Beschreibung: Kraftgeregelte Eigenbau-Hochstartwinde auf Basis Raspberry Pi

Hallo zusammen,

im letzten halben Jahr habe ich mir eine Hochstartwinde selbst gebaut, die ich (Interesse vorausgesetzt) hier vorstellen bzw. zur Diskussion stellen möchte.

Ausgangspunkt des ganzen Projekts war eine kraftgeregelte Winde, die ich bei den Antikfliegern gesehen habe und die sich dort großer Beliebtheit erfreut.

Ich selbst habe schon seit längerer Zeit nach einer sinnvollen Möglichkeit gesucht, mich wieder etwas der Mikroprozessorprogrammierung zu widmen.

Als mir dann mein Sohn zu Weihnachten einen Raspberry-Pi-PC geschenkt hat, war das die Gelegenheit, diesen zu benutzen, um selbst eine geregelte Winde zu bauen. Die Programmierung über einen PC hat für mich den Vorteil, dass ich keine großen Hardwarekenntnisse mitbringen muss.

Mit der Winde verfolge ich keine wie auch immer geartete Wettbewerbtauglichkeit und es sollen auch nicht 25kg-Brocken mit 7 Meter Spannweite in den Himmel geschossen werden. Viel mehr Wert wurde auf Handlichkeit, möglichst einfacher mechanischer Aufbau, kompakte Bauweise und die prinzipielle Machbarkeit gelegt.

Hier zwei Bilder der Winde:





Leider habe ich vom Betrieb bisher keine Bilder gemacht, aber ich hoffe, ihr glaubt mir, dass sie funktioniert.

Nun warte ich mal, ob ein Echo kommt (vielleicht hat ja sogar jemand so was schon mal auf Basis eines Raspberry gemacht und meldet sich).

Bei Interesse würde ich dann im nächsten Beitrag die Funktionsweise, die technischen Daten und auch meine Erfahrungen bei diversen Irrwegen etwas genauer beschreiben in der Hoffnung, dass sich daraus eine fruchtbare (und keine furchtbare) Diskussion entwickelt.

Sollte der Thread im Bereich Segelflug falsch platziert sein, kann ein Moderator ihn gerne verschieben. Ich habe ohnehin dunkel in Erinnerung, dass es im Netz einen Thread zu der erwähnten Winde bei den Antikfliegern gibt, finde ihn aber im Moment nicht (mehr?)

Gruß Alfred

Ja - sabber - lechz!

Ja - sabber - lechz!

Volles Interesse, bitte genauere Beschreibung und Programmierung usw.

Ich will endlich mal vom Schlepper unabhängig sein. Na ja, 14 kg-Segler sollte sie schon können.

Bitte unbedingt berichten.

Knut

Ja großes Interesse

knzin schrieb:

Volles Interesse, bitte genauere Beschreibung und Programmierung usw.

Ich will endlich mal vom Schlepper unabhängig sein. Na ja, 14 kg-Segler sollte sie schon können.

Bitte unbedingt berichten.

Knut

Zum Vergrößern anklicken....

Knut, die Winde auf den Bildern ist gut für etwas größere "HLG".
Für deinen 14kg-Segler brauchts keine geregelte Winde sondern was mit richtig bums mit Strömen von 300A oder etwas mehr...

Eine 1,1kW-F3B-Winde hat kein Problem mit 5m und 8,5kg. Wobei das Gewicht zweitrangig ist. Die Flächengröße und Flächenbelastung ist wichtiger.
Für deinen Wunsch darf es schon 2kW sein.

Sowas habe ich mir schon vor vielen Jahren gebaut, nur hardware
Gemessen wurde der Strom durch den Anker und mit der Spannung am Einstellpoti verglichen, dann Stromregelung mit PWM. Hat prima finktioniert, vom Balsaflieger mit 1,5m SPW bis 3m B4
Empfehlenswert, da es auch Windböen "berücksichtigt".

Wolfgang

Hallo, danke für die Rückmeldungen.

"Gemessen wurde der Strom durch den Anker und mit der Spannung am Einstellpoti verglichen, dann Stromregelung mit PWM."

Bei der Winde, die ich bei den Antikfliegern gesehen habe, ist die gesamte Mechanik auf mehreren Blattfedern montiert. Beim Start wurde durch die Seilkraft die gesamte Einheit verschoben und die Auslenkung der Blattfedern wurde mit einem Poti gemessen. Ursprünglich war ich von der Idee sehr angetan. Beim Konzipieren der Winde bin ich aber auch drauf gekommen, dass ein Gleichstrommotor immer ein Drehmoment proportional zum Strom hat. Der Motor, den ich verwende, ist ein Johnson JOHNSON QC987G, und es war auch ein Datenblatt verfügbar, in dem sogar eine Drehmomentkonstante genannt wird, sprich Drehmoment/Ampere.

Aufgrund dessen habe ich mich auch für die Strommessung entschieden. Diese Entscheidung hat gleichzeitig die Überlegung, einen Brushless-Motor zu verwenden, erledigt. Hier würde mich interessieren, ob jemand schon mal eine Winde mit Brushless-Motor gebaut hat. Da gibt es ja die unterschiedlichsten Meinungen. Steuerungen für die Motoren gibt es z.B aus dem Pedelec-Bereich für wenig Geld.

Zur Strommessung verwende ich übrigens im Moment einen Baustein ACS756, der bis etwa 100 A messen kann und den Messwert als Analogspannung mit einer Empfindlichkeit von ca. 22 mV/Ampere.
ausgibt. Diese Spannung lese ich über einen AD-Wandler-Baustein MCP3008 in den Raspberry ein.

Die Strommessung besitzt auch den Vorteil, dass das System modular aufgebaut werden kann. So könnte meine Bedieneinheit im Prinzip jede Windeneinheit regeln, solange die Bedingungen 12V-Betrieb und Strom < 100A eingehalten werden. Die Schnittstelle besteht nur aus den beiden Pins des Windenmotors. Größere Ströme könnten durch Einsatz eines weiteren parallelen ACS756 realisiert werden.

@Wattsi:

Besitzt deine Winde eine aktive Bremse? Sprich wird nach dem Ausklinken des Modells der Motor aktiv gebremst? Ich dachte eigentlich, dass durch sachtes Verzögern ein Seilsalat eher verhindert wird als durch jähes Bremsen, habe mich aber in der Praxis eines Besseren belehren lassen.

Gruß Alfred

Bremse:
Habe ich nur für das Rückholen des Fallschirms, wenn sich das Seil im Gras verfängt und dann plötzlich losreißt, die Trommel beschleunigt dann und das Seil würde nicht mehr straff sein und von der Trommel springen=Seilsalat.
Die Bremse wird nur aktiviert, wenn das Seil nicht gespannt ist, mit einem Bügel und Microswitch

Elektrowinde

Elektrowinde

Hallo Alfred

Eine sehr schöne Winde die du da gebaut hast. Ich bin schon gespannt über die technischen Daten, die du versprochen hast. Auch deine diversen Irrwege könnten eine Bereicherung für Interessierte sein. Leider gibt es nur noch wenige Feierabendflieger die mit Hilfe einer Elektrowinde versuchen ausgiebige Thermikflüge zu machen. Vielleicht beteiligen sich Segelflieger die auch ohne Elektronase dem Thermikflug verfallen sind. Wir werden sehen wohin diese Diskussion führt. Ich jedenfalls werde mit großem Interesse diese Beiträge verfolgen.

Mit thermischen Gruß
Peter

Hallo Peter,

dein Nickname sagt alles...

Bisher haben sich die Rückmeldungen ja in Grenzen gehalten und ich dachte schon, dass der Thread in den ewigen Jagdgründen des Forums verschwindet.

Technische Daten habe ich ja schon einige geschrieben.

Hier vielleicht noch die Untersetzung: Ich verwende zwei Zahnräder Modul 1, das große hat 80 Zähne, das kleine 20, und der Trommeldurchmesser ist 6 cm.
Das ergibt nach den bisherigen Erfahrungen vernünftige Motordrehzahlen beim Start von Seglern der Retro/Antikklasse.

Den wirklich großen Vorteil dieser Winde sehe ich zum einen in der Möglichkeit, (fast) beliebige externe Mechanik-Einheiten steuern zu können und zum anderen die Verwendung des Raspberries mit einem in Python geschriebenen Regelprogramm. Das eröffnet einem so viele Möglichkeiten und Anpassungen wie keine andere hardwarenahe Lösung.

So habe ich z.B. am Anfang, wenn die Winde angeschaltet wird, einen Testzyklus eingebaut, in dem die korrekte Funktion des Fußtasters und des Sollwert-Potis getestet wird, bevor überhaupt eine Ansteuerung des Motors erfolgt. Außerdem habe ich einen lauten Summer installiert. Den habe ich gerade gestern Abend so umprogrammiert, dass er beim Treten des Fußtasters und beim Loslassen am Ende des Hochstarts je eine Sekunde piepst. Das hat (hoffentlich) den Vorteil, dass der Pilot akustisch den Beginn und das Ende des Hochstarts mitbekommt, wenn ein zweiter Mann die Winde bedient.
Bisher hatten wir immer einen Dialog der Form " Bist du fertig?", "ja", " Achtung, es geht los..." etc...
Außerdem habe ich mir den Luxus geleistet, dass zu jedem Start automatisch ein Meßdatenfile mit den wesentlichen Daten erzeugt wird, das ich dann daheim in Ruhe auswerten kann.
Und das korrekte Arbeiten der Regelung wird dadurch visualisiert, dass die beiden LED'S unter bzw. über dem Sollwertpoti wechselweise leuchten, je nachdem, ob die Regeldifferenz positiv oder negativ ist.

Zum Aufspulen der Schnur beim Abbauen der Winde am Ende des Flugbetriebs habe ich einen Betriebsmodus "manuell" vorgesehen. In diesem Modus wird der Motor unabhängig von einer Betätigung des Fußtasters angesteuert, wobei das Sollwertpoti den Strom vorgibt. So kann die Schnur einfach und gefühlvoll aufgewickelt werden.

Vielleicht hast du oder ein anderer auch konkrete Fragen zu Details der Winde. Bitte nicht zögern, ich gebe gerne Auskunft und nehme auch Anregungen gierig auf...:-)

Gruß Alfred

Hallo,

zufällig habe ich eben in diesen Thread gelesen:

http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/377585-Freiflugmodelle-mit-Microkomponenten

Hier ist im dritten Post genau die Winde abgebildet, die ich bei den Antikfliegern gesehen habe und die mir als Vorbild für meine Winde diente.

Im weiteren Verlauf wird auch über die Winde diskutiert.

PS: Und jetzt habe ich (glaube ich) kapiert, dass sich hinter dem "Windenbauer" der Peter Dost verbirgt. So schließt sich der Kreis und es freut mich, daß wir auf diese Weise
Kontakt zueinander bekommen haben.

Gruß Alfred

Hochstartwinde

Hochstartwinde

Hallo Alfred
ich freue mich auch, das meine Winde Dir als Vorbild dienen konnte.

Heute möchte ich Dir und anderen Interessierten etwas von meinen Überlegungen beim Windenbau berichten.

Angefangen hat alles damit, das ich meine HLG-Segler mit Hochstartgummi gestartet habe.
Bei wenig Wind war das Gummi schon schlapp bevor die maximale Ausklinkhöhe erreicht war.
Bei starkem Wind war es umgekehrt. Ausklinkhöhe erreicht aber Gummi noch gespannt.
Das muss doch auch anders gehen !!! Habe ich mir gedacht.

Erste HLG-Winde:
Ohne Mikroprozessor und ohne fertigen Motorregler.
Selbst gebaute Endstufe mit zwei Mosfets SMP60 N03-10 Sägezahngenerator mit einstellbarer Pulslängensteuerung. Motor Speed 700 an 12V Nickel Cadmium.
Das Ganze über Poti einstellbar und über Fußschalter gesteuert.
Nachteil: Bei Drehzahländerung auch Stromänderung somit Drehmoment nicht konstant.
Gegenüber dem Gummiseil aber nur Vorteile.

Nächte HLG-Winde mit Stromregelung:
Eine weitere Verbesserung da der Drehmoment des Motors nun konstanter ist.
Jedoch immer noch Träge beim Nachregeln der Seilspannung, da zwar (leider) der Drehmoment des Motor konstant ist aber die Massenträgheit der drehenden Mechanik bei Drehzahländerungen zu Verzögerungen in der Regelung führt. Bei ständig wechselnder Windstärke gibt es starke Über.- oder Unterschreitungen der gewünschten Seilspannung. Es wird ja auch der Drehmoment des Motors, nicht aber die Seilspannung geregelt.



Von HLG zu F3J:
Steuerung über Mikrocontroller (C-Control ) in Basic programmiert und Messung der tatsächlichen Seilspannung an der Windenmechanik. Da die Modelle nun bereits größer sind musste die Winde auch wachsen.
Zwei Speed 700 BB 8,4V an zwei Bleiakkus 12V 7Ah in Reihe. Ja das sind 24V. Von Nichts kommt Nichts. Irgendwo muss die Leistung ja herkommen. Jahrelanger Einsatz als Schulungswinde in unserem Verein, konnten den Motoren allerdings nichts anhaben.
Beim Starten ist außer der Seilspannung nichts mehr konstant.
Bei starkem Wind nimmt die Steuerung die Leistung (PWM) soweit zurück, das die Seilspannung den eingestellten Wert nicht übersteigt. Wenn nötig wird sogar Seil nachgelassen. Die Nachregelung bei unterschreiten der eingestellten Seilspannung erfolgt verzögerungsfrei, wenn nötig mit der maximalen Motorleistung. Also Strom und Spannung ändern sich wenn nötig zwischen 0% und 100%.



Der Weg war zwar lang, das Ergebnis rechtfertigt aber die Mühe.
Trotz der diversen Rückschläge habe ich mein Ziel erreicht und eine Winde gebaut, die leicht, leistungsstark und von Jedem zuverlässig bedient werden kann.

Ich kann nur jeden ermutigen, der eine Idee hat, diese auch umzusetzen.
Und hier im RCN zu berichten.

Letzte Version dieser Bauart mit verstärkten Zahnriemenräder aus Aluminium und nochmals erhöhter Zugkraft.



Gruß Peter

Hallo Peter,

danke für deine ausführliche Beschreibung.

"Jedoch immer noch Träge beim Nachregeln der Seilspannung, da zwar (leider) der Drehmoment des Motor konstant ist aber die Massenträgheit der drehenden Mechanik bei Drehzahländerungen zu Verzögerungen in der Regelung führt. Bei ständig wechselnder Windstärke gibt es starke Über.- oder Unterschreitungen der gewünschten Seilspannung. Es wird ja auch der Drehmoment des Motors, nicht aber die Seilspannung geregelt."

Wie geschrieben wollte ich ursprünglich wie bei deinem Konzept die Windeneinheit auf Blattfedern setzen, habe mich aber dann aus Vereinfachungsgründen für die Strommessung entschieden. Meiner Meinung nach kann man den Einfluß der Drehbeschleunigung der Trommel vernachlässigen. Gestern Abend habe ich mal etwas nachgerechnet und die Kraft berechnet, die ich im Seil benötige, um die Trommel von 0 auf eine Drehzahl von 30 Umdrehungen/Sec (entspricht etwa 20 km/h) in einer Sekunde zu beschleunigen. Wenn ich richtig gerechnet habe, brauche ich dazu eine Seilkraft von 2,3N. Wenn man bedenkt, dass die Seilkraft beim Start irgendwas um 20-50N ist und die Trommel während eines Starts ja nicht immer schlagartig von null auf Maximalgeschwindigkeit beschleunigt bzw. verzögert wird, erscheint mir der Einfluß vernachlässigbar. Rein subjektiv (ich habe ja viele Starts mit deiner Winde "miterlebt") verhält sich die Regelung meiner Winde gleich wie deine Regelung.

Nach eine Frage zu der Bremse:

Von den Antikfliegern wurde mir gesagt, dass der Motor beim Loslassen des Fußtasters aktiv gebremst werden muss, sonst gibt es Seilsalat. Ich hätte vermutet, dass ein sachtes Auslaufen des Motors besser wäre, die Praxis zeigt aber, dass das Bremsen zumindest keinen Seilsalat erzeugt. Frage: Wie hast du die Bremsfunktion realisiert? Ich selbst habe meinen Fahrtregler genommen und einfach den Modus Forward/Brake eingestellt und das wars. Nun bremst der Regler aktiv den Motor, sobald ein PWM geschickt wird, das einer Knüppelstellung unterhalb Mittenstellung entspricht.

Gruß Alfred

Hochstartwinde

Hochstartwinde

Hallo Alfred

Seilspannung:
Was sich zusätzlich auf die Seilspannung bei Stromregelung auswirkt ist der Wickeldurchmesser des Seils je nach ausgelegter Seillänge. Bei mir machte sich das stärker bemerkbar als bei dir, da die Differenz durch die Verwendung einer Umlenkrolle sich bei mir verdoppelt.
Aber man kann das natürlich auch überbewerten.

Bremse:
Meine selbstgebaute Regelung besitzt keine aktive Bremse. Solange sich die Motoren durch die Massenträgheit noch Vorwärts drehten, wird nicht gebremst. Erst wenn sie sich durch Seilzug rückwärts drehen, werden die Motoren durch den induzierten Strom der durch die Freilaufdioden fließt eingebremst.

Bei den 8.4V Motoren ist die Bremsleistung beim Seil holen in Ordnung. Bei 9,6V schon stärker und bei 12V eigentlich zu stark.

Gruß Peter

Hochstartwinde

Hochstartwinde

Korektur!!
Das mit der Umlenkrolle war natülich falsch, die hast du ja auch. Das bezog sich auf eine andere Winde.

ein Speed 700 entweder der Neodym oder der 8,4V Typ konnte so knapp 400W liefern, natürlich mit Getriebe. Allerdings mit 16 NC Zellen oder ca Lipo 5S. Voraussetzung war, das der Motor schön drehen konnte. Da konnte man durchaus bis 32A durch die Wicklung jagen. Bei den hochvoltigeren Typen muß man bei der Stromstärke aber abstriche machen da die Drahtdicke geringer ist. Dafür liegen aber auch 24V an Spannung an. Wie weit man diese 9,6 und 12V Motore nun aber balasten kann weiss ich nun nicht mehr.
Oder einfach anders gesagt, mit knapp 800W kann man schon etwas zur Hochstrecke bringen!

Franz

gute Arbeit!

Hallo Peter,

"Was sich zusätzlich auf die Seilspannung bei Stromregelung auswirkt ist der Wickeldurchmesser des Seils je nach ausgelegter Seillänge."

Stimmt!!!

Daran habe ich noch gar nicht gedacht. Gut, dass der Einfluß wirklich klein ist. Bei mir ist die Wicklung auf der Trommel nur wenige Millimeter hoch und außerdem ist ja der größte Teil der Schnur im Betrieb abgewickelt. Übrigens müßte sich der Effekt (wenn überhaupt merklich) eher positiv bemerkbar machen. Während des Hochstarts wird, je größer der Seilwinkel gegenüber der Horizontalen ist, immer weniger Zug zum Schleppen benötigt. Zumindest ist das beim manntragenden Windenstart so und ich erinnere mich auch noch gut an die Hochstarts mit dem kleinen Uhu in meiner Kindheit. Da mußten wir manchmal die Hochstartschnur wegwerfen, dmait das Modell überhaupt ausklinkte, so stark hat das Modell im obersten Punkt gezogen.

Ich habe etwas hin und her überlegt, ob ich eine Funktion einbaue, die zeitgesteuert den Zug etwas zurücknimmt während des Hochstarts, habe es dann aber gelassen, weil die Winde halt doch nicht wirklich weiß, in welcher Phase sich das Modell grade befindet.


"Meine selbstgebaute Regelung besitzt keine aktive Bremse."

Drum!!!

Ich habe nämlich von den Antikfliegern eine deiner Winden (eine mit nur einem Motor) als Vorlage bekommen und mit einem Oszi dran rumgemessen, um hinter die (von den Antikfliegern vermutete) Bremsfunktion zu kommen, konnte aber beim besten Willen nichts finden. Schön, dass das jetzt auch geklärt ist.

Noch eine Frage zur Freilaufdiode an den Hardwarespezialisten (ich habe da leider nur fundiertes Halbwissen...):

Im Moment habe ich den Motor ohne Freilaufdiode am Fahrtenregler angeschlossen. Den Regler habe ich im Internet gekauft und ohne jede Anleitung bekommen, nirgends war ein Hinweis darauf, dass ich eine Freilaufdiode nehmen muss. Es funktioniert auch alles, aber....

Schon am ersten echten Betriebstag wurde der Regler sehr heiß. Nun ist die Box bis jetzt nicht mit Kühlöffnungen versehen, aber so ganz konnte ich mir das trotzdem nicht erklären.
Daheim habe ich dann rumexpeimentiert und festgestellt, dass selbst ohne jeden Motorbetrieb der Regler heiss wird. Er versorgt über den BEC-Anschluß (im Prospekt stand BEC 5V, 3A) nur den Raspberry, und der zieht etwa 0,4A. Die Tatsache, dass die 0,4A den Regler so in's Schwitzen bringen, finde ich immer noch seltsam, zumal der Regler selbst angeblich Motorströme bis 320A verkraften soll.

Dann habe ich die Stromversorgung des Raspberry umgebaut. Er wird jetzt direkt aus der Autobatterie mit einem separaten Spannungwandler versorgt. Der wird im Betrieb nicht mal lauwarm.

Am letzten Betriebstag habe ich trotzdem wieder festgestellt, dass der Regler sehr warm wird, obwohl zwischen den Starts oft 10 MInuten oder länger Pause war.

Meine letzte Überlegung zu dem ganzen Thema war, ob vielleicht beim Ausziehen des Seils der Motor irgendwie als Generator arbeitet und der Regler sich damit schwer tut. Immerhin wird ja beim Ausziehen Energie in das Windensystem hineingesteckt. Untersucht/gemessen habe ich bis jetzt noch nichts, aber vielleicht hast du oder sonst wer eine Erklärung für dieses Verhalten.

Zur Leistung der Winde:

Wie gesagt habe ich einen Motor, der nach Datenblatt maximal etwa 0,5KW liefert und ein Getriebe mit Untersetzung 1:4. Wir haben bis jetzt Modelle bis etwa 2 Kg betrieben, und ich vermute, dass irgendwo bei 3 kg die Grenze erreicht ist. Die Ströme während es Starts sind durchaus im Bereich von 50A.

Gruß Alfred

Freilaufdiode

Freilaufdiode

Hallo Alfred

Ich habe auch nur ein Halbwissen, was die Freilaufdiode alles bewirkt. Aber bei einer PWM Regelung erzeugt das Zusammenbrechen des Magnetfeldes des Motors beim Abschalten des Impulses eine hohe Spannung die du mit dem Oskar einmal messen solltest. Je steiler die Abschaltflanke um so höher die Spannungsspitze. Die Freilaufdiode schließt diese Spannungsspitze kurz und wirkt dem Zusammenbruch des Magnetfeldes entgegen, was eine geringfügige Erhöhung des Wirkungsgrades zur Folge haben dürfte. Außerdem schließt sie den Induktionsstrom kurz der beim Abwickeln des Seils von der Winde entsteht. Er bremst dabei den Motor, was zu erhöhter Seilspannung beim Abwickeln führt.
Ich verwende eine doppelte Schotkydiode (MBR 2045) im To 220 Gehäuse. Direkt an die Motorkontakte gelötet. Natürlich in Sperrichtung. Die Diode kann schon mal sehr heiß werden, was darauf schließen lässt, das dort ordentlich Strom fließt. Der dann allerdings deinen Regler nicht mehr belastet.
Du solltest das unbedingt ausprobieren.

Gruß Peter

Franz Zier schrieb:

Voraussetzung war, das der Motor schön drehen konnte. Da konnte man durchaus bis 32A durch die Wicklung jagen. Bei den hochvoltigeren Typen muß man bei der Stromstärke aber abstriche machen da die Drahtdicke geringer ist. Dafür liegen aber auch 24V an Spannung an. Wie weit man diese 9,6 und 12V Motore nun aber balasten kann weiss ich nun nicht mehr.
Oder einfach anders gesagt, mit knapp 800W kann man schon etwas zur Hochstrecke bringen!

Zum Vergrößern anklicken....

Beim Hochstart, mit leichtem Gegenwind, wird der Motor nicht mehr so hoch drehen können! Daher kommt es mehr auf das max. Drehmoment an, als auf die Drehzahl. Die Leistungsbetrachtung ist daher physikalisch ok, aber....

Meine erste Eigenbauwinde hatte eine DC PKW Lichtmaschine für 6V, Feldstrom und Ankerstrom geregelt. Daher beim Rückholen des Seils: Kleiner Ankerstrom, bremsen mit Freilaufdiode möglich

Wolfgang