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Thema: Dämpfung von Schwingungen mit OpAmp LM324

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Searcher
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    Dämpfung von Schwingungen mit OpAmp LM324

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    Hallo,

    ich benutze für meinen Linienfolger untenstehende Schaltung zur Unterdrückung von Zitter-/Schlingerbewegungen. An R5 kommt das Signal einer Schaltung für die Liniensensoren an. Die Spannung liegt zwischen 2,5V und 3,5V, abhängig davon, ob sich der Linienfolger in einer Links- oder Rechtskurve befindet. Fährt er geradeaus, ist die Spannung 3V. Die Spannung wird von einem LM386 abgegeben und ist damit relativ niederohmig. Der Ausgang führt zu einem weiteren LM324-Eingang für die Lenkungsansteuerung.

    Bei Geradeausfahrten kommt es aufgrund von irgendwelchen Störeinflüssen (unebener Boden, nicht perfektes Fahrwerk etc.) dazu, daß mal der rechte oder der linke Sensor der Linie näher kommt und der Linienfolger für die Geradeausfahrt nachregeln muß. Lenkt er zu stark gegen, ist gleich die nächste Nachregelung nötig und das kann sich dann aufschaukeln.

    Der Gedanke bei der Schaltung war: Verstärkung soll durch R2 und R5 auf etwa eins eingestellt sein. Durch R6, C3 ist bei Eingangsspannungsänderung der Widerstand über R6, C3 zunächst klein, da sich C3 auflädt und somit die Verstärkung zu Beginn der Änderung weit unter eins ist. Danach steigt die Verstärkung bei Halten der veränderten Spannung (zB in einer Kurve) nach Aufladung von C3 wieder auf eins. Damit werden schnelle Eingangsänderungen stark geschwächt an den Ausgang weitergegeben.

    Die Ausgansspannungskurve steigt im ersten Augenblick steil an um dann flacher werdend den Endwert zu erreichen. Die Kurve ist nach oben gewölbt und hat in etwa die Form wie die Spannungskurve des Kondensators beim Aufladen.

    Gibt es eine einfache Schaltung, um den steilen Anstieg im ersten Augenblick zu vermeiden und in einer nach unten gewölbten Form verlaufen zu lassen und erst später dem Endwert wie oben beschrieben annähern zu lassen?

    Die Ausgangsspannung soll also zunächst flach beginnen, zunehmend bis zum Endwert steigen oder ab einem gewissen Level abnehmend bis zum Endwert steigen.

    Der Sinn ist schnelle Hin- und Herbewegungen des Linienfolgers zu dämpfen. Die bewegen sich im grob geschätzten Bereich von 5 bis 20Hz.

    Hoffe hab mich verständlich ausgedrückt.

    EDIT: Fragestellung berichtigt. Weiter unten im Thread Skizze mit Spannungsverläufen.

    Gruß
    Searcher
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  2. #2
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Re: Dämpfung von Schwingungen mit OpAmp LM324

    Hallo!

    Zitat Zitat von Searcher
    Die Ausgangsspannung soll also zunächst flach beginnen, zunehmend bis zur Eingangsspannung steigen oder ab einem gewissen Level abnehmend bis zur Eingangsspannung steigem.
    Das ist für mich widersprüchlich, also unverständlich. Versuche es, bitte, ohne "oder" vormulieren, dann würde ich mir was einfallen lassen ...

    In allgemeinem kann man die Charakteristik Uout = F (Uin) vom OpAmp mit Widerstandsnetzwerk und Dioden fast beliebig festlegen.

    Ich habe mir z.B. symmetrischen Umformer Dreiek/Sinus bei meinem Funktionsgenerator so realisiert (siehe Code). Fur unsymmetrische bzw. anderartige Eigang- Ausgangspannungen fallen die 4 Si Dioden im Brückengleichrichter aus und die sonstige Bauteile müssen neu dimensioniert werden.

    MfG
    Code:
                            Si                  Si
                          +->|-+----+----+----+-|<-+
                          |    |    |    |    |    |
                          |    |   .-.  .-.  .-.   |
                          |    |R3 | |R4| |R5| |   |
                          |    |12k| |22k |36k |   |
                          |    |   '-'  '-'  '-'   |
                          |    |    |    |    |    |
                          |    +->|-+->|-+->|-+    |
                          |      Ge   Ge   Ge |    |
                          |                   V    |
                          |                Si -    |
                          | Si       R2       | Si |
                          +-|<----------------+->|-+
                          |          16k           |
                          |          ___           |
                          +-------+-|___|-+--------+
                                  |       |
                             R1   |  VCC  |
                             10k  |   +   |
                             ___  | |\|   |
               Ud Dreieck >-|___|-+-|-\   |
                  ca.2Vpp           |IC>--+-------> Us Sinus
                                  +-|+/                ca.2Vpp
                                  | |/|
                                 ===  -
                                 GND VCC
                  IC=LM324
                  VCC=12V
                  Si=Silicon Diode
                  Ge=Germanium Diode
                  Ud und Us sind symetrisch (-2V/+2V) gegen GND
    Geändert von PICture (18.04.2014 um 18:25 Uhr)

  3. #3
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    Wenn ich die Frage richtig verstehe, ist eine bestimmte Sprungantwort gesucht.

    Ohne es jetzt zu simulieren oder tiefer zu analysieren würde ich sagen, dass eine solche Funktion weiterhin ein Tiefpass ist, nur mit höherer Ordnung. Grundsätzlich lassen sich diese auch mit OPVs aufbauen. Allerdings kann es etwas mühselig werden mit analogen Bauteilen die richtige Form zu finden.

    Ich würde daher eher einen Mikrocontroller vorschlagen, mit dem kann man dann auch gleich das Verhalten aufzeichnen und es in Ruhe untersuchen. (Ohne mit einem Oszi hinter einem fahrenden Ding her zu laufen.)

    PS.: Eventuell ist das Problem aber garnicht der Filter in der Schleife, sondern der Sensor selbst. Verändert dieser sein Verhalten von irgendwelchen äußeren Einflüssen zu stark wird es einfach sehr schwierig sein einen passenden Regler auszulegen (oder dessen Ergebniss insgesamt nur unbefriedigen sein). (Sättigung, Linearität, Störeinfluss)

  4. #4
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    Hallo!

    Egal wie es realisiert wird, muss die Funktion Uout = f (Uin) genau definiert werden. Ich habe mir die Funktion zuerst auf Milimeterpapier gezeichnet, die Widerstände berechnet und danach mit einem Oszi an die Praxis angepasst, da die Durchflußpannungen der Dioden leider nicht genau sind...

    MfG

  5. #5
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    Zitat Zitat von Searcher
    Die Ausgangsspannung soll also zunächst flach beginnen, zunehmend bis zur Eingangsspannung steigen oder ab einem gewissen Level abnehmend bis zur Eingangsspannung steigem.
    Entschuldigung, das hab ich falsch beschrieben, weil ich die Invertierung des - Eingangs des OpAmp in gegenwärtiger Schaltung nicht berücksichtigt hab.

    Bei sinkender Eingangsspannung soll die Ausgangsspannung steigen.

    Unten das, was ich eigentlich gemeint habe. Ausgehend von 3V Eingangsspannung (dann auch 3V Ausgangsspannung) sinkt die Eingangsspannung nach zB 2,5V. Dann soll die Ausgangsspannung den Verläufen (2) oder (3) folgen. Also mit variabler Verstärkung bis maximal eins.

    (1) gegenwärtiger Verlauf der Ausgangsspannung
    (2) oder (3) : das was ich gerne hätte

    Zitat Zitat von PICture
    In allgemeinem kann man die Charakteristik Uout = F (Uin) vom OpAmp mit Widerstandsnetzwerk und Dioden fast beliebig festlegen
    @PICture: Das hört sich sehr gut an. Werde später nach Deiner Skizze sicher ein paar Experimente durchführen. Vielen Dank dafür.

    @schreihals: Entschuldige nochmal für falsche Beschreibung. µC würde ich gerne vermeiden. Es kommt mir nicht auf ganz genaue Einhaltung eines Kurvenverlaufs an, sondern erstmal nur auf die Charakteristik. Werde sicher mit der Dimensionierung dann noch experimentieren müssen.

    Mit gegenwärtigem Filter und je nach Dimensionierung schlingert oder zittert der Linienfolger über die Linie oder fährt sogar relativ ruhig, was dann aber auf die Dynamik beim Einlenken in die Kurve geht. Ich möchte da gerne noch andere Filtercharakteristiken ausprobieren.

    Hoffe es ist ein bißchen klarer geworden, was ich meine.

    EDIT: Hier noch ein Link zum Linienfolger mit dem kompletten Schaltplan aber anderer Dimensionierung des Filters
    http://www.roboternetz.de/phpBB2/vie...=494487#494487

    Hier ein Video, wie er mit gegenwärtiger Dimensionierung fährt.
    http://www.youtube.com/watch?v=Ww9aAH_s-mw

    Gruß
    Searcher
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  6. #6
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    So wie ich schon erwähnt habe, bei analogen Schaltungen gibt es keine logische Funktionen. Man kann nur eine permanente Charakteristik ohne "oder" realisieren.

    Ich nehme an, dass du ungefähr (3) dir wünchst, was aber wegen dem "Knickpunkt" am kompliziertesten ist. Dafür muss man die R Netzwerke und Dioden auch am Eingang verwenden. Die Kurve muss man quasi aus zwei zusammensetzen, zuerst das wachsende Teil am Eingang und danach fallende in der Rückkopplung mit berücksichtigung der schon vorhandener am Eingang (sehe Beispiel im Code). Die Dioden beim R4 werden mit Eingangsspannung und beim R8 mit Ausgangsspannung geschaltet.

    Die (2) verlangt z.B. Dioden nur am Eingang und (1) nur in Rückkopplung (wie in der Skizze oben). Es ist nicht simpel, aber oft am Ende das Einfachste. Für Berechnungen könnte man für Germanium und Schottky Dioden 0,2 bis 0,3 V und für Silizium 0,5 bis 0,6 V annehmen.

    Die Charakteristik hat mit dem Frequenzgang nichts zu tun, es ist also kein Filter, da die Charakteristik keine Zeitachse hat.

    Viel Spass beim Experimentieren, wenn dir das gefällt!

    MfG
    Code:
    
                                 +-+----+----+
                        R1    D1 | |    |    |
                       ___       |.-.  .-.  .-.
                    +-|___|-+->|-+| |R5| |R6| |R7
                    |       |    || |  | |  | |
                    |       -    |'-'  '-'  '-'
                    |   R2  ^ D2 | |    |    |
                    |  ___  |    | +->|-+->|-+
                    +-|___|-+    |  D5    D6 |
                    |       |    |           V D7
                    |       |    |   R8      -
                    |       -    |  ___      |
                    |   R3  ^ D3 +-|___|-+---+
                    |  ___  |    |       |
                    +-|___|-+    |  VCC  |
                    |            |   +   |
                    |  ___       | |\|   |
         Ui >-------+-|___|------+-|-\   |
                                   |IC>--+-------> Uout
                       R4        +-|+/
                                 | |/|
                                ===  -
                                GND VCC

  7. #7
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    101
    @PICture: ich seh ein, daß ich meine Frage noch mal überarbeiten muß. Du hast mir sehr gute Ideen für weitere Experimente geliefert aber die Schaltung von Dir arbeitet nicht so wie ich mir das vorgestellt habe. (Ich seh ein, daß Du nicht meine Gedanken lesen kannst )

    Habe viel im LTSpice simuliert und mit Dioden auch die von mir vorgegeben Kurvenverläufe zumindest annäherungsweise hinbekommen. Leider nur, wenn ich am Eingang mit Rechtecksignal zwischen 2,5V und 3,5V, also 1Vpp angesteuert habe. Der Kurvenverlauf am Ausgang ändert sich aber erheblich, wenn man dann zB ein Rechtecksignal zwischen 3,5V und 3,0V oder 3,1V und 2,8 Volt am Eingang hat, was ja bei dem Linienfolger normal ist. Die Kurvenkrümmungen hab ich nur zu den Extremwerten gut hinbekommen, also bei 2,5V und 3,5V. Die sollen jedoch symmetrisch um 3V liegen.

    Wie gesagt, ich muß wirklich nochmal an der Fragestellung arbeiten und da tu ich mich echt schwer. Wenn ich soweit bin wage ich es dann nochmal.

    Nichtsdestotrotz habt Ihr mir weiter geholfen. Vielen Dank nochmal.


    Gruß
    Searcher
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  8. #8
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    Hallo Searcher!

    Mir ist klar, dass die eher empirische, wegen ziemlich großen Unterschied zwischen theoretichen und praktischen Verlauf der Kurve Uout = F (Ui) nicht für reine Theoretiker ist, die durch Simulation einen praktischen Ergebnis streben.

    Duch Anwendung als Schaltelemente Dioden mit exponentialen R = F (U) unterscheiden sich die praktische und theoretische Funktionen Uout = F (Ui) erheblich und müssen in der Praxis experimental "getunnt" werden.

    Die R Netzwerke mit Dioden mussen für max. Amplituden der Eigangs- und Ausgangsspannungen ausgelegt werden. Um die Umschaltpunkte bei Bestimmten Spannungen zu bekommen, ist es oft nötig, anstatt nur einer, mehrere unterschiedliche seriell geschaltete Dioden zu verwenden, wie in meinem erstem Beispiel des Umformers. Hinbekommen gewünschter Schaltung ist mühsam und nur mit Simmulation unmöglich.

    Wie jede lässt sich die Methode nur für bestimmte Schaltungen anweden.
    Mir ist nur eingefallen, dass diese fast unbekannte und in der Praxis bewährte Methode sich Vorschlagen verdiennt hat.

    MfG

  9. #9
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    101
    Hallo PICture,

    den Unterschied zwischen Simulation und Praxis habe ich auch schon öfter erfahren müssen. Ich nehme Simulation, weil ich dort schnell grundsätzliches Verhalten ohne verbrannte Finger und Rauch von Bauteilen ausprobieren kann. Da ich nur Hobby Elektroniker bin, ist das noch ideales und schnellstes Werkzeug für mich vor dem praktischen Aufbau von Schaltungen. Die hier von Dir vorgeschlagenen sind für mich theoretisch noch nicht zu erfassen und dazu werde ich sicher noch einige Zeit brauchen. Werde aber, wenn ich genügend Zeit finde, die auch praktisch aufbauen.

    Deine Schaltungsvorschläge, nicht nur in diesem thread, haben irgendetwas Besonderes und gefallen mir - wenn ich sie auch nicht immer begreife. Der Filter/die Charakteristik (über die Begriffe werde ich mir auch klarer werden müssen) ist noch aktuell und werde das noch weiterverfolgen. Vorerst möchte ich den Linienfolger aber in einen besseren Zustand versetzten und Möglichkeit vorsehen die Schlingerunterdrückung auszutauschen. Da hab ich Glück gehabt und zufällig einfache Schnittstellen gefunden. Vielleicht schaffe ich es auch mit Oszi hinter ihm herzulaufen, wie schreihals geschrieben hat, um bessere Daten zu liefern

    Ich hatte noch zwei Punkte, die mich an ihm störten. Das eine waren eben das Zittern, gegen das der Filter helfen sollte. Das andere war das unterschiedliche Verhalten in Rechts- und Linkskurven, dessen Ursache ich glaube gefunden zu haben. Werde das noch im Vierrad thread kurz beschreiben.

    Danke nochmals für die vielen Tipps, auch für die, die ich aus anderen threads entnommen habe.

    Gruß
    Searcher
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  10. #10
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    Hallo Searcher!

    Vielen Dank für die Blumen.

    Das wichtigste für mich ist immer ein definiertes Ziel und dafür nötige Geduld zu haben (siehe deine Signatur). Sehr wichtig ist auch rechtzeitig einen Unsinn beenden zu können. Ich habe immer eigene Lösungen gesucht und oft gefunden.

    Du bist irgendwie mir ännlich wenn es um etwas neues und bisher unbekanntes geht. Dank deinen Antworten z.B. in Mechanikbereich, habe ich schon einiges geschafft, was ich allein nicht könnte.

    Für mich ist nicht Endergebnis, sondern das Experimentieren das wichtigste. Manchmal entsteht etwas brauchbares, ich habe das aber sogar beim negativem Endergebnis nie bereut und immer etwas bisher unbekanntes dazugelernt ...

    Übrigens, ich beschäftige mich mit Symulationen grundsätzlich nicht und habe bisher LTSpice mit gutem Erfolg nur für HF benutzt.

    MfG

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