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Thema: DC-Kleinstmotor mit Getriebe + Drehsensor, 5V 510 Upm

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    DC-Kleinstmotor mit Getriebe + Drehsensor, 5V 510 Upm

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    Anmerkung 02. Juni 2017: Die mit dem alten Bildserver verschwundenen Bilder wurden nachgetragen.

    Motortest mit Wärmemessung
    Messung am 02. Dez. 2007, ca. 1500 Uhr ff.

    Der Ausfall zweier gehackter Servos (ähnlich dem vielzitierten TOP-LINE MINI SERVO ES-05) nach verhältnismässig geringer Betriebsdauer, etwa 3 x 5 Minuten, bei einer Betriebsspannung am oberen Ende des spezifizierten Spannungsbereichs, hatte mich ziemlich geärgert, zumal ich die Planung und das bereits fertiggestellte Fahrgestell für (m)ein Mini-Roboter-Projekt hätte verwerfen und drastisch ändern müssen. Ausserdem hatte ich festgestellt, dass der Kauf mehrerer Zahnräder und der Aufbau/Selbstbau eines Getriebes neben dem Zeitaufwand ganz erheblich teuerer würde.

    Die Servos waren sowieso nicht mehr zu retten - also nochmals einen demontieren. Elektronik ablöten. Motor kurz durchmessen. Ein drittes Zuleitungskabel zum Motor stellte sich als Gehäuse"erdung" heraus. Das finde ich sehr gut. Abstandshülsen für die Gehäuseschrauben bauen (Adernendhülsen für Nennquerschnitt 1 mm2 abzwicken, mit dicker Nadel aufweiten damit es wieder sauber rund ist) und das Paket zuschrauben. Dadurch liegt der Motor kühltechnisch wesentlich besser und das Gehäuse hat seine ursprüngliche Stabilität.

    Einige technische Daten:
    (Jeweils nur EINE Messung)

    Code:
    Stromaufnahme    Spannung    sec/10Umdr
    ( in Klammer      [Volt]
    bei Last *)
    (>100) 22          2,7        20,01
                       4,00       12,86
                       5,07       10,25
    (>150) 34          5,99        8,77
                       8,04        7,04
    * Last durch Abbremsen mit den Fingern an einer Servo-Scheibe 19 mm Durchmesser

    Farbtreue Verkabelung rot+rot bzw. schwarz+schwarz ergibt beim vorliegenden Modell Linkslauf, vertauschte Farben - Rechtslauf. Leerlauf mit RN-Control (Motorausgang, über PWM und L293D) bei max. ca. 9-10V max. ca. 50 mA - mal eben kurz rauf- und runter in der Drehzahl. Funktion sehr schön.

    Der Antrieb läuft ruhig. Er läuft ohne Last bei etwa 0,3 V an. Mit Last (leichte Fingerfestbremse an der Scheibe, s.o.) läuft er bei ca. 0,4 V an, bei festem Abbremsen erfolgt der Anlauf bei ca. 0,8 V. Da die Spannung unter 2,7V durch einen Vorschaltwiderstand (20 kOhm-Poti) erfolgte, war die Regelung recht grob und die Spannung stieg beim Anfahren auf den etwa 3fachen Wert an. Bei allen hier beschriebenen Antriebsmessungen war die sonst übliche Entstörung des Motors durch Kondensatoren noch nicht angebaut.

    Die Messung der Gehäuseaussentemperatur war etwas schwierig. Das Thermoelement - Typ K - wurde für eine erste Messung mit Tesafilm an das Motorgehäuse geklebt. Dadurch verschlechterte sich natürlich die Gehäusekühlung drastisch. Aber im "Normalfall" ist der Motor sowieso in einem Gehäuse fest eingeschlossen, das nur eine sehr schlechte Wärmeabgabe erlaubt.

    Bei einer Fortführung der Messung der Motor-Aussentemperatur wurde das mit einem winzigen Streifen Tesa isolierte Thermoelement mit einer Metallklammer am Gehäuse festgeklemmt. Die Wärmeabgabe des Motorgehäuses entspricht damit eher der möglichen Einbausituation - WENN nicht das ursprüngliche Gehäuse verwendet wird.

    Beim Betrieb im Leerlauf bei 2,7V über mehr als dreissig Minuten ist die Temperatur angestiegen von 21°C auf 28°C. Temperaturkonstanz wurde nach etwa 5 min erreicht.
    Beim Betrieb im Leerlauf bei 5,03V über mehr als dreissig Minuten ist die Temperatur angestiegen von 26°C auf knapp 33°C. Temperaturkonstanz wurde hier nach sieben Minuten erreicht. Ende der Messung nach 10 Minuten bei 32,9 °C. Leichtes Anblasen des Motors senkte die angezeigte Temperatur auf unter 30°C, nach ca. 1 Minute war sie wieder auf 32 °C gestiegen. Ein Absenken der Versorgungsspannung auf 2,7V brachte sofort eine Temperatursenkung mit sich.

    Ende aller Messungen nach etwa 1 Stunde.

    Fazit:
    Der hier beschriebene Mini-Servo ist nach Ausbau der Elektronik und geringe Umbauten als kompletter, äusserst kompakter und sehr leistungsfähiger Antrieb anzusehen. Preislich dürfte diese Variante für sehr kleine Projekte sehr interessant sein. Die Ansteuerung muss über gebräuchliche H-Brücken oder Modellbau-Fahrtregler erfolgen.
    Miniaturansichten angehängter Grafiken Miniaturansichten angehängter Grafiken einzelteile_1403.jpg   huelse_1402.jpg   pruefstand_1409.jpg   messung1_1410.jpg   te-anbau_1412.jpg  

    Geändert von oberallgeier (02.06.2017 um 14:05 Uhr)
    Ciao sagt der JoeamBerg

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Bei diesem hacking fehlt natürlich noch etwas. Es ist ja bei diesem Getriebemotor weder eine Geschwindigkeitsaussage zu treffen, noch ist eine Positionierbarkeit möglich.

    Wir brauchen also eine Drehzahlmessung und eine Möglichkeit, durch Zählen der Motorumdrehungen den Drehweg des Servohorns zu bestimmen.

    Da gibts eine schicke, kleine Gabellichtschranke (GLS) - die GP1S096HCZ - wenig mehr als ein halber Euro. Die Grösse ist so, dass sie in den hier beschriebenen Servomotor hineinpasst. Fertig sieht das Ganze so aus.

    ......

    Der Servo von unten, die Elektronik wurde entfernt. Neben dem Servo liegt ein Motor, typgleich zu dem, der eingebaut ist. Darunter ein Stück "Blech" - siehe in diesem Thread, im Text weiter unten.

    In den Getriebekasten kommt etwas Elektronik - die Schaltung entnimmt man dem Datenblatt zum GP1S096HCZ. Also LoadWiderstand habe ich 330R genommen - dabei ist die LED mit 5V Versorgung hell genug für ein gutes Signal vom Fototransistor. Der Fototransistor wird mit 10k angefahren - das bringt ausreichende Sicherheit gegen spikes und ein Signal das sicher zwischen über 4V und 0,2V schaltet - bei den besagten 5V Versorgung. Die ganze Einrichtung frisst im offenen Zustand 4 mA und im bedeckten (Lichtschranke abgeschattet) 3,8 mA.

    ......

    So sieht das im Getriebekasten aus. Auf dem Antriebsritzel klebt (2-Komponenten-Uhu) ein Unterbrecher. Der ist aus einer Rasierklinge geschnitten - siehe Bild mit dem Servo von unten - da liegt ein Rest der Rasierklinge drunter (Gilette Contour). Das Material ist 0,1 mm dick und Edelstahl - eine sinnvolle Wahl. Trotz der Härte des Materials kann man es mit einer gut geschliffenen Haushaltsschere schneiden (die Hausfrau muss es nicht wissen - die Schere leidet etwas, aber wirklich nur gaaanz wenig, ehrlich). Das Bild zeigt eine leicht schräg gesetzte Lichtschranke - damit kann die Abschattung verbessert werden, denn "unten" steht das Antriebsritzel etwas im Weg.

    Die Lötarbeit an der GLS ist nicht sehr anspruchsvoll. Das Teil verträgt auch mehrfache Belötungen - es ist etwas diffizil, so eine "Freiform-Lötung" hinzukriegen.

    Die Löcher durch den Motorträger werden mit einer Stecknadel gestochen - die verwendeten haben 0,6 mm Durchmesser - genausoviel wie die Widerstandsdrähte. Die Drähte werden vor dem Einführen in das Loch angespitzt (ich habe 1000er Schmirgelleinen dazu genommen). Dann ist der Sitz so fest, dass die GLS sicher im Getriebekasten fixiert ist. ACHTUNG: SEHR HOHE VERLETZUNGSGEFAHR! Wenn der Stecknadelkopf abbricht, rauscht das Nadelende vermutlich bis an den Knochen - durch die Knochenhaut. Das ist am Daumen (einer der empfindlichsten taktilen Fühler des Menschen) wirklich ein ernstzunehmender Unfall.

    Der Getriebekasten ist etwas dickwandig geraten - da hilft es, mit einem feinen, sehr scharfen Messer die Wandung an den ensprechenden Stellen dünner zu schaben. Leider war das notwendig - sonst ist der Raum an zwei, drei Stellen zuuuu eng.

    ......

    Der verwendete Motor benötigt im Leerlauf bei 2,7 V rund 20 mA - genau dasselbe, das ich im zusammengebauten Zustand des Umbaus gemessen hatte. Also tritt keine nennenswerte, zusätzliche Reibung auf.

    ......

    Bei "vollem" Lauf bei 6V, immer noch ohne Last, wurden 27 mA gemessen. Unter Last sind es dann 80 - da läuft er noch - bis über 150 mA im Stillstand. Das soll nicht erreicht werden, der Motor bekommt Hitzeschäden . Maximal fahre ich bei dem Motor dann Drehzeiten von etwas über einer Sekunde am Getriebeausgang, rund 1,1 .. 1,2. Die Übersetzung von 750:1 bedeutet mit dem zweiflügeligen Unterbrecher, dass ich am Signaleingang rund 1500 Hz verarbeiten muss. Das ist kein Problem, ich mache das mit (zwei) extINT an einem mega168/20MHz.

    Aussteht noch (m)eine Geschwindigkeitsregelung und die Wegmessung. Beides Softwarelösungen, die mithilfe des erwähnten extINT erledigt werden können.
    Geändert von oberallgeier (30.03.2016 um 19:44 Uhr)
    Ciao sagt der JoeamBerg

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Die genannte Beschaltung mit load und Vorschaltwiderstand wurde nach der Auslegungsrechnung getestet - und danach angepasst. Ziel war es, einen sicheren Hub zwischen low und high pegel zu erreichen.

    Der Test am vorgestellten Umbau bestätigt das. Der Unterschied zu den Rechenergebnissen nach Datenblatt wird irgendwo in den Zu- und Ableitungen zustandekommen - nehme ich an.



    Hier mit 1 ms/DIV und 2V/DIV und ....





    hier mit 0,1 ms/DIV und 2V/DIV. Die erwarteten 1500 Hz werden also recht sauber präsentiert - und auf dem mega168 auch gut eingelesen. Verbliebene Spikes am Ende der "rise time" können herausgerechnet werden: if ti minus ti-1 < spiketime - dann nix, else zähle Zeitzähler hoch.

    Anmerkung: die zeitliche Ablenkung ist 105% des Skalenwertes auf beiden Seiten der Oszi-Frontscheibe lässt die Alterung grüssen . Die doppelte Spur verrät unsauberes Zentrieren des Unterbrechers. Leider. Dabei kommt es auf Werte im Zehntelbereich an, die ich ohne spanende Bearbeitung auf Uhrmacher-Werkmaschinen nicht schaffe.
    Ciao sagt der JoeamBerg

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Klingon77
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    hi,

    finde den Umbau des Servos incl. dem Einbau des Drehgebers faszinierend.

    Insbesondere die Möglichkeit, mit "Hobbymitteln" auf solch kleinem Raum ein derartiges Ergebnis zu erreichen ist schon beeindruckend.

    Wäre evtl. ein bebilderter Artikel für´s Wiki machbar?

    Hier wird ja viel mit Servos gearbeitet und der Eine oder Andere könnte davon partizipieren.

    liebe Grüße,
    Klingon77
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  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Wiki ? Bebildert? Mit Einzelschritt? Ach weisst Du, ich bin ja noch immer recht anfängermässig. NOCH lauft das komplette Teil nicht mal im Probelauf. Alles was bisher da ist:

    .............................

    ist der Testaufbau. Und diese riesige mega168-Platine mit dem L293-Aufstecker passt nicht in das angestrebte Gehäuse. Es sind aber auch viel zu viele ungenutze Flächen da drauf.

    Wenn ich wirklich raumsparend und professionell bauen könnte - ja dann. Dann müsste ich aber auch SMD können. Kann ich ja nicht.
    Ciao sagt der JoeamBerg

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Hallo,

    der oben beschrieben Umbau (Servo-hack) hat sich bei meinem Dottie bewährt. Leider sind diese gehackten Servos für MiniD0 (das kleine Dottie, R3D01 mit 0,15 l Inhalt *gggg*) zu groß. Da gab es mehrere Anläufe mit Getriebemotoren und der Mini-Encoderscheibe, die Klingon77 für mich gemacht hatte. Auch diese Motoren gehen ohne sehr große Umstände nicht in die Ein-Schluck-Coladose. Leider längere Versuche (die ich hier einfach übergehe brrrrrrrrrrrrr).

    ABER

    Das Getriebe besteht aus einem Motorritzel und fünf Zahnrädern

    ...................Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	klein-DSC_1246-ausschnitt-zaehnezahl.jpg
Hits:	29
Größe:	69,5 KB
ID:	31454

    Das Abtriebsrad R6 wird von R5 getrieben, das wiederum von R4 angetrieben wird (sorry, ist ja trivial). Das Abtriebsrad hat eine länger Welle, die den Stellpoti des Servos bedient. Auf dieser Welle sitzt auch das Rad R4. Ok - ich muss nicht mehr weiterschreiben?

    Genau! Man(n) baut das R5 aus, klemmt das R4 (das ist jetzt genaugenommen das neue Abtriebsrad) an die Welle von R6 - und schon hat man statt der Übersetzung 768 : 1 eine mit 91:1. Nur durch Weglassen eines Zahnrades bei sonst gleichem Aufbau. Das Drehmoment ist sicherlich ausreichend für die kleine Dose (zwei Stufen gespart ist auch ne Menge Wirkungsgrad verbessert). Zum besseren Verständnis nochmal das Bild von weit oben in diesem Thread:

    ...................Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	GLS-einbau_1445.jpg
Hits:	10
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ID:	31455

    R4 ist in diesem Bild das Rad, das hinter der Gabellichtschranke sitzt und dessen Ritzel in das Abtriebsrad greift. Nun ist es weggelassen worden. Die Gabellichtschranke wird von der klingonischen Encoderscheibe bedient. Noch ein bisschen am Servogehäuse rumschnitzen - - - - - und zwei gehackte Servos passen IN die kleine Büchse komplett mit Drehzahlsensor-GLS. Die Motoren sind umgebaut, mit dem Drehzahlsensor bestückt und heute auch schon 10 Minuten probegelaufen.

    Nachdem ich also die Antriebstechnik gelöst habe, wird es endlich mit R3D01 - Platinenbau/-fertigung und der etwas fummeligen Montage weitergehen. Darüber wird dann an der gewohnten Stelle berichtet.
    Geändert von oberallgeier (23.03.2016 um 10:27 Uhr) Grund: Bild/er wegen Bildserver-Aufgabe lokal geladen
    Ciao sagt der JoeamBerg

  7. #7
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    Hi,

    Respekt vor Deinen operativen Künsten \/

    Der Servo baut also nicht mehr so hoch; respektive lang?

    Wie waren die Zahnräder auf der Welle befelstigt?
    Insbesondere Das Abgangszahnrad?
    Per "Presspassung" gepaart oder geklebt.

    liebe Grüße,

    Klingon77
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  8. #8
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von vohopri
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    Hallo Joe,

    faszinierende Bastelei, da krieg ich vom Anschaun schon das grosse Händezittern. Sehr aufschluss- und lehrreich.

    grüsse,
    Hannes

  9. #9
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    Hallo Ihr (Spätzubettgeher und Frühaufsteher),

    danke für das Lob.

    @vohopri: Ist schon klar Volker, dass die Hände nicht so zittern dürfen - also nichts das nach schwerer Arbeit, nach dem Klettern, Krafttraining etc. gemacht werden sollte. Wobei ein guter Teil der Präzision mittlerweile in der SMD-Beschaltung der Gabellichtschranke liegt und dass ich beim Einlöten der Miniplatine ins Servogehäuse die Durchführungen (Träger der GLS) gegen die Lötwärme isolieren muss. Die Servogehäuse dieser Billigservos sind nämlich aus Thermoplast . . . . Ein wichtiges Teil für diese Arbeit (Wärmeabfuhr) ist eine gekröpfte Zahnarztpinzette, mit der ich beim Löten hinter die Platine fassen kann.

    Zitat Zitat von Klingon77
    ... Wie ... Zahnräder auf der Welle befelstigt? Insbesondere Das Abgangszahnrad ...
    Nein - das schreib ich Dir nicht. Stell Dir mal vor - nur mal angenommen - ich würde Dir jetzt erzählen, dass ich das mit zwei Streifen Papier mache - 0,08 mm dick bzw. 80 g/m², 1 mm breit. Du würdest Dich krummlachen und selbst meine Ausrede nicht so gern akzeptieren, dass die Zahnräder wohl aus PE-UHMW sind und daher so gut wie garnicht geklebt werden können. Also lassen wir das. Eine elliptische Verformung des Zahnrades ist wegen des hohen Widerstandsmomentes der Scheibe minimal und daher nicht zu fürchten, die Verformung des Ritzelteils von R4 (11 Zähne) stört nicht, weil kein Eingriff erfolgt. Das übertragbare Moment übersteigt deutlich das Haltemoment des Motors bei maximaler Stromaufnahme.
    Ciao sagt der JoeamBerg

  10. #10
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    hi oberallgeier,

    Du hast sicherlich Recht; der Maschinenbauer würde zumindest schmunzeln.

    Der Praktiker denkt dann aber; pfiffig gelöst


    Wenn man dann mal weiter denkt:
    Die "Kleine" ist fertig und wird wieder mit der Ursprungsflüssigkeit befüllt; sprich: der Ursprungszustand wieder hergestellt, quillt das Papier und die Haltekraft steigt noch weiter [-o<


    Immer wieder schön zu lesen, wie mit einfachsten Mitteln komplexe Probleme praxisnah gelöst werden können.

    liebe Grüße,

    Klingon77
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