Solenoid Steuerung

[Felix Mühlhausen]

Hallo Community,

Ich arbeite in der Schule mit einer AG an einem Fußball-Roboter für den Robocup Junior.
Uns stellt sich momentan die Frage über die ansteuerung des Schuss-Meschanismus, welcher aus zwei Hubmangneten(http://www.roboter-teile.de/Oxid/Mechanik-Servos/Solenoids/Solenoid-ZMF2551d-001-3VDC.html) und einer Platte besteht, welche die beiden Hubmagnete verbindet.

Wir möchten diese Hubmagnete über zwei große Kondensatoren versorgen, welche über einen LiPo geladen werden sollen.
Zwischen Kondensator und Hubmagnet soll ein Relai.
Der Hubmagnet wird im Spiel alle paar sekunden für maximal 0,5 Sekunden anziehen.

Da ich recht wenig Ahnung von solchen Dingen habe ist die Frage was für Kondensatoren, welche Relais und was für ein widerstand zwischen akku und Kondensator? Und brauch man für das Relai ein Funkenlöschglied?

Vielen Dank im vorraus
Felix

[Besserwessi]

Für das Relais, also die Steuerspule des Magents braucht man eine Freilaufdiode zur Funkenlöschung. Für den Hubmagenten sollte man auch eine Funkenlöschung vorsehen, z.B. per Diode zurück in den Kondensator speisen, also Quasi als Freilaufdiode. Es muss aber nicht unbedingt sein, verlängert aber die Lebensdauer des Relais und reduziert Störungen.

Es hängt vom Akkus ab, ob man da überhaupt einen extra Kondensator braucht. Für 0,5 s müsste der Kondensator als Energiespeicher schon sehr groß und unhandlich sein. Für den Magneten könnte man kurzzeitig eine Spannung bis etwa 10-20 V gebrauchen.

[skg-rob]

Hallo Felix,
Wie habt ihr es den bisher gemacht? (Du bist vom Team Tactic, oder?) Der Schuß war doch eigentlich nicht schlecht!

mfg skg-rob

[Felix Mühlhausen]

erstmal vielen Dank für die Antworten, aber was mir noch unklar ist:

1) brauche ich nicht eine Widerstand zwischen Akku und Kondensator, um den Innewiderstand des Akkus zu erhöhen, denn LiPos haben ja einen sehr geringen Innenwiderstand. Nehmen die Akkus keinen Schaden wenn zu viel Strom fliest?

2) Wie groß sollte der Kondensator sein? er muss keine vollen 0,5s zusätzliche power liefern es soll ja nur ein Ball geschossen werden, der ist nach einem Bruchteil einer Sekunde sowieso weg. Er soll nur am Anfang zusatzpower liefern.

Das ganze soll mit einem 3s LiPo Betrieben werden, also ca. 12v

Gruß
Felix

PS: bin vom team KABOTZ aus kassel. Wir sind bisher mit LEGO-Basierenden Modellen angetreten, sind jetzt aber auf dem besten Weg des umstiegs ;)

[skg-rob]

Hallo Felix,

Dann haben wir in Magdeburg ja gegeneinander gepielt ;) Bin vom Dream Team.
Viel Erfolg beim Umstieg!

Mit freundlichen Grüßen
skg-rob

[Besserwessi]

Bei den Aktuatoren ist nicht klar wie lange man da die Spannung wirklich anlegen muss, und wie groß die Induktivität bzw. Induktionsspannung beim Ausfahren ist. Ohne die Daten ist die Auslegung des Kondensators eher schwierig. Vermutlich wird man da schon etwas experimentieren müssen.
Bei 12 V wird man hier bis etwa 10 A brauchen. Je nach benötigter kraft kommt man auch mit weniger Strom/Spannung aus.

Je nach Akkutyp können die Akkus schon einen relativ hohen Strom liefern. Das wird meist im Datenblatt angegeben, als z.B. 5*C oder 10*C. Für die ganz kurzen Zeiten hier (eher wohl 0,1 s als 0,5 s) könnte das ggf. sogar noch etwas mehr sein - das weiss ich aber nicht.

Um den Aktuator für 0,1 s mit 10 A zu versorgen bräuchte man schon 1 As, oder einen Kondensator von 0,2 F den man um 5 V entlädt. Das wäre schon eine riesige Größe, und wohl nur als Super Kondensator zu bekommen. Da könnte man besser einen Akku nehmen die den Strom direkt liefern kann. Für den Modellbau gibt es passende Akkus die viel Leistung liefern können.

Wenn man für den Aktuator weniger Strom braucht, wäre auch noch zu überlegen den Aktuator nicht mit einem Relais zu schalten, sondern über einen MOSFET und PWM. Das ganze wirkt dann fast wie ein Schaltnetzteil und um den Aktuator mit z.B. 5 A (bei etwa 5-6 V) zu versorgen müsste der Akku nur etwa 3 A bei 12 V liefern. Den Elko den man da als Puffer braucht, muss nur noch für 1 PWM Periode (z.B. 0,1 ms) ausgelegt sein und könnte viel kleiner sein.

[Chypsylon]

Wie Besserwissi schon geschrieben hat braucht man bei niedrigen Spannungen sehr große Kondensatoren, die "ewig" zum Laden benötigen, viel Platz benötigen usw.
Die meisten Teams laden deswegen einen Kondensator mit einer "relativ" hohen Spannung (bis zu 400V ^^ ), da die gespeicherte Energie ja quadratisch mit der Spannung steigt

[Richard]

Wie Besserwissi schon geschrieben hat braucht man bei niedrigen Spannungen sehr große Kondensatoren, die "ewig" zum Laden benötigen, viel Platz benötigen usw.
Die meisten Teams laden deswegen einen Kondensator mit einer "relativ" hohen Spannung (bis zu 400V ^^ ), da die gespeicherte Energie ja quadratisch mit der Spannung steigt

Als Relais währe ein Solid State Typ http://de.wikipedia.org/wiki/Relais besser, die können mit wenig Leistung gesteuert werden und haben keine Kontakte die abfackeln können.

Gruß Richard

[Felix Mühlhausen]

Erstmal vielen Dank für die zahlreichen Antworten

Die Idee mit der höheren Spannung klingt sehr schlau, aber wie bekomme ich die aus einem 12v Akku??
Gibt es dafür fertige Bauteile oder muss man sowas selber bauen?

Gruß
Felix

[skg-rob]

Da hilft nur selber bauen und auf die Sicherheit achten, so ein Schlag ist nicht gerade angenehm...

[Richard]

Erstmal vielen Dank für die zahlreichen Antworten

Die Idee mit der höheren Spannung klingt sehr schlau, aber wie bekomme ich die aus einem 12v Akku??
Gibt es dafür fertige Bauteile oder muss man sowas selber bauen?

Gruß
Felix

http://de.wikipedia.org/wiki/Aufw%C3%A4rtswandler solche step up Regler kann man auch fertig kaufen, am bekanntesten sind 12VDC zu 230VAC im Wohnmobil Bereich. Oder um im Auto einen Laptop zu betreiben, aber es gibt sie in allen möglichen Bereichen.

Gruß Richard

[Besserwessi]

Die Verlinkte Spule ist für 3 V Nennspannung und wohl noch für kurzzeitig 12 V geeignet. Viel mehr als 12 V braucht man also nicht unbedingt. Auch bei 12 V braucht man hier kaum mehr als 10 A an Strom, und das auch nur für eine kurze Zeit von wohl unter 1 s. Ich würde erst klären ob das nicht die Akkus liefern können, und ggf. einfach etwas stärkere Akkus zu nehmen als den Aufwand für 2 DCDC Wandler und eine großen Speicherelko. Einen Wandler könnte man sich ggf. Sparen, wenn man die Spule für 24 V Nennspannung wählt und dann einen Elko auf vielleicht 150-200 V lädt. So viel besser wird das Verhältnis aus gespeicherter Energie zu Masse auch nicht - dass es sich unbedingt lohnt mit der Spannung hoch zu gehen. Wenn man bei vielleicht 15-20 V für den Elko bleibt, könnte man den Strom aus dem Akku dazu nutzen. Bei der niedrigen Spannung wären ggf. auch Supercaps eine Möglichkeit - man braucht da aber Typen für einen hohen Strom, nicht die als Puffer für lange Zeit.

Erstmal sollte man auch probieren wie viel Kraft (bzw. Energie) man wirklich braucht und dann nach eine Quelle dafür suchen. Dafür wäre der 3 V Aktuator und ein kräftige 12 V Quelle schon gut.

[Felix Mühlhausen]

Also ich hab mal nachgesehen die geplanten Akkus können kurzzeitig 66A liefern.

Ich denke das sollte ausreichend sein oder??

Lohnt sich der Aufwand mit einem DCDC-Wandler und Kondensatoren überhaupt oder lieber das nehmen, was der Akku liefert?

Gruß
Felix

[Richard]

Also ich hab mal nachgesehen die geplanten Akkus können kurzzeitig 66A liefern.

Ich denke das sollte ausreichend sein oder??

Lohnt sich der Aufwand mit einem DCDC-Wandler und Kondensatoren überhaupt oder lieber das nehmen, was der Akku liefert?

Gruß
FelixSolange die Spule das überlebt sollte es reichen. OT.: Ist schon jemend auf die Idee gekommen eine Druckluft Pistole zu zerlegen? Die arbeiten ja mit recht kleinen Kohlensäure Patronen und sollten einen kleinen Kolben ( anstatt Lauf ) ziemlich heftig vor treiben. Am Ende muss natürlich für Entspannung / Druckabbau gesorgt werden. Rein Theoretisch sollte das eine prima Abschuss Vorrichtung geben, falls das nicht zu laut wird....

Gruß Richard

[Besserwessi]

Nach dem Datenblatt sollte die Spule bei 12 V etwa 10-12 A brauchen. Wenn die damit mögliche Kraft reicht, hat man überhaupt kein echtes Problem, weil man den Strom direkt aus dem Akku nehmen kann. Darüber wäre ggf. über eine etwas höhere Akkuspannung (ggf. auch weniger Kapazität) oder einen DCDC-wandler nachzudenken. Bevor man weiter über die Stromquelle nachdenkt sollte man erst testen wie viel man braucht. Irgendwo hat den Aktuator auch seine Grenzen für die kurzzeitige Belastbarkeit. Eine Verdopplung des Stromes braucht etwa die 4 fache Energie liefert aber eher weniger als die doppelte Kraft.

[Chypsylon]

Wir verwenden den gleichen Solenoiden und haben ihn letztes Jahr direkt mit Akkuspannung von einem 11,1V LiPo mit 30C betrieben. Ausgelöst wird das ganze durch ein Relais. Früher haben wir Mosfets verwendet allerdings geht da relativ viel Energie verloren...
Der Schuss liegt so im Vergleich mit anderen Teams im Mittelfeld, aber vor allem gegen sehr schnelle Teams ist ein harter Schuss erforderlich da die sonst die meisten Bälle einfach abfangen :/

Einen Kondensator mit einer höheren Spannung zu Laden ist allerdings erst ab ca. 100V effektiv, vorher wird der C einfach zu groß. Als Richtwert für die benötigte Energie könnt ihr so mit 15-30J rechen. Anregungen kannst du dir da im Coilgunbereich holen, die ja vom Prinzip sehr ähnlich funktionieren, da gibts eh sehr viele Seiten dazu....
Nicht unterschätzen solltet ihr allerdings die Gefahr von so einem geladenen Kondensator. Wenn jemand die Ladung "abbekommt" kann das tödlich sein, also baut unbedingt eine Schaltung ein die den C sobald der Roboter ausgeschaltet ist entlädt ein und verhindert das irgendwelche Leiterbahnen/Kabel berührbar sind.

Der Solenoid hält das übrigens normalerweise aus, die Einschaltdauer ja nur sehr kurz ist.


Ist schon jemend auf die Idee gekommen eine Druckluft Pistole zu zerlegen? Die arbeiten ja mit recht kleinen Kohlensäure Patronen und sollten einen kleinen Kolben ( anstatt Lauf ) ziemlich heftig vor treiben. Am Ende muss natürlich für Entspannung / Druckabbau gesorgt werden. Rein Theoretisch sollte das eine prima Abschuss Vorrichtung geben, falls das nicht zu laut wird....


Viele asiatische Teams verwenden einen Druckluft-Schuss, allerdings ist hier eben der mechanische Aspekt um einiges komplizierter und die Druckbehälter benötigen einges an Platz außerdem muss man einen Kompressor mitschleppen (auf Flugreisen nicht so ideal xD )...
Andere Gaspatronen werden im Juniorbereich eigentlich eher nicht eingesetzt da das auf Dauer einfach zu teurer wird, aber in der Middlesize-Liga der Unis sind die auch Gang und gäbe

[Felix Mühlhausen]

Vielen Dank erstmal:)

@Chypsylon: habt ihr den Solenoid ohne Vorwiderstand oder ähnliches direkt an der LiPo geschaltet?
Hat der LiPo das auf Dauer Überlebt?

Weil ich denke das wir das dann vorerst so machen werden, da wir zwei Solenoids verwenden dürfte die Schusskraft dann ausreichend sein :D .

Gruß
Felix

[mausi_mick]

Hallo,

würde wie besserwissi auch einen Mosfet anstelle des Relais nehmen, einen mit hoher Strombelastbarkeit und niedrigem Innenwiderstand (wenige milliOhm), aber schnelle und belastbare Diode parallel zur Spule verwenden . Beim Lipo einen mit hohem Entladestrom (30C oder mehr), einen Elko (<= 5000µF?) mit kleinem Ri (z.B. aus Schaltnetzteil) in der Nähe und dicke/kurze Kupferbahnen/Drähte. Beim (Nach-)Laden von Lipos die Schlussspannung (meist 4,2V pro Zelle) und den max. Ladestrom einhalten.
Ob man einen Vorwiderstand verwenden muss, hängt wohl von der Strombelastbarkeit des Akkus und dem ohmschen Widerstand der Spule ab.
Der scheint wohl bei etwa 0,9 Ohm zu liegen (3V 10W 100% ED, d.h. 3,3 A ->> 0,9 Ohm), sollte man aber mal nachmessen. Danach liegt der maximale Strom bei 3 LipoZellen bei ca 14 A.
Da liegt dann die Leistung aber bereits bei über 150W , was bereits ausserhalb der Spezifikation ist (100W), aber die ED liegt ja auch nicht bei 10%, sondern eher im Promillbereich (0,8?).

Wieweit man die Spule strommässig darüberhinaus belasten darf, weiss ich nicht, ich sehe aber eine wesentliche Spannungserhöhung über die 11-14V auch aus diesem Grund etwas kritisch.


PS: bei Elektor hatten sie mal eine Bauanleitung für ein Schweissgerät mit Kondensatorblöcken (40000µF, 30V ?), die beim Schweissen per FET und ATTiny kurzzeitig kurzgeschlosssen wurden ...

Gruss mausi_mick

[skg-rob]

Hi,

Eine starke Spannungserhöhung tut meistens nicht viel zur Sache. 22V auf einem 3V Modell sowie 230V und 400V auf einem 12V Modell laufen alle Reibungslos, da die Einschaltdauer meistens nicht höher liegt als 100miliSekunden. Das einzige was dagegen spricht, ist dass der Solenoid sich nicht unerheblich erwärmt.

MfG skg-rob

[Chypsylon]

Vielen Dank erstmal:)

@Chypsylon: habt ihr den Solenoid ohne Vorwiderstand oder ähnliches direkt an der LiPo geschaltet?
Hat der LiPo das auf Dauer Überlebt?

Weil ich denke das wir das dann vorerst so machen werden, da wir zwei Solenoids verwenden dürfte die Schusskraft dann ausreichend sein :D .

Gruß
Felix

Er hängt direkt ohne widerstand am LiPo, bis jetzt haben die das auch alle brav mitgemacht. Du musst halt beachten das er nie zu lange eingeschalten ist (wir haben 100ms wobei da die ein und ausschaltzeit des relais schon inbegriffen ist).

Wenn du unbedingt MOSFET verwenden willlst, solltest du mehrere parallel schalten um den Widerstand zu minimieren...

@mausi_mick: Die ED ist so gering das er das locker aushält...

@skg-rob: Schiesst ihr direkt mit Akkuspannung oder lädt ihr einen Kondensator mit einer "höheren" Spannung?

[Besserwessi]

So kritisch ist das mit der Größe der MOSFETs nicht. 14 A sind auch noch nicht so viel Strom. Schon ein eher kleiner Typ wie IRLZ44 könnte reichen. An den rund 30 mOhm des FETs gehen nur 0,42 V verloren - das kann man gegen die 12-16 V des Akkus schon fast vernachlässigen.

Man sollte ein bisschen darauf achten das die Zuleitungskabel keine zu große Schleife bilden, damit man vor allem beim Abschalten keine zu starken Störungen induziert. Den Elko an der Elektronik sehe ich auch mehr dazu um die Störungen beim Abschalten zu reduzieren, als den Akku zu entlasten.