Laufe der Zeit das Lager bis zur Zerstörung. Gerade die kleinen Motörchen sind eher auf gleichmäßige Lasten als auf dauerhafte, hohe Lastimpulse ausgelegt. Je niedriger die PWM-Frequenz ist, umso heftiger wird der Effekt. Mit welcher PWM-Frequenz gehst Du denn auf den Motor? 200Hz?

Grüße
H.A.R.R.Y.
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 05 Aug 2019, 09:37

Tach auch!

Danke, das könnte sein. Moment läuft das PWM mit 250 Hz. Könnte ich nicht einfach einen Glättungskondensator parallel schalten, um das Problem los zu werden? Dann würde ich es nochmal mit einem Motor riskieren (und nicht nur 1 Tag auf der Convention).

Gruß,
Stefan

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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von EstherM » 05 Aug 2019, 16:52

Hallo Stefan,
Du könntest das Motörchen zur Süd-Convention mitbringen und wir machen dann einen Leichenschau.
Gruß
Esther
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 05 Aug 2019, 16:59

Tach auch!

Hehe. OK, ich merk's mir vor!

Gruß,
Stefan

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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von Harald » 05 Aug 2019, 20:06

Hallo Stefan,

Ich hatte ja schon mal gefragt: ist er in Richtung Kurzschluss oder in Richtung Leerlauf verschieden? Kann man die Welle von Hand drehen?

Gruß,
Harald
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 05 Aug 2019, 20:48

Tach auch!

Huch, ich dachte, ich hätte alle Deine Fragen beantwortet. Was meinst Du mit "in Richtung Kurzschluss/Leerlauf verschieden"? Die Welle kann man von Hand drehen.

Gruß,
Stefan

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H.A.R.R.Y.
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von H.A.R.R.Y. » 06 Aug 2019, 07:09

Hallo Stefan,
Harald hat geschrieben: ist er in Richtung Kurzschluss oder in Richtung Leerlauf verschieden? Kann man die Welle von Hand drehen?
Harald möchte vermutlich auf den Unterschied im Drehmoment bei offenen Klemmen und Kurzschluß hinaus - das Drehmoment das Du benötigst um die Welle von Hand zu drehen ist bei Kurzschluß höher.
Bei den rund 30 Ohm Inenwiderstand des Motors fühlt man da aber erst etwas bei Drehzahlen die von Hand nicht erreicht werden. Da der Motor an Spannung aber noch dreht, gehen wir mal davon aus, dass er elektrisch noch in Ordnung ist.
steffalk hat geschrieben:Könnte ich nicht einfach einen Glättungskondensator parallel schalten, um das Problem los zu werden?
Der Glättungskondensator braucht dazu aber eine nennenswerte Kapazität (Spannung ändert sich um 1 V je Sekunde für 1 A Stromfluss wenn der C 1 F hat) und diese wiederum quält als virtueller Kurzschluß Deinen PWM-Motortreiber! Geschickter wäre es hier den Motor gar nicht erst mit 9V zu traktieren sondern dessen Versorgungsspannung auf das nötigste zu reduzieren. Also per extra Netzteil (oder DC/DC-Konveter vor dem Treiber) auf etwa 1,5 V bis 2 V limititert (D-Zelle hilfsweise geht sicher auch). Weniger Aufwand (und etwas mehr Verlustleistung) stellt ein ordinärer Vorwiderstand dar. Ich schätze Dein Motor zieht maximal 30 mA für seine Aufgabe. Probier mal 270 Ohm / 0,5 W *) in Reihe zum Motor. Die PWM wird sich dann übrigens drastisch ändern! Mit den 270 Ohm wäre ein "dicker Elko" parallel zum Motor eine weitere Option. Wenn Du die PWM-Frequenz um den Faktor 10 erhöhen kannst, darf der C bei gleicher Wirkung eine 10-fach kleinere Kapazität haben. Du kennst Dich aus?

Ach so: An der PWM kannst Du in der Regelschleife die mechanische Last (Drehmoment) des Motors ablesen. Nur für den Fall, dass Du die Daten vom Betrieb (noch) hast: War die PWM in den ersten 5 Tagen geringer als in den letzten 3 Tagen? Nach Theorie erhöhen die verschlissenen Lager den Motorstrom ein wenig. Eventuell sieht man was an den Prozenten.

Ich bin mir aber nicht sicher, ob meine Vermutung überhaupt stimmt. Am Ende hast Du nur einen "Montagsmotor" erwischt und einen "Frühausfall" erlebt. Der ganze Aufriss wäre dann nicht zwingend nötig, schont aber jeden Motor - ohne Zweifel.

Grüße
H.A.R.R.Y.

*) 270 Ohm / 0,5 W aus den üblichen 270 Ohm / 1/8 W Widerständen: 2 parallele Widerstände mit einem zweiten derartigen Paar in Reihe geschaltet gibt an den Außenklemmen Nennwert aber 4-fache Leistung.
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Re: Mikro-Uhr mit kontinuierlich geregeltem Gleichstrommotor

Beitrag von steffalk » 06 Aug 2019, 17:25

Tach auch!

Danke für die Vertiefungen! Das mit dem Vorwiderstand vor dem C dachte ich auch schon, aber an den virtuellen Kurzschluss ohne R nicht, und auf die Idee, einfach weniger Saft auf den Motortreiber zu geben, kam ich gar nicht ;-)

Ich werde also mal Vorwiderstand und Kondensator testen, und mir das ganze auch mal im Oszilloskop angucken. Das gibt dann also in 23 Jahren noch einen ft:pedia-Artikel ;-)

Die Messdaten habe ich nur von der Testphase, als der Visual Studio-Debugger live in den µC guckte. Im Produktivbetrieb lief die Uhr völlig alleine.

Gruß und nochmal Danke an alle,
Stefan

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