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Thema: Fettes Problem: Suche Motortreiber/-IC/-Platine, >400A, 12V, PWM>5kHz

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Fettes Problem: Suche Motortreiber/-IC/-Platine, >400A, 12V, PWM>5kHz

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    Hallo Leute,

    ich habe keine Ahnung ob mir die Phantasie durchgeht. Im Rahmen einer Projektidee Suche ich einen Motortreiber für ne hochgestochene Aufgabe: elektronischer Schalter für >300(400)A/12V/1000Hz.

    Hintergrund: ein DC-Motor (z.B. Autoanlasser) soll eine fallende Last simulieren, die durch eine Fangeinrichtung (Fangseil elastisch, mit Stoßdämpfer) abgefangen wird. Beispiel: ein Gewicht, typisch 80 kg, fällt zwei bis vier Meter frei und wird dann abgefangen. Um das Gewicht zu simulieren, will ich mit einem Motor ein Seil dosiert aufspulen (Haspel).

    Was geschieht? Die Beschleunigung am Kupplungshaken (sozusagen mein TCP) zwischen Last und Zugseil des diskutierten Motors soll 1 g sein, zumindest im freien Fall. Wenn der variable Freifall zu Ende ist, also wenn die Fangeinrichtung den Fall bremst, soll der Motor mit der dann nötigen Kraft den eingebrachten Impuls simulieren, damit die Fallvorrichtung am TCP das stürzende Gewicht sieht und mit entsprechender Last arbeiten muss. Je nach Wirkung der Fangeinrichtung wird der Motor langsamer/weniger ziehen - bis zum Stillstand.

    Meine Schätzung sieht derzeit, dass in ein paar Zehntelsekunden bis zu 10 m/s erreicht werden - entsprechend einer maximalen Freifallstrecke von 4 m. Sobald der freie Fall zu Ende ist, muss der Motor mit seiner Zugkraft der Fangvorrichtung die stürzende Last vorgaugeln. Je nach Bremswirkung der Fangeinrichtung wird der Motor seine Zugkraft verringern. Die Bremswirkung der Fangvorrichtung schätze ich auf drei- bis fünffache Erdbeschleunigung. Eine mitlaufende Wegmessung prüft die aktuelle Fallgeschwindigkeit und rechnet aus der Differenz zwischen der Geschwindigkeit vTCP und der theoretischen Freifallgeschwindigkeit die Wirkung der Bremsvorrichtung aus - damit der Motor auf weniger Last runtergeregelt werden kann. Zum Vorbereiten des Reißtestes muss das Motorseil abgespult werden - das sollte bei stromlosen Motor durch Handkraft möglich sein (noch so ein Weihnachtswunsch).

    Übliche Asynchronmotoren (mit Käfigläufer) werden mit den mir bekannten FUs nicht dynamisch genug regeln können (Auskunft weniger Fachleute). Daher denke ich an Anlasser aus dem Umfeld PKW-Diesel, die bekanntlich Ströme von 400+ A aufnehmen können. So bekomme ich mit 12 V und - mal geschätzten 300 A - eine Leistung von satt 3,5 kW. Diese Schätzung ist ein reiner Schreibtischwert, gemessen habe ich noch nichts.

    Der Motorbetrieb ist - problementsprechend - reiner Kurzzeitbetrieb. Geschätzte 20 Vorgänge pro Stunde bei einer Motorlaufdauer von allenfalls je ein oder zwei Sekunden.

    Eigentliche Frage
    Die Regelung des Motors muss sehr schnell sein, ich rechne mit > 100 Hz. Entsprechend muss eine PWM den Motorstrom - mehrere hundert Ampere - dosieren. Die PWM sollte wohl satt die zehnfache Frequenz aufbringen ?
    Und nun mein Kernproblem: bekomme ich Schaltelemente die solche Ströme und Frequenzen mitmachen? Und wenns die gibt: sind die bezahlbar?

    Natürlich kann die Idee untauglich sein. ABER wenn ich daran denke, dass mittlerweile im Rennsport (F1) EMotoren zusätzliche zig kW (80+?) aufbringen, dann werden das vermutlich a) Gleichstrommotoren sein, die b) auch keine Hundertkilomonster sein können und die b) auch aufs penibelste geregelt werden müssen, damit das Auto nicht schlagartig die Fahrbahn verlässt.

    Danke im Voraus für konstruktive Vorschläge - oder aufzeigen der machbaren Grenzen.
    Ciao sagt der JoeamBerg

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    Hallo,

    wahrscheinlich haben wir hier Experten, die da mehr sagen können. Aber zwei Ideen hätte ich schon mal.

    1. Es gibt sehr schnelle Drehstromservos mit Synchronmotoren. Die zugehörigen Positioniermodule (SPS) können mit 0,44 ms Takt die Absolutposition regeln, sowas wird in schnellen Verpackungsmaschinen, DVD-Fertigung und ähnlichem gebraucht.
    https://de3a.mitsubishielectric.com/...ms/mr_j4/local
    So eine Anwendung habe ich damit aber noch nicht versucht, außerdem hatte ich bisher nur Motoren bis 700 W. Die gibt es aber sicher bis 7 kW, eventuell noch größer (65 kW ?).

    So schnell waren die schon 2009, heute geht's schneller.
    https://www.youtube.com/watch?v=QBtrFDoqWTM

    2. Aus der zugehörigen Reklame weiß ich, dass die auch einzelne Transistormodule haben. Kann aber nicht sagen, ob die bei 12 V schon gehen.
    http://www.mitsubishielectric.com/se...ermod/igbtmod/

    Wahrscheinlich haben andere Hersteller da noch mehr.
    Geändert von Mxt (30.06.2015 um 19:16 Uhr)

  3. #3
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    Guten Morgen,

    noch zwei Nachträge:

    - Dicke Transistoren gibt es z.B. auch noch bei Infineon.

    - Servomotoren aus Deutschland z.B. bei Lenze
    http://www.lenze.com/produkte/motore...onmotoren-mcs/

  4. #4
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    Hallo,

    Also das mit dem Anlasser sehe ich nicht so ganz, der hat eine zu grossen Massenträgheit und kann schon rein mechanisch nicht so schnell reagieren wie du es gerne hättest. Aber dazu müsste man
    1. Die entsprechenden Motordaten haben
    2. Berechnen welche Masse in welcher Zeit auf welche Drehzahl beschleunigt werden muss. Dabei ist zu bedenken, dass die nötige Energie im Quadraht zur Beschleunigung ansteigt.

    Nicht umsonst gibt es extra Servomotoren, welche darauf getrimmt sind, eine kleine bewegte Masse zu haben und deshalb schnell Reagieren zu können.

    Bevor du dich um die 400A kümmerst, was durchaus machbar ist, solltest du erst mal den Rest berechnen.

    MfG Peter(TOO)
    Manchmal frage ich mich, wieso meine Generation Geräte ohne Simulation entwickeln konnte?

  5. #5
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    Hallo,

    falls das mit Elektromotoren nicht funktioniert, könnte ich mir hier ein pneumatische Lösung mit einem schnellen Ventil vorstellen.

    grüsse
    Thomas

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    falls das mit Elektromotoren nicht funktioniert, könnte ich mir hier ein pneumatische Lösung mit einem schnellen Ventil vorstellen.
    ... oder man nimmt ein typ. 80 kg schweres Gewicht und läßt es aus 2 bis 4 Meter Höhe ins Seil fallen.
    ... oder man nimmt eine Winde und kuppelt ein Schwungrad mit bekanntem Schwungmoment und Drehzahl ein (wenn man Schlappseil zum Hochbeschleunigen hat, kann man sich sogar die Kupplung sparen).
    Sicherlich sind diese naheliegenden und mit viel geringerem Aufwand zu realisierenden Ideen bereits im Vorfeld verworfen worden. Um die Fragestellung besser zu verstehen, wäre es nicht schlecht zu wissen warum die einfachen Wege nicht gehen.

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Vielen Dank für die Vorschläge. Peter, Du hast natürlich Recht, ne genaue Durchrechnung muss Grundlage sein. Aber ich wollte erstmal ein paar Ratschläge ob so etwas überhaupt angegangen werden dürfte, ohne dass es von vornherein in einer Pleite endet.

    Zitat Zitat von ranke Beitrag anzeigen
    ... oder man nimmt ein typ. 80 kg schweres Gewicht und läßt es aus 2 bis 4 Meter Höhe ins Seil fallen ...
    Die Gewichtsvariante ist eine aktuell praktizierte Möglichkeit. Viel Aufwand um z.B. das Gewicht in geordneten Bahnen hoch und per freiem Fall runter zu kriegen, ohne dass hin und wieder einer beim Bedienen erschlagen wird. Diesen Aufwand wollte ich durch eine schicke, kleine Motorlösung mit zwei Dyneemaseil(ch)en ersetzen (kleiner Autoanlasser - Schubmechanik - handelsüblicher KFZakku - und ein bisschen Elektronik ...). Aber bisher sehe ich die Lösungsmöglichkeiten keinesfalls klein und schick auch nicht wirklich.

    An die Winde mit Schwungrad hatte ich auch schon gedacht, aber erst mit geringer Priorisierung.
    Ciao sagt der JoeamBerg

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Hallo!

    Zitat Zitat von ranke Beitrag anzeigen
    Sicherlich sind diese naheliegenden und mit viel geringerem Aufwand zu realisierenden Ideen bereits im Vorfeld verworfen worden. Um die Fragestellung besser zu verstehen, wäre es nicht schlecht zu wissen warum die einfachen Wege nicht gehen.
    Mein Erklärungsversuch:

    Jedes Projekt hat zwei Enden: einfachsten und kompliziertesten und einen optimalen Punkt dazwischen, den man erreichen will. Ich sehe bisher, dass meisten Leute einfach am verkehrten Ende anfangen ._.
    MfG (Mit feinem Grübeln) Wir unterstützen dich bei deinen Projekten, aber wir entwickeln sie nicht für dich. (radbruch) "Irgendwas" geht "irgendwie" immer...(Rabenauge) Machs - und berichte.(oberallgeier) Man weißt wie, aber nie warum. Gut zu wissen, was man nicht weiß. Zuerst messen, danach fragen. Was heute geht, wurde gestern gebastelt. http://www.youtube.com/watch?v=qOAnVO3y2u8 Danke!

  9. #9
    RN-Premium User Roboter-Spezialist Avatar von witkatz
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    Ich habe den Lastfall ein bißchen in Cymex durchgespielt. Die 800N Gewicht, bzw. ca. 5kN bei 5g Beschleunigung von ca. 80kg Masse (also 6g incl. Erdbeschleunigung) sind die eine Sache. Das Ausschlaggebende bei der Auslegung scheint aber die Trommel zu sein, auf die das Seil aufgewickelt wird. Ich habe mal Spaßeshalber einen Hohlkörper mit 250mm Durchmesser, 250mm Länge, 1mm Stahl Wanddicke mit zwei runden Platten und 500 x 16 Welle berechnet.
    Ergebnis: ca. 300kgcm^2 Massenträgheitsmoment. Deine Last kommt nach 4m Fall auf 9m/s und die Trommel auf ca. 700UPM. Um Last mit 5g abzubremsen, muss die Trommel in 200ms zum Stehen kommen. Für diese Dynamik spukt Cymex nur Synchronservos ab ca. 6kW und 80Nm Spitzenmoment raus, also nicht gerade kleine.
    Ob so eine Trommel diese Last überhaupt tragen kann, weisst ich nicht. Ich würde bei der Antriebsauslegung auf jeden Fall bei der Dimensionierung der Trommel oder Seilscheibe anfangen.

    Gruß
    witkatz

    - - - Aktualisiert - - -

    Das ist jetzt natürlich die reine Dynamikbetrachtung unter der Annahme, dass die Last durch Gegengewicht wie bei einem Aufzug kompensiert ist Naja, für den Fall, dass die Last doch nicht kompensiert ist landet man mit bei >500Nm Servos und das sind schon dicke Trümmer.
    Geändert von witkatz (01.07.2015 um 14:58 Uhr)

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    Zitat Zitat von witkatz Beitrag anzeigen
    Ergebnis: ca. 300kgcm^2 Massenträgheitsmoment.
    ...
    Für diese Dynamik spukt Cymex nur Synchronservos ab ca. 6kW und 80Nm Spitzenmoment raus, also nicht gerade kleine.
    Vom Trägheitsmoment und dem Drehmoment her deckt sich das ganz gut mit dem Datenblatt meiner japanischen Servos. Typen mit 7 kW oder 9 kW liegen beim erlaubten Trägheitsmoment der Last in diesem Bereich.

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