EQ-Plattform, wie antreiben?

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Hallo Andreas und andere Freunde stabiler Drehzahlen,

hier mal ein Vorschlag für eine Bauteileliste zum obigen DC-Motorregler:

R1=330R(3V) ... 680R(5V): Photodiodenstrom sollte ca.5mA betragen
R2=47k (10k...1M; hängt von der Lichtschranke ab: ausprobieren!)
R3=47k
R4=10k (hängt von P1 und gewünschtem Drehzahlbereich ab)
R5=100k
R6=47k
R7=47k
R8=100k
R9=22k
P1=100k

C1=1nF
C2=ca.100nF *) siehe Überschlags-Formel unten
C3=1uF
C4=1uF
C5=1nF
C6=ca.10uF
C7=ca.10uF

*) C2 = 1/(2*R4+P1)*n*s)
n = gewünschte Motordrehzahl (U/sec) bei Poti-Mittelstellung,
s = Anzahl Segmente der Chopperscheibe
Am besten Folientyp mit kleinem Temperaturkoeffizienten

T1=BS170 o.ä, alternativ irgendein bipolarer npn-Typ mit 47k Basisvorwiderstand (BC547, BC337, o.ä)
T2=BUZ71, IRF520 o.ä, notfalls auch ein bipolarer npn-Typ mit 100R Basisvorwiderstand (BD135 o.ä)
D1=vorzugsweise Schottky-Diode (SB130 o.ä), bei kleineren Motoren reicht auch eine simple 1N4148
Lichtschranke: im Motor integriert, oder externer Gabel- oder Reflexkoppler.
Chopperscheibe direkt auf der Motorachse. Koppler + Scheibe möglichst lichtdicht montiert!

ICs:
HC40106: Hex inverting Schmitt trigger
LM358: Operationsverstärker
78L03: Spannungsregler, alternativ ein Widerstand von U.batt nach U.3V (ca.50R...100R)

Bei Betrieb mit 3V-Regler Vcc des LM358 am besten direkt an U.batt legen und 47k zwischen Ausgang LM358 und Eingang des nachfolgenden Schmitttriggers.


Zu deiner Frage: Warum zieht ein Schrittmotor deutlich mehr Strom <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/gutefrage.gif" alt="" />?
Ein geregelter DC-Motor zieht gerade so viel Leistung, dass die Solldrehzahl stimmt - gerade das macht ja die Regelung. Dummerweise muss die Regelung aber über den momentanen Zustand bescheid wissen, deshalb der zusätzliche Aufwand mit separatem Chopper oder EMK-Messschaltung oder sonstigen Umständlichkeiten.
Ein Schrittmotor braucht diese Rückkopplung von Haus aus nicht, da er Schritte zählen kann, aber das Drehmoment (damit der Spulenstrom) muss immer deutlich höher sein als der worst case an möglicher Belastung, und zwar auch beim Stillstand! Sonst 'rutscht' er durch und die Position stimmt nicht mehr. Und er merkt's nicht mal, weil halt die Rückkopplung fehlt <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/shocked.gif" alt="" />
Der Stromverbrauch kann beim Schrittmotor leicht >10 mal höher sein als beim DC-Motor - selbst mit Monstergetriebe.
Man könnte auch Schrittmotor und Chopper kombinieren, dann hätte man beide Nachteile vereint <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/confused.gif" alt="" />

Um der verwirrenden Möglichkeiten noch eine draufzusetzen: ich träume immer noch von einem Piezo-Wanderwellen-Motor (ist vielleicht auch unter anderen Namen bekannt): klein, niedrige Drehzahl, spielfrei, lautlos, präzise, sauteuer, Ansteuerung mit hochfrequenter Hochspannung und nirgends zu bekommen <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/frown.gif" alt="" />

Vielleicht wäre es doch einfacher, die Erddrehung stundenweise anzuhalten <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/cool.gif" alt="" />

Gruß
Karl-Heinz
 
Hallo Karl-Heinz,

jetzt muß ich nur noch einen entsprechenden Motor schießen, dann steht einer neuen Lötkolben-Aktion nichts mehr im Wege.

Mal schaun, ob ich noch eine Maus schlachte, oder ob ich einen Motor mit eingebautem Chopper finde.

Ich werde dann im Verlauf von Erfolgen oder Mißerfolgen an dieser Stelle berichten.

Vielen Dank nochmal und viele Grüße,
Andreas
 
Hallo Andreas,

etwas off topic, da nicht auf den Antrieb bezogen:
Will auch deinen Entwurf nicht schlechtmachen, hab nur schon etliche Plattformen gebaut, auch für andere Leute und bin zu folgenden Erkenntnissen gekommen:
- Eine Plattform mit festem Südlager ist stabiler, da der 'hintere' Teil durch das feste Lager gehalten wird.
Mit losem Südlager ist die ganze Angelegenheit etwas kippelig.
- Wenn die vorderen Lager schräg gestellt werden, ist die Herstellung des Kreissegmentes wesentlich einfacher. Du fräst einfach ein Kreissegment und fertig.
Allerdings brauchst du dann noch in axialer Richtung 'Stützlager'; das Stützlager am Südende fällt dagegen weg.
Nur als Anregung zu verstehen.

Link zur Grafik: http://www.teleskop-selbstbau.de//projekte/Plattform/Plattform_00.jpg

Link zur Grafik: http://www.teleskop-selbstbau.de//projekte/Plattform/Plattform_01.jpg

Link zur Grafik: http://www.teleskop-selbstbau.de//projekte/Plattform/Plattform_43.jpg

Gruß
Martin
 
Hi Martin,

eine schöne Plattform hast Du da gebaut.

Vielen Dank für deine Anregungen, es ist ja meine erste und da sind Designfehler natürlich nicht immer auszuschließen.

Eine Plattform mit festem Südlager ist stabiler, da der 'hintere' Teil durch das feste Lager gehalten wird.
Mit losem Südlager ist die ganze Angelegenheit etwas kippelig.
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Festes Südlager läßt sich aber mit meiner Schwerpunkthöhe nur mit eine Baulänge von ca.70cm vereinbaren, oder mit einem erhöhten Südlager, oder wenn ich in Kauf nehme, daß der Schwerpunkt des Teleskopes recht weit über der Drehachse der Plattform liegt. Obwohl das auch funktionieren soll, möchte ich dieses eigentlich vermeiden, zudem das ganze Projekt als Resteverwertung eines übrig gebliebenen Stückes Küchenarbeitsplatte (stabverleimte Buche, 27 mm dick) gedacht ist, und bei der Dicke des Materials wird mir das Ganze dann zu schwer.
Deine Plattform ist wahrscheinlich für einen Dobson mit relativ niedrigem Schwerpunkt gebaut, oder?

- Wenn die vorderen Lager schräg gestellt werden, ist die Herstellung des Kreissegmentes wesentlich einfacher. Du fräst einfach ein Kreissegment und fertig.
Allerdings brauchst du dann noch in axialer Richtung 'Stützlager'; das Stützlager am Südende fällt dagegen weg.
Nur als Anregung zu verstehen.
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Japp, das hab ich auch festgestellt, als ich es hergestellt habe. Aber wenns zu einfach ist, machts ja keinen Spaß <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/wink.gif" alt="" />. Zudem ist bei cloudy nights von Ed Jones eine schöne Methode zur Herstellung von Kreissegmenten mit konischer Lauffläche vorgestellt worden: making an equatorial platform

Im Ernst, zwei Gründe kann ich für die konische Lauffläche vorbringen:

zum Einen kann ich so den Antrieb inclusive Reibrad horizontal anbringen, was eine Anbringung des Motors unter dem beweglichen Teil bei immer noch flacher Bauform erlaubt.

zum Anderen ist die Krafteinleitung direkter und der Druck auf dem Reibrad größer im Vergleich zum Kreissegment mit 90 Grad Lauffläche (ein Kreissegment ist mein Nordsektor ja auch, im Vergleich zu z.B. Ulli Vedders EQP, der ein elliptisches Segment als Nordlager verwendet).

Ich hoffe, es klappt so, wie ich es mir vorstelle...

Vielen Dank und viele Grüße,
Andreas
 
Hallo Andreas,

ja, wenn du einen 'Reibradantrieb' einsetzt, dann sollte die Drehachse schon ungefähr durch den Schwerpunkt des Teleskops gehen. Mit zunehmender Erntfernung der Drehachse vom Schwerpunkt des Teleskops entsteht ein zunehmendes Drehmoment, da kann das Reibrad schon mal durchrutschen.
Mit der Zahnstange ist es allerdings kein Problem. Die Plattform trägt einen 12" GSO-Volltubus genau so sicher wie einen Gitterrohr mit niedrigem Schwerpunkt.
Wünsch dir viel Erfolg beim Bau!
Wirst sicher dann berichten..

Gruß
Martin
 
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Moin moin Martin,

Mit zunehmender Erntfernung der Drehachse vom Schwerpunkt des Teleskops entsteht ein zunehmendes Drehmoment, da kann das Reibrad schon mal durchrutschen.
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Ich hoffe, das durch einen auf das Reibrad aufgezogenen Silikonschlauch zu vermeiden. Die sind sehr gut kälteelastisch und haben eine hohe Haftreibung auf vielen Oberflächen. Bei meinem Encoder-Reibrad funktioniert das jedenfalls ganz gut.

Viele Grüße,
Andreas
 
Hallo nochmal Karl-Heinz,

ich hab da noch eine Frage zu deiner Lichtschranken-PWM-Schaltung:
Bis zu welcher Drehzahl kann man sinnvoll herunterregeln?

Ich habe jetzt eine Motor-Getriebe Kombination in Planung, bei der ich die Motordrehzahl auf ca 10% der Leerlaufdrehzahl bei 1/4 bzw. 1/2 der nominellen Betriebsspannung herunterregeln müßte. Geht das, oder ist das nicht mehr sinnvoll zu regeln? Dann müßte ich noch ein Vorgetriebe verwenden.

Viele Grüße,
Andreas
 
Hallo Andreas,

10% oder weniger Nenndrehzahl sollte nach meiner Erfahrung kein Problem sein. Das hängt aber auch vom Motor und dem was danach kommt ab. Schnelle Lastwechsel durch hakelige Kommutatoren oder Getriebe steckt eine elektronische Regelung nicht so gut weg wie ein schnell drehender Motor allein schon durch seinen hohen Drehimpuls.
Mit der vergleichbaren EMK-Regelung, die Lutz und Ekkehard gerade testen, hatte ich früher mal eine Mini-Metallkreissäge mit 0.1mm Sägeblatt (dünn wie ein Blatt normales Druckerpapier) in massivem Kupfer bei sehr mäßigen Drehzahlen angetrieben - bei höheren Drehzahlen hat es schlicht das Sägeblatt zerlegt <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/smirk.gif" alt="" />.
Das ist aber so ziemlich der ungünstigste Fall, da jedes verklemmte Spänchen die Regelung herausfordert. Astronomische Nachführungen sollten aber hoffentlich deutlich weicher und gleichmäßiger laufen.
Vielleicht können Lutz oder Ekkehard über ihre Erfahrungen berichten <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/huhu.gif" alt="" />

Gruß
Karl-Heinz
 
Prinzipielle betrachtungen zum E-motor

Ich möchte hier eine darstellung der begriffe: konstantspannungs-quelle, konstantstromquelle vorwiderstand, potentiometer in bezug auf den betrieb des gleichstrommotors beitragen:

Das physikalische prinzip des gleichstrommotors, das dahinter steht, ist umkehrbar, was bedeutet, dass der an einer elektrischen spg. liegende motor gleichzeitig auch ein generator ist. Durch die drehung des ankers als getriebener motor entsteht im anker gleichzeitig eine generatorische gegenspannung (elektromotorische kraft genannt, kurz: EMK), die der angelegten spg. entgegenwirkt.

Eine konstant-spannungsquelle ist z.b. ein chemisches element, das einen möglichst geringen innenwiderstand hat (an die inneren klemmen a,b kommen wir leider nicht dran).
Es kann damit bei bedarf ströme liefern, ohne dass an seinen klemmen 1, 2, die elektrische spg. merklich zurückgeht. E-werk bzw. der hausverteiler sind ein gutes bespiel: wir haben das licht im raum an, schalten einen 2000W-heizlüfter dazu (es fliessen 10 A mehr) und bemerken kaum ein dunklerwerden der raumbeleuchtung. Wäre der innenwiderstand unseres chem. elements null, so könnten wir beliebig viel el. strom entnehmen, und ein ungewollter kurzschluss wäre fürchterlich.

In der modellmässigen betrachtung unseres e-motors lassen wir die reibung einmal weg: idealer leerlauf. Die EMK hält der angelegten spg. die waage, es fliesst praktisch kein strom in den motor.

Wird nun der motor mech. belastet, sinkt seine drehzahl und seine EMK wird weniger. Die differenz zur angelegten spg. erzeugt an den innenwiderständen der spgs-quelle und des ankers einen betriebsstrom, der dem entnommenen drehmoment des motors proportional ist. Je kleiner die Ri von quelle und motor sind, umso geringer der drehzahlabfall bei belastung.

Wollen wir die drehzahl regeln, brauchen wir einen spannungsteiler, z.b. poti. Das ist ein widerstand mit variablem abgriff (bild 2). Dieser teilt das poti in zwei widerstände Ra, Rb auf, deren summenwiderstand dem aufgedruckten wert R entspricht. Nehmen wir ein 5 Ohm drahtpoti an, dessen schleifer auf mittelstellung steht. Der obere teilwiderstand Ra beträgt dann 2,5 Ohm, wie auch der teilwiderstand Rb zwischen abgriff und fusspunkt. Damit hätten wir unsere betriebsspg. halbiert, erreichen die halbe leerlaufdrehzahl von vorher.

Der stromfluss unter last teilt sich unter dem oberen teilwiderstand Ra auf: ein teil (I m) geht in den motor, ein anderer teil fliesst weiter durch Rb in den fusspunkt (dieser strom dient leider nur zur erwärmung der erdatmosphäre).
Nachteiliger als dieser energieverlust ist allerdings die tatsache, dass wir in der zuleitung zum motor nun den widerstand Ra haben (betrachtung leicht vereinfacht) und genau hier ist der eigentliche schwachpunkt des potis im nachführbetrieb: wechselnde last an der motorwelle erzeugt einen schwankenden betriebsstrom. Dieser erzeugt an Ra einen zusätzlichen spannungsabfall, der sich dem unvermeidbaren, hervorgerufen an Ri des ankers, additiv überlagert und die effektive betriebsspg. verringert.
Als folge haben wir im potibetrieb bei laständerung einen viel stärkerem drehzahlabfall als gegenüber dem betrieb direkt an der konstantspannungsquelle. und nur, weil das nachführen eine betriebsart mit wenig schwankender last darstellt, ist der poti-betrieb denkbar.

Da aber drehzahlabfall beim nachführung genau das ist, was wir nicht wollen, sollte man das poti besser durch einen elektronischen regler ersetzen. Der mehraufwand ist irrelevant, wenn wir z.b. einen LM317 einsetzen.
http://www.national.com/pf/LM/LM317.html Die schaltung besteht gerade mal aus fünf bauelementen!

Benutzen wir sie an einer batterie, so haben wir eine konstantspannungsqelle mit sehr geringem, elektronisch erzeugtem innenwiderstand, und dies unabhängig vom ladezustand unseres akkus, der ja auch noch einen nicht unerheblichen, schädlichen einfluss auf die gewünschte drehzahl-konstanz des motors hat.

Und wir können an einem steuerpoti die betriebsspg. für unseren motor beliebig einstellen. Dies entspricht einer beliebigen anzahl in reihe geschalteter zellen bzw. bruchteilen davon.

Vorteile des elektron. spg-reglers gegenüber dem poti, die klar für sich sprechen!


Nun noch der exkurs zum konstantstrombetrieb (für die haspel beim von K.H. genannten spulenwickeln, bild 3). Um eine saubere wicklung hinzubekommen, braucht man einen immer gleichstark gespannten wickeldraht. Wir brauchen also einen antriebsmotor, der den draht immer gleichstark zieht, auch wenn der wickelvorgang gerade anläuft (drehzahl noch nahe null) bzw. auf null abgebremst wird (wenn die gewickelte spule voll ist).
"Ziehen" bedeutet drehmoment, ist gleich stromaufnahme des motors, unabhängig von seiner momentanen drehzahl.

Wir benötigen eine energiequelle, die imstande ist, bei unterschiedlichen motor-spg. immer den gleichen strom zu liefern. Das nennt man: betrieb des motors mit eingeprägtem (konstant)strom.

Genau den liefert die konstantstromquelle, also modellhaft eine batterie aus chem. elementen, in die wir einen hohen vorwiderstand einbauen. Zahlenbeispiel: 1000 Volt zellenspannung und 1000 Ohm als vorwiderstand.

Der betrieb mit einem verbraucher für null Volt (kurzschlussbügel) ist harmlos, es fliessen nur 1 A betriebsstrom, vom innenwiderstand Ri = 1000 Ohm derartig begrenzt, an dem die 1000 Volt zellenspg. komplett abfallen.
Schliessen wir einen 12 volt motor fürs spulenwickeln an, so fallen jetzt an Ri 988 Volt ab. Diese geringe änderung bewirkt eine stromsenkung von (1000-988) / 1000 *100% = 1,2% gegenüber dem kurzschlussbetrieb. Und den hätten wir annähernd, wenn wir den motor mechanisch blockieren.
Dieser quasi-konstantstrombetrieb würde dann gegenüber der betriebsdrehzahl im stillstand nur ca. 1,2% mehr drehmoment liefern.

Da die konstantstromquelle in o.g. ausführung eine extreme energievergeudung darstellt, wird sie ausschliesslich durch elektronische mittel realisiert.

Der weisheit letzter schluss:
Nachführen als auch spulenwickeln sind also extreme betriebsarten ein- und desselben antriebsmotors(!), die zueinander konträr sind. Die bedürfen dementsprechend spezieller speisungen.

V.g.
Lutz

Link zur Grafik: http://www.liebers-dental.de/Astronomie/spgquellen.jpg
 
Re: Prinzipielle betrachtungen zum E-motor

Hallo Interessierte,

ergänzend zum Beitrag von Lutz hab ich in Eagle mal einen Schaltplan für eine Ansteuerung über einen LM317 gebacken, die auf einen DC-Motor mit feiner Einstellbarkeit ausgelegt ist.

Materialkosten ca. 3,- Euronen <img src="/phpapps/ubbthreads/images/graemlins/grin.gif" alt="" />

Läßt sich sehr leicht auf Lochrasterplatinen aufbauen.

Hier ist sie: http://www.pteng.de/temp/lm317.pdf
 
Hallo Karl-Heinz,

10% oder weniger Nenndrehzahl sollte nach meiner Erfahrung kein Problem sein.
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Super, dann würde das so klappen, wie ich mir das vorstelle. Ich habe ein Faulhaber Planetengetriebe (spielfrei) 1920:1 für einen Euro geschossen und möchte jetzt einen Motor dranstricken. Am liebsten natürlich ohne weiteres Vorgetriebe, das müßte dann mit deiner Regelung klappen (muß ich nur noch eine Maus schlachten und diese dann an die Achse hinten adaptieren).

Es wird...

Vielen Dank und viele Grüße,
Andreas
 
Re: Prinzipielle betrachtungen zum E-motor

Moin moin Lutz,

vielen Dank für die Erläuterung der Hintergründe einer drehzahlkonstanten bzw. drehmomentkonstanten Ansteuerung von DC Motoren.

Ich bin zwar überzeugt davon, daß auch der Drahtpoti für den Anwendungsfall EQ-Plattform ausreicht, aber wenn mit geringem Mehraufwand eine bessere Lösung machbar ist (Spannungsregler LM317), warum dann nicht gleich die bessere und zudem sparsamere Lösung.

Wenn ich es richtig einschätze ist auch durch die hintergeschaltete hohe Untersetzung eine nahezu lastkonstante Betriebsart gewährleistet, sodaß - wie auch durch die praktischen Erfahrungen von Reiner und Fred (und anderen) bestätigt wird - die Unterschiede praktisch kaum sichtbar sein werden.

In meinem Fall wird die Regelung per PWM den Vorteil haben, daß ich den Motor bei niedrigeren als der Nenndrehzahl schön konstant betreiben werde können. Das erspart mir dann hoffentlich ein Vorgetriebe und macht die ganze Antriebseinheit einfach kompakter.

Ich bin jedenfalls auf euren Bericht mit der PWM/EMK Regelung sehr gespannt. Das ist wirklich ein elegantes Prinzip, spart einem sogar den Drehzahlsensor...

Viele Grüße,
Andreas
 
Re: Prinzipielle betrachtungen zum E-motor

Hi Eckehard,

super, vielen Dank fürs Bereitstellen.

Viele Grüße,
Andreas
 
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