Meßstand Sprungantwort Prototyp

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Hallo,

ich habe bis jetzt hauptsächlich an der Zuverlässigkeit der Messungen, am Meßprogramm und der Übertragung der Meßwerte zum PC gebastelt.

Gemessen wird mit einem 20MHz getakteten ATMega88PA. Die Apparaturwelle wird jetzt in Ruhe von der Federkraft eines Hubmagneten, der auf die Gummirolle drückt, gebremst/gehalten.

Zu Beginn der Messung wird Timer1 im ATMega gestartet und der Hubmagnet aktiviert, der dann die Welle freigibt. Das Senklot fällt auf den Zeitmeßstoptaster, der den Input Capture Interrupt auslöst, mit dem dann die Zeit genommen wird. Der 16-Bit Timer1 läuft zur Zeit mit Prescale 1024, so dass er eine Auflösung von 51,2µs liefert und ohne Überlauf mehr als 3 Sekunden messen kann. Mehr als ausreichend. Der Hubmagnet wird deaktiviert, bremst die Rolle und verhindert ein Verheddern des Fadens.

Zusätzlich werden jede Millisekunde die seit Start aufgelaufenen Encoderticks aufgenommen und sofort per RS232 zum PC mit 115200 Baud übertragen. Die Auswertung des Quadratursignals wurde auf 7200 Ticks pro Umdrehung erhöht. Der Encoder liefert Sinussignale, die bisher direkt an die µC Eingänge geschaltet waren. Das schien fehlerfrei zu funktionieren. Ich hab dennoch 74HC14 ICs zwischengeschaltet um den µC mit saubere Rechteck zu versorgen. Jetzt kommen bei höherer Geschwindigkeit jede Millisekunde etwa 7 ASCII Zeichen zum PC rüber. Nähert sich scheinbar der Grenze des gegenwärtigen Programms. Reine Übertragungszeit der 7 Zeichen (Fünfstellige Zahl plus CR LF) sind ca. 0,6ms und der µC soll ja auch noch die Daten sammeln. Denke das sollte schnell genug sein, sonst muß ich mir noch was anderes überlegen. Der PC kann auch nur 115200 Baud.

Anlaß des Einbaus des Hubmagnets war, daß ich bei manuellem Auslösen große Toleranzen im Meßergebnis feststellte. Außerdem kann das Programm unmittelbar nach Abschluß der Messung durch Deativierung des Hubmagnets das lange Nachlaufen der Welle verhindern. Da die Federkraft des Hubmagnets nicht ausreichte um die Welle mit dem zerrenden Senklot zu halten, wurde auf den Metallanker noch ein Kunststofffoliendeckel mit höherer Reibung geklemmt.

Interessante Beobachtung: Welle beginnt sich erst ca. 5 bis 6ms nach Meßstart zu bewegen. Wird wohl hauptsächlich die Reaktionszeit des Magneten sein. Die Bewegung der Welle ist aber nicht sofort in die Richtung, in die sie das Lot zieht, sondern rückwärts bevor sie dann nach ca. 4ms beginnt in die "richtige" Richtung zu drehen. Da werd ich wohl nochmal an der Ausrichtung des Hubmagneten basteln müssen obwohl eine Beschleunigung in die richtige Richtung durch den Hubmagnet hätte ich nicht erkannt.

Ich habe mal dass Schwungrad aus dem Radio abgenommen und eine Fallzeit des Lots von 511ms über 675mm Fallhöhe gemessen. Eine tangential ansetzende Kraft an dem 51mm durchmessenden Gummirad würde dann die gleiche Trägheit erfahren, wie sie eine Masse von 90,7g hätte.

Oder anders ausgedrückkt: Das Antriebsrad des fixierten Dreirades muß auf der Rolle mit der gleichen Trägheit kämpfen als wenn es nicht fixiert eine Masse von 90g antreiben müßte.

So zumindest nach meinen bisherigen Überlegungen. Bitte um Widerspruch bevor ich das Dreirad tasächlich auf die Rolle stelle und ein unvorhergesehenen Unfall erlebe

Gruß
Searcher

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Hallo,

ich bin immer noch bei der Verbesserung der Meßapparatur und Bestimmung der Trägheit der Apparaturwelle.

Zunächst habe ich den Taster, der vom Senklot betätigt wird und die Zeitmessung stoppt, entfernt. Mithilfe der Enkoderscheibe lässt sich die Zeit bei Erreichen eines Tickendwertes ja auch nehmen. Und bei 7200 Ticks pro Umdrehung läßt sich die Fallhöhe des Lots auch gleich auf 0,02mm bestimmen. Die Rolle, auf die der Faden aufgewickelt ist, rechne ich nun mit 46mm Durchmesser (tatsächlich irgendwas zwischen 45,6 und 45,9mm), da ja der Faden selbst auch noch eine gewisse Stärke aufweist. (46mm * pi / 7200 = 0,0200712mm).

Zur Messung der Fallzeit wurde und wird die Input Capture Funktion benutzt. Der Interrupt wurde vorher vom Endtaster ausgelöst. Jetzt wird bei Erreichen des Enkoderendwertes der Input Capture Pin vom Programm geschaltet. Softwareinterrupt sozusagen. Das Fallhöhe hab ich auf 50cm begrenzt. Scheint mir zu reichen.

Vorher hatte ich jede ms ein Sample der Enkoderticks genommen. Das ist jetzt auf eine halbe ms gesenkt. Um die Daten auch "in Echtzeit" zum PC zu bekommen, wurde die Integer Variable (2 Byte mit Vorzeichen), in die die Ticks aufaddiert wurden, gegen eine Ein-Byte-Variable ohne Vorzeichen getauscht, nur noch die Ticks einer halben ms gezählt und zum PC übertragen. In einer Tabellenkalulation kann man dann ja am PC beliebig nachbereiten. Rückwärtsdrehen der Welle tritt nur selten und nur kurz nach Start auf. Die dann erzeugten Byte-Werte sind sehr hoch und können daran identifiziert werden und SW-mäßig geradegebogen werden.

Da mir da ab und zu immer noch ein Meßwert abhanden kam, habe ich doch noch auf ein TTL-USB Serial Adapter, der lange in der Schublade lag, zurückgegriffen. Der HW-Com Port an meinem PC schafft nur 115200Baud. Den Adapter hab ich mit 230400Baud zum Laufen bekommen. Allerdings ist der nicht so schön zuverlässig wie der HW Port, überträgt plötzlich nichts mehr und muß deshalb ab und zu zurückgesetzt werden.


Mal sehen, ob das von mir noch nie genutzte google drive zu gebrauchen ist. Ich habe mal eine Serie Meßwerte in eine mess&abgeleitete_Werte.csvDatei gepackt und dort abgelegt. Spalten mit Semiolon getrennt.
Erste Spalte gibt die verronnene Zeit an.
Zweite Spalte die Enkoderticks in einem 0,5ms (genauer 0,4992ms) Intervall an.
Dritte Spalte enthät die zeilenweise Hinzusummierung von Spalte zwei.
Vierte Spalte die zeilenweise Berechnung der Beschleunigung.

Beschleunigungsverlauf.PNGzeigt eine daraus erzeugte Grafik, die mich ins Grübeln hat kommen lassen. Zu Beginn sieht man eine "beschleunigte Beschleunigung" die dann in eine relativ konstante Beschleunigung mündet. Ab Sample 120 (60ms) hab ich daraus mal eine mittlere Beschleunigung von 4,607024446m/s^2 berechnet (am Ende der mess&abgeleitete_Werte.csv).

Bild hier  

Gruß
Searcher

[oberallgeier]

.. eine .. Grafik, die mich ins Grübeln hat kommen lassen. Zu Beginn sieht man eine "beschleunigte Beschleunigung" die dann in eine relativ konstante Beschleunigung mündet ..

Über die Beschleunigung höherer Ordnung will ich jetzt mal nix schreiben.

.. Meine Bedenken .. weil die Fallbewegung Deiner Messeinrichtung eine beschleunigte Phase hat .. und die Bewegung aus einer gleichförmig beschleunigten in eine geschwindigkeits-konstante über geht ..

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.. Meine Bedenken .. weil die Fallbewegung Deiner Messeinrichtung eine beschleunigte Phase hat .. und die Bewegung aus einer gleichförmig beschleunigten in eine geschwindigkeits-konstante über geht ..

Der Graph zeigt zunächst eine geringe Beschleunigung (y Achse ist Beschleunigung eingetragen, nicht Geschwindigkeit), die bis um etwa 60ms stark ansteigt um nach weiteren 40ms mehr oder weniger horizontal zu verlaufen. Da ist also immer noch eine Beschleunigung (Geschwindigeitserhöhung) vorhanden, die jetzt aber, wohlwollend betrachtet, gleichmäßig/gleichförmig ist - im waagerechte Teil des Graphen. Die Beschleunigung wird auf dem Wert haupsächlich durch das Trägheitsmoment der Welle begrenzt. Die Abnahme der Beschleunigung hin zu einer gleichförmigen Bahngeschwindigkeit kann man im letzten Teil des Grafen vermuten, wo er ab etwa 250ms beginnt wieder abzufallen.

Hab grad noch mal ein paar Messungen mit unterschiedlichem Zuggewicht und auch zusätzlicher Reibung der Welle gemacht. Der Form der Graphen sieht vertikal gestaucht oder gedehnt aus. Die Zeiten der Steigungsänderungen bei ca. 60ms und weiteren 40ms wie oben erwähnt sind in etwa gleich.

Ich will nicht ausschließen, daß ich irgendwo einen grundlegenden Fehler mache; deshalb poste ich ja hier, um das herauszufinden, Im Augenblick rätsele ich, wie es zu der Form des Grafen, vor allem im 1. Abschnitt (0ms bis 120ms ) kommt

(Gut, daß ich bei der Menge der Versuche den Taster ausrangiert habe. Da hatte ich wegen der Spitze des Senklots eine Prallplatte aus blechbelegtem dünnen Brett angebracht. Das Blech sieht schon recht angegriffen aus und hätte wohl bald Löcher bekommen)


Gruß
Searcher

[oberallgeier]

Der Graph zeigt zunächst eine geringe Beschleunigung .. nach weiteren 40ms mehr oder weniger horizontal ..

Der Verlauf kommt mir, bei meinem bescheidenen Physikverständnis, doch eher unglaubwürdig vor. Ich hab mal Deine Unterlagen genommen (leider etwas dürftig kommentiert - dafür brät sie Google&Co gleich ohne Rückfrage auf meinen Rechner :-/ ) und hab mir daraus auf die Schnelle ne Auswertung gemacht. Sieht eher nach dem zu erwartenden Weg-Zeit-Diagramm aus, das schon beim Hinsehen auf eine gleichmässig steigende Geschwindigkeit deutet (Wertekurve und Trendfunktion sind praktisch deckungsgleich). Ein merkbares Ansteigen der Beschleunigung lese ich daraus nicht heraus - woher sollte das denn kommen (evtl. abnehmende innere Reibung). Aber egal, ich finde diesen Weg zum Erfassen des Beschleunignsverlaufs ja leider sowieso nicht zielführend.

PS: bei meinen Beschleunigungsmessungen (weiter oben beschrieben) läuft das Wesentliche innerhalb von 30 ms ab. Da sollte Dein Erfassungstakt passen. Und die Motorzeitkonstante ist um die 10ms.

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Hallo oberallgeier,

ich war gerade beim Erstellen eines weiteren Eintrags über eine ominöse Elastizität eines Nähfadens
Bin aber aus dem RN ausgeloggt worden und danach war das Editing irgendwie verdorben. Ich erstelle den Beitrag mal neu und schau mir später deinen Beitrag genauer an.

Gruß
Searcher

- - - Aktualisiert - - -

Hallo,

mich hatte im vorletzten post in der Grafik der erste Teil des Graphen irritiert. Da habe ich nun mehrere weitere Messungen durchgeführt. Meistens hatte ich das Senklot mit einem Gewicht von 53g benutzt. Nach Verstärkung der Bremse und Verwendung eines 210g Gewichtes kam mir so langsam ein Gedanke, warum die Beschleunigungskurve zu Beginn so aussieht. Zunächst eine weitere Grafik von 4 Versuchen mit dem 210g Gewicht mit verschiedenen Aufhängelängen bis zu 20cm zur Wickelrolle. Der Faden, an dem das Gewicht zieht ist ein Faden von einer Nähgarnrolle.

https://drive.google.com/uc?export=d...v601aQX9CttB3z

Der Graph mit 53g Senklot im vorletzten Posting steigt steil an, wird flacher und mündet in eine relativ konstanten Beschleunigung. Hier steigt er steil an, die Beschleunigung erreicht mit über 20m/s² mehr als das Doppelte der Erdbeschleunigung von 9,81m/s² Wie kann das denn sein? Das Gewicht fällt doch nur und wird nicht angetrieben. Es muß die Welle ja auch noch über die Wickelrolle antreiben. Danach fällt die Beschleunigung zurück und pendelt sich auf einen plausibelen Wert ein.

Meine Theorie dazu: Vor Meßbeginn hängt das Gewicht ruhig am aufgewickelten Faden kurz unter der Wickelrolle. Die Welle ist durch den Federdruck eines Zugmagneten noch blockiert.

Dann wird zur Messung der Zugmagnet aktiviert, gibt die Welle frei und gleichzeitig wird die Messung mit dem Enkoder an der Welle gestartet.

Die Welle wird über die Wickelrolle mit dem Gewicht und über den, in Grenzen aber doch elastischen Faden beschleunigt. Der Faden wurde durch Aufwickeln auf die Rolle mit dem angehangenen Gewicht gespannt und kann nun die frei gegebene Welle beschleunigen. Je länger der Faden von Rolle bis zum Gewicht ist, desto höher ist der Ausschlag zu Beginn des Graphen - zmindest den Versuchen nach. Auf den Gedanken zum elastischen Faden kam ich, da in den Graphen auch kurz vor der Horizontalen eine (elastische) Schwingung zu beobachten ist.

Kein Überschwinger des Graphen im vorletzten Posting: Die Welle war durch Gewichte mit zusätzlichem Trägheitsmoment belastet und wurde durch wesentlich geringeres Gewicht angetrieben. Das höhere Trägheitsmoment verhinderte eine höhere Beschleunigung, das geringere Gewicht spannte den Faden nicht so stark und bildete auch eine geringere Gegenkraft für das Zusammenziehen des Fadens aus.

Zur Bestimmung der Trägheit sollte die Elastizität des Fadens also keine Rolle spielen, wenn man nur den weitgehend horizontalen Teil des Graphen betrachtet


Ich bitte um dringenden Einspruch, wenn ich hier Blödsinn schreibe bevor ich mich weiter versteige

Gruß
Searcher

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Hallo,
nach meiner gestrigen Vermutung über den elastischen Nähfaden erinnerte ich mich heute Nacht an mein Smartphone mit "Super SloMo" Funktion. Hatte ich noch nie im Einsatz aber heute morgen mal ausprobiert und die Vermutung nähert sich der Gewißheit.

Dazu ein youtube Video



Das youtube Video und ein Weiteres im Download zur Einzelbildbetrachtung im eigenen Videoplayer.
Oben links kann man jeweils den Zugmagnet erkennen, der die Welle freigibt und zum Schluß abbremst.
Man kann erkennen, wie die Welle zu drehen beginnt, das Gewicht aber noch verharrt. Der Faden entspannt und das Gewicht beginnt zu fallen. So meine subjektive Beobachtung. Eure?

TraegereWelleSloMo.mp4: An der Welle ist zusätzlich eine Rolle mit Klemmen als zusätzliches Trägheitsgewicht angebracht.
Download Link: https://drive.google.com/uc?export=d...KfQY2BC3-YpJCb


OhneZusatztraegheitSloMo.mp4: Welle ohne zusätliche Gewichte, nur baubedingtes Trägheitsmoment.
Hier hatte ich noch einen kleinen Farbpunt an der Rolle in der Nähe des Zugmagnetankers aufgebracht um besser eine Bewegung der Rolle/Welle zu erkennen.
Download Link: https://drive.google.com/uc?export=d...6fV3hA-4xSy4qD

Grafik ähnlich der aus letztem Posting
extra-moment.PNG
Download Link: https://drive.google.com/uc?export=d...phNOIQ-MaGwR5o

Dazu eine EXCEL Arbeitsmappe mit dem Diagramm und zugehörigen Meßwerten und Erläuterungen. Es gibt bei den Meßwerten gegen Ende der Messung Ausreißer. Da wird die Geschwindigkeit so hoch, daß da wohl die Encoderauswertung nicht ganz mit kommt. Die Auflüsung mit 0,5ms ist wahrscheinlich nicht wirklich notwendig. Mal sehen....
slomo_calc.xls
Download Link: https://drive.google.com/uc?export=d...KfQY2BC3-YpJCb

Die Werte gehören nicht direkt zu den Videos, zeigen aber den Unterschied zwischen roher Welle und Welle mit zusätzlichem Schwunggewicht. Als Beschleunigungsgewicht diente das 210g schwere, ich glaube Uraltlautsprecher Ersatzteil.

Mittlerweile hat die Aufhängung der Welle gelitten und gibt von Versuch zu Versuch nur noch bedingt vergleichbare Werte. Besserer Aufbau und neue Kugellager sind in der Planung.

Gruß
Searcher

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Ich hab mal Deine Unterlagen genommen (leider etwas dürftig kommentiert - dafür brät sie Google&Co gleich ohne Rückfrage auf meinen Rechner :-/ )

Ich versuch mich zu bessern. Daß die Dateien direkt auf Deinem Rechner gelandet sind, liegt vermutlich an der Browser Einstellung. Ich hab in meinem Firefox einen Haken bei "Always ask you where to save files" gemacht. Bei Dateien, die Firefox sonst nicht kennt, fragt er dann, wo sie gespeichert werden sollen.

und hab mir daraus auf die Schnelle ne Auswertung gemacht. Sieht eher nach dem zu erwartenden Weg-Zeit-Diagramm aus, das schon beim Hinsehen auf eine gleichmässig steigende Geschwindigkeit deutet (Wertekurve und Trendfunktion sind praktisch deckungsgleich). Ein merkbares Ansteigen der Beschleunigung lese ich daraus nicht heraus - woher sollte das denn kommen (evtl. abnehmende innere Reibung).

So langsam komme ich meinem Irrtum bei der Betrachtung meiner Diagramme auf die Spur. Zur Berechnung der Beschleunigung habe ich immer den Weg vom Beginn der Bewegung bis zum jeweiligen Wegpunkt und die bis dahin verronnene Zeit genommen. Die so berechnete Beschleunigung in das Diagramm eingetragen. Das führt dazu, das der Graph nur bei Beschleunigungsänderungen eine Steigung anders als Null bekommt. Wird der Graph waagerecht, bedeutet das ein gleichbleibende Geschwindigkeit zum vorherigen Wegpunkt. Versuchsweise habe ich EXCEL einen Graph zeichnen lassen, der die Differenz der Beschleunigung zwischen zwei Wegpunkten aus meiner Datei (der .csv) wiedergibt. Zu Beginn gibt es eine starke Beschleunigung, die so nach 50ms, 100ms stark abflacht und gegen 0 geht. Also tatsächlich keine Geschwindigkeitserhöhung (keine Beschleunigung) mehr aufweist. Die direkte Auswertung Delta s / Delta t brachte einen ziemlich unansehnlichen Graphen. Keine Ahnung wie man das sauber hinbekommt.

Die Beschleunigung bis zu dieser sich einstellenden Geschwindigkeit versuche ich weiter als Grundlage für die Trägheitsmoment Berechnung zu nehmen. Leider ist die falsche Darstellung der Beschleunigung im Graphen mit der Aufnahme der Samples alle 0,5ms dazwischen gekommen. Allerdings hat die ja sehr interessante Erkentnisse bezüglich des "Wellenantriebes" gebracht.

Aber egal, ich finde diesen Weg zum Erfassen des Beschleunignsverlaufs ja leider sowieso nicht zielführend.

Ob die Apparatur/Methode später tatsächlich zum Messen des Beschleunigungsverlaufs bzw Aufnehmen der Sprungantwort eines kleinen Vehikels taugt, versuche ich noch rauszufinden. Die bisherigen Versuche zeigen, daß da sicherlich mit großen Meßtoleranzen zu rechnen ist.

Mittlerweile bin ich so in der Bestimmung des Trägheitsmoments der Apparatur und der Vergleichbarkeit zur Trägheit einer bewegten Masse wie weiter vorne beschrieben, daß ich die Sprungantwort schon fast vergessen hatte.

PS: bei meinen Beschleunigungsmessungen (weiter oben beschrieben) läuft das Wesentliche innerhalb von 30 ms ab. Da sollte Dein Erfassungstakt passen. Und die Motorzeitkonstante ist um die 10ms.

Ich schätze meine Motore viel schwächer ein als die Servomotore und denke da an mindestens 100ms gesamten Erfassungszeitraum. Den Takt von 0,5ms werd ich wohl beibehalten - je mehr Daten, desto besser!?

Gruß
Searcher

PS Gerade sehe ich, daß Du schon wieder geantwortet hast. Muß ich mir wieder in Ruhe ansehen. ....

[oberallgeier]

.. Versuchsweise habe ich EXCEL einen Graph zeichnen lassen ..

Macht Sinn