Auf der Suche nach der passenden Lösung

[Hellmut]

Hallo Freunde

Ich baue meinen hier im Forum als schwimmenden Roboter präsentierten Modellsegler. Ich wende mich an Euch mit folgender Frage, Bitte:

Ich möchte mit möglichst kleinen Abmessungen eine Lösung haben die Stage eines Seglers zu spannen. Was bedeutet das konkret? Ich möchte mit möglichst kleinen Abmessungen Seile straffen und benötige dazu ein großes Drehmoment, der Zug kann schon bis zu 50kg betragen. Das Spannen darf langsam erfolgen, es muss selbsthaltend sein und ich möchte über den Strom jederzeit eine Bezug zum Drehmoment haben. Schliesslich muss das Vor- und das Achterstag gleichmäßig gespannt werden, damit ich nicht den Mast abbreche. Ich werde es darüber hinaus nutzen während der Fahrt die Mastbiegung als Teil der Trimmung verändern zu können. Für laien, an Modellsegelbooten wird über Spannschrauben die Spannung dieser Stage passend gemacht. Ich möchte das elektronisch machen, was unter anderem auch den Effekt hat die Segel schnell im Boot in Betrieb nehmen zu können. Bisher habe ich an den Einsatz eines kleinen Schrittmotors mit Schneckengetriebe gedacht. Das Schneckengetriebe bitet durch seine starke Untersetzung sowohl ein großes Drehmoment, wie auch die Selbsthaltung.

[ranke]

es muss selbsthaltend sein und ich möchte über den Strom jederzeit eine Bezug zum Drehmoment haben

Diese Forderungen sind widersprechend. Selbsthaltend bedeutet ja gerade, dass der Strom Null werden kann, das Moment als Haltemoment aber immer noch aufgebracht wird. Von der Verwendung eines Schrittmotors für die Anwendung würde ich auch abraten. Schrittmotoren sind auf genaue Positionieraufgaben ausgelegt, nicht für ein gleichmäßiges Drehmoment. Du bräuchtest auch eine Rückmeldung, ob sich der Schrittmotor bei dem vorgegebenen Strom gedreht hat oder nicht - selbst wenn man die Rückmeldung einbaut sind die Reibungsverhältnisse in einem selbsthemmenden Getriebe so unsicher, dass man nur ungefähr vom Strom auf die Zugkraft im Seil schätzen kann.
Ich würde eher vorschlagen: Bürstenmotor mit zusätzlichem (Zahnrad-)Getriebe, letzte Getriebestufe eine selbsthemmende Schnecke oder Schraube mit Mutter. Das Moment sollte man anders messen (z.B. Verformung eines Aufhängeelements o.ä.).

[Hellmut]

Hallo ranke

Ich setze bei dem Segler 2 3Nm Schrittmotoren ein. Auf der Antriebswelle montiere ich eine Trommel, auf der 2. Welle auf der Ruckseite des Motors montiere ich eine Schnecke auf diese Schnecke setze ich einen Ritzel der auf einer Welle sitzt die eine Elektrobremse montiert hat.

Nun verbraucht ein Schrittmotor den meisten Strom im Stillstand, der praktisch als Windenersatz verwendete Schrittmotor wird im Betrieb die meiste Zeit nicht drehen. Mein Konzept ist es, wann immer der Motor nicht dreht, die 4V Spannung von der Bremse entfernen, die bremst dann, da das Schneckengetriebe eine massive Untersetzung an wird die effektive Bremsleistung der Bremse erhöht. Erhält der Controller über den Servo-Ausgang vom Empfänger ein Kommando der zu einer Änderung der Position führt, so wird der Schrittmotor wieder mit Strom versorgt, dann die 4V an die Bremse angelegt und die Bremse löst. Hat er die neue Stellung erreicht, so findet alles in umgekehrter Richtung statt! Da die Welle auf der die Bremse sitzt bei gelöster Bremse keine Last darstellt, kann der Schrittmotor seine Funktion erfüllen.

Als Controlle für den Schrittmotor werde ich den TMC262 coolstep von Trinamic verwenden. Der besitzt schon Vorrichtungen um Schrittverluste zu vermeiden, bzw. sie zu erkennen. Am Schrittmotor bringe ich aber trotzdem auf der seite der Schnecke eine Enkoderscheibe an mit einem Quadraturencoder von TI, den ich aus einem alten Dunkermotor gewonnen habe. Hier stehen noch experimente an bis zu wie feinen Markierungen er einen Schritt noch erkennt.

Es kommt also bei meiner Anwendung des Schrittmotors als Winde genau auf die Eigenschaft des Schrittmotors an, eine bekannte Position anzunehmen und wiederholbar anfahren zu können.

Du hast aber recht, für das Spannen der Stage und Wanten könnte ein normaler DC Motor doch viel geeigneter sein.

[ranke]

Gut, die geplante Anordnung verstehe ich jetzt besser.
Ich möchte nochmal kurz erklären, wo ich Probleme mit der Momentmessung über die Bestromung eines Schrittmotors sehe:
Das Haltemoment des Schrittmotors ist proportional zum Strom. Schickt man mehr Strom durch die Spulen als notwendig dann passiert nichts außergewöhnliches (Motor funktioniert), schickt man aber zuwenig Strom durch, dann verliert die Steuerung den Motor. Für jede Messung des Haltemoments über die Bestromung müsste man also bis zum "Abrisspunkt" gehen und den Läufer danach wieder "einfangen". Selbst wenn das Einfangen machbar ist (Stellungsregler mit Enkoder) dann ist das wahrscheinlich selten sinnvoll.
Theoretisch könnte man schon versuchen durch eine hochpräzise Winkelmessung die Abweichung der Soll- von der Ist-Stellung des Läufers festzustellen und dadurch schon vor dem Abriss mit Stromerhöhung zu reagieren. Ich wüsste aber nicht, dass so etwas Stand der Technik wäre.

[Hessibaby]

Warum regelst Du die Seilspannung nicht über die Auswertung von Dehnungsmessstreifen welche am Mast befestigt sind. Damit könntest Du dann auch Starkwindböen abfangen.

[Hellmut]

Hallo Freunde

Ich hatte schon immer etwas Bauchschmerzen vordem "Messen der Drehmomente" bei Schrittmotoren. Da ranke und Hessibbaby konkrete Aussagen gemacht haben werde ich mich dazu äußern!

Zu Hessibaby: Das Arbeiten mit Dehnmessstreifen hatte ich vor langer Zeit mal geprüft und es ist gescheitert, da ich nirgends kostengünstig an solche Dehnessstreifen kommen konnte. Da meine bisherigen Recherchen zu keiner für mich gangbaren und bezahlbaren Lösung geführt haben, habe ich dieses zurückgesteckt. Allerdings habe ich bisher noch keine Notwendigkeit erkennen können über die Wanten oder Stage Windböen zu begegnen! In der Praxis dürfte ein hinreichend schneller und geeignetes Reagieren auf Böen meiner Meinung nach nicht zu realisieren zu sein.

zu ranke: Ich muss bei dem Thema zwischen verschiedenen Funktionen in meinem Modellsegelboot unterscheiden:
1. Schrittmotor als Winde: Der Regelkreis für die Steuerung des Schrittmotors als Winde besteht aus Kreisen. Der erste Regelkreis hat die Aufgabe die Kommandos des Benutzers am Sender über die Auswertung der Impulslängen am Empfänger zu erfassen. Darüber wird entschieden wie viel Schot der Schrittmotor zur Verfügung stellen darf, damit der Ausschlag des Segels begrenzt wird. Dafür lege ich Tabellen im Flash des Controllers an, welche bestimmen welche „Position“ in „Schritten“ des Schrittmotors, bezogen auf den „Mittendurchgang“ des Baumes des Segels der Schrittmotor maximal fahren darf. 2 Faktoren beeinflussen die aktuelle Schotlänge und werden in der Tabelle als Schrittpositionen festgehalten.
a. Die Segel, Vorsegel und Hauptsegel haben einen Traveller, je nach Stellung des Travellers muss die Schrittposition in der Tabelle korrigiert werden. Zur Erklärung, je nachdem ob der Holepunkt am Traveller mittig oder nicht mittig steht verändert sich die Schotlänge und gilt daher eine andere Schrittposition. Wie genau es ist wird die Praxis zeigen!
b. Die tatsächliche Position des Baumes eines Segels. In meinem Segler wird die „Drehachse“ des Baumes als Welle unter Deckgeführt und bekommt eine selbstgemachte Encoderscheibe mit, sollte der vorhandene optische Sensor von TI es können, werden auf dem Umfang 720 Markierungen angebracht, also jedes ½ Grad! Auf der Rückseite der Encoderscheibe wird es eine Marke geben, die durch einen 2. optischen Sensor ausgewertet, immer wieder bei Durchgang des Baumes durch die Mittelstellung das „System kalibrieren wird. Da so die Elektronik auf +-1/2 Grad die aktuelle Stellung des Baumes eines Segels „kennt“, wird der Schrittmotor nur so viel Schot bereitstellen, wie für die aktuelle Position erforderlich, so soll „Schot-Wuhling“ vermieden werden. Der Schrittmotor wird aber „erlauben“, dass das Segel weiter aufgeht, bis die durch die Auswertung der Impulslängen vom Empfänger entsprechende „Position“ erreicht wurde und erst dann wird die Bewegung des Segels durch die Schot begrenzt. Bleibt die Stellung stehen, so wird die Bremse am Schrittmotor von der Spannung befreit und es bremst, der Motor kann dann stromlos gemacht werden. Ändert durch den Wind der Baum des Segels seinen Winkel, oder ändert der Benutzer am Sender die Knüppelstellung, oder verändert der Benutzer die Traveller-Stellung, so wird die Spannung sowohl am Motor, wie auch an der Bremse wieder angelegt, in der Reihenfolge und die Winde nimmt wieder ihre Aufgabe war. Wie man erkennen kann, da keine Erfahrungswerte vorliegen, wird erst die Praxis die Parameter dieser Steuerung festlegen und wird erst die Praxis den Leistungshunger des Schrittmotors ergeben. Um auf der sicheren Seite zu sein habe ich mit 12 Zellen a 16Ah für reichlich vorhandene Akku-Kapazität gesorgt!

2. Für das Spannen der Stage und eventuell auch der Wanten, habe ich nach Inputs und reiflicher Überlegung mich für den Einsatz von DC-Motoren mit selbsthaltenden Schneckengetrieben entschieden. Wie hier von ranke korrekt gesagt, sind Bürstenmotoren hier die passendere Lösung. Ob und was alles ich so steuern werde wird auch maßgeblich vom Platz, Gewicht und Schwerpunkt des Seglers abhängen. Das wichtigste ist es ja den Schwerpunkt so niedrig wie irgend möglich zu haben, damit das Aufrichtmoment, bei einem Langkieler eh besonders kritisch hinreichend groß ist.

Gedacht ist einerseits die „nice-to-have“ Funktion beim „auf riggen“ des Seglers das Spannen der Stage und Wanten automatisch erfolgen zu lassen. Das beschleunigt den Vorgang und sorgt für eine immer gleiche und wiederholbare Spannung, vorausgesetzt die Regelung des Drehmomentes über den Strom lässt sich präzise genug realisieren!

Die Motoren sollen Winsche auf Deck drehen, an welchen ich die Schote beim Zusammenbau befestige.

Zusammenfassung:

Die 2 3Nm-Schrittmotoren werden über die genannten Verfahren durch die Elektronik geregelt. Gedacht ist im Laufe der Realisierung die Möglichkeit und Notwendigkeit eines Endlagenschutzschalters zu prüfen, damit eine Beschädigung vermieden wird. Als Winden wird die Drehmoment-Erfassung über den Strom also nicht erforderlich sein. Bleibt die Drehmomenterfassung bei den Bürstenmotoren. Die Stage und eventuell eben auch die Wanten benötigen einen doch sehr beträchtlichen Zug, was bedeutet ein sehr großes Drehmoment der Bürstenmotoren, bzw. erreicht über die Untersetzung durch das Schneckengetriebe. Das Drehmoment als Kriterium für das „Spannen“ der Stage wird nur beim einmaligen Spannen benötigt, damit Vor- und Achterstag symmetrisch gespannt werden, der Mast wird sonst verbogen oder abgebrochen. Der andere Anwendungsfall des Trimms des Hauptsegels durch das Nachspannen oder Lösen der Spannung am Achterstag könnte über einen Drehencoder als Verstellung von der Ist-Position als Referenz realisiert werden. Man sieht, dass hier jede Menge Praxiserfahrung, für das Erlernen der Problematik zu interessanten Studien führen wird!

[ranke]

Hellmut, ich fürchte, jetzt kann ich erstmal nicht mehr mitreden. Schoten kaufte ich bisher beim Gemüsehändler, Bäume stehen im Wald (ich auch), "traveller" und "stage" kenne ich als englische Wörter, aber da scheint es noch andere Bedeutungen zu geben. Kurz: ich habe vom Segeln überhaupt keine Ahnung und von Deinem oben mühsam verfassten Text nichts kapiert.

Leider ist Deine private Projektseite zur Zeit offline, von dort hätte ich mir etwas Input erhofft.

Noch etwas: einen Bürstenmotor mit selbsthemmender Schnecke zur Drehmomentmessung zu verwenden ist auch ziemlich wagemutig, das Getriebe hat viel Reibung (sonst wäre es nicht selbsthemmend) und Reibung ist immer mit großen Unsicherheiten behaftet. Lieber die Aufhängung der ganzen Winde irgendwo ein wenig elastisch machen (kein Gummi sondern Metall) und dort die Verformung messen. Das ist zuverlässig und funktioniert in allen Betriebszuständen. Dann kann man es durchaus auch mit einem Schrittmotor machen (wenn man dafür Gründe hat).