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Aufbau eines inversen Pendels mit Linearführung

Das inverse Pendel ist ein beliebtes Studienobjekt in den Ingenieurwissenschaften Regelungstechnik, Elektrotechnik und Maschinenbau. Dabei soll ein frei schwingendes Pendel senkrecht nach oben balanciert werden, ähnlich dem Balancieren eines Bleistiftes auf dem Finger. Das Pendel ist an einem beweglichen Wagen befestigt, der die nötigen Ausgleichbewegungen durchführt.

Bild 1: Grundprinzip  eines inversen Pendels

Zielsetzung

Es soll unter den Bedingungen eines „Hobby Makers“ ein inverses Pendel aufgebaut werden. Die Kosten der Einzelteile liegen in Summe bei 150€. Für die Montage werden keine Spezialwerkzeuge oder Maschinen wie Fräse, 3D Drucker oder Drehbank benötigt. An Werkzeugen sollte vorhanden sein: Bohrmaschine, Gewindebohrer, Feile und ein Satz Schraubendreher bzw. Bits.  Die Materialien sind sämtlich über das Internet (Ebay, Amazon, usw.) bestellbar bzw. auf Baumärkten erhältlich. Als elektronische Steuerung wird ein Arduino Megaboard benutzt.

Ein paar Grundkenntnisse in der Programmierung des Arduino werden vorausgesetzt. Als Einstieg in die Welt des Arduino Mikrokontrollers sei der Baukasten von Elegoo empfohlen, der gleich das Arduino Mega Board enthält. Im folgenden Erfahrungsbericht sind alle benögten Einzelteile aufgezählt. Es wurde auf eine möglichst einfachen und stabilen Aufbau Wert gelegt, so dass ein stabiles Regelungsverhalten erziehlt wird.

Dateien

Erfahrungsbericht zum Aufbau Erfahrungsbericht.pdf
Stückliste Antrieb mit 12V DC Motor Stückliste_DC_Motor.pdf
Stückliste Antrieb mit  Schrittmotor Stückliste_Schrittmotor.pdf
Stromlaufplan DC Motor circuit1.png
Stromlaufplan Schrittmotor circuit2.png
Arduino Mega Programmcode DC Motor PID_DC2.ino
Arduino Mega Programmcode Schrittmotor PID_stepp3.ino
Programmbibliothek Enoder

Encoder.h

Programmbibliothek BasicStepDriver

BasicStepperDriver.h

Programmbiblithek PID control

PID_v1.h

Stromlaufplan mit DC Motor

Stromlaufplan mit Schrittmotor

Bilder und Links zu den Einzelteilen

80CM Kameraschiene der Fa. Andoer

NEMA 17 Schrittmotor Halterung

Tolako High Torque DC Motor-Set 12V 800 RPM

H-Brückefür Arduino IBT-2 H

Zahnriemen + Zahnräder

Umlenkrollen-Kit

Belt Clip, 9 mm Breite

OMRON Rotary Encoder E6B2-CWZ6C 2000P/R 5V-24V

Schaltnetzteil 180W, DC 12V 15A

 

Maker Beam ALU Profil 10x10x300

Quimat Nema 17 Schrittmotor

SainSmart CNC-Mikroschrittschrittmotor Treiber 2M542

Winwill® 1Pc 5mm Flanschkupplung

Zahnrad 40 Zähne als Pendelgewicht

Universal Motorhalter, NEMA17

Flachverbinder 100x40x3,0 verzinkt 


Mechanischer Aufbau

Kameraschiene mit Schitten, Schrittmotor und Encoder an den Enden

Befestigung des Winkelencoder auf dem Schlitten

Montage des Schrittmotors am Ende der Kameraschiene

Montage des Encoder für die linear Position am Ende der Kameraschiene

Zahnriemenantrieb des Schlitten


Inbetriebnahme

Nach dem Laden des Programms und dem Einschalten der Stromversorgung für den Motor, muss das Pendel absolut ruhig und senkrecht nach unten hängen. Jetzt wird kurz die rote Resettaste auf dem Arduinobord betätigt. Damit wird der Encodercounter mit dem Referenzwert -4000 geladen (eine volle Umdrehung sind 8000 Impulse, da die Endcoderbilbliothek die 2000 Impulse vervierfacht (Auswertung der steigenden und fallenden Signalflanken).  

Danach bringt man das Pendel im Uhrzeigersinn in die aufrechte Position. Der Regler beginnt zu arbeiten und sollte das Pendel jetzt aufrecht halten. Sollte der Schlitten stets in die falsche Richtung steuern, müssen die Motoranschlüsse an der H-Brücke bzw. Schrittmotoranschlüsse am Drivermodul getauscht werden. Weiterhin müssen die PI Regelerparameter Kp und Ki abgeglichen werden (leicht absenken oder erhöhen). Der Schlitten kann um ca. +/- 20cm hin- und her fahren. Sollte der Schlitten permanent in eine Richtung abdriften muss die waagerechte Lage der Kamearschiene an den Standfüssen justiert werden.  Zur Kontrolle der Reglerausgabe kann der seriellen Plotter in der Arduino Box am PC geöffnet werden. Dort wir fortlaufend die Stellgröße des Reglers ausgeben Ist der Kp Wert zu hoch eingestellt schwingt sich der Regler auf und die Stellgröße schwankt innerhalb der maximalen Grenze von +/- 250.

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