WEBVTT - generated by Medienportal Hochschule Merseburg

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00:00:00.031 --> 00:00:02.939
Hallo, ich bin Philipp Dockerm, bin hier verantwortlich
an der Hochschule

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00:00:02.948 --> 00:00:07.107
Meersenburg für Mikroprozessertechnik und
eingebettete Systeme und ich möchte

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00:00:07.117 --> 00:00:16.312
euch heute unseren kleinen Spinnroboter hier
vorstellen.

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00:00:16.321 --> 00:00:27.785
Dieser kleine Kollege hier wird anders als
andere Maschinen angetrieben.

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00:00:27.795 --> 00:00:32.664
Wir haben zwar hier auch einen Antrieb, aber
im Form eines Servomotors, der es

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00:00:32.675 --> 00:00:37.194
diesen Spinnrewerter ermöglicht, seine Gelenke
mit genauen Positionierung zu

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00:00:37.204 --> 00:00:43.161
bewegen. Dieser kleine Servomotor enthält
zum einen ein DC-Motor und viele

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00:00:43.170 --> 00:00:46.884
weitere Komponenten, die es immer möglichen,
die Genau-Positionierung

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00:00:46.893 --> 00:00:50.718
vorzunehmen. Und genau das wollen wir uns heute
mal angucken. Schauen wir uns den

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00:00:50.728 --> 00:00:54.591
Servo noch mal ein bisschen im Detail an. Insgesamt
besteht der Servo aus vier

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00:00:54.602 --> 00:00:59.335
unterschiedlichen Komponenten. Wir haben zum
einen hier unseren DC-Antriebsmotor,

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00:00:59.346 --> 00:01:03.000
der über eine H-Brücke angesteuert wird.
Die H-Brücke hat im Wesentlichen

13
00:01:03.000 --> 00:01:08.000
die Aufgabe, um die Drehrichtung des Motors
zu bestimmen. Der Motor wiederum

14
00:01:08.000 --> 00:01:12.000
ist dann hier an den Getriebe angeschlossen,
das Getriebe ist hier

15
00:01:12.000 --> 00:01:16.000
durch einfache Kreise dargestellt und hat in
der Regel eine Untersetzung.

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00:01:16.000 --> 00:01:21.000
Das heißt, der Motor hat eine wesentlich größere
Drehzahl, als dann letztendlich

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00:01:21.000 --> 00:01:26.000
hier am Ausgang des Getriebes ankommt. Der
Ausgang des Getriebes bzw.

18
00:01:26.000 --> 00:01:31.000
des Servomotors ist gleichzeitig mit einem
Potentiometer gekoppelt und das

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00:01:31.000 --> 00:01:37.000
Potentiometer dient der Rückkopplung der aktuellen
Position. Gehen wir davon aus,

20
00:01:37.000 --> 00:01:41.000
wir nehmen jetzt hier das Potentiometer mit
genau der Mittelstellung, dann

21
00:01:41.000 --> 00:01:46.000
würden wir bei einer grundsätzlichen Spannungsversorgung
von 5 Volt hier in

22
00:01:46.000 --> 00:01:53.000
etwa 2,5 Volt messen. Diese 2,5 Volt würden
dann zurückgekoppelt werden zu

23
00:01:53.000 --> 00:01:57.000
unseren Operationsverstärker. Der Operationsverstärker
agiert hier im

24
00:01:57.000 --> 00:02:01.000
Wesentlichen als Vergleicher, hat ebenfalls
eine Versorgungsspannung von 5

25
00:02:01.000 --> 00:02:07.000
Volt und eben Groundpotenzial und wir hätten
so hier am negativen Eingang

26
00:02:07.000 --> 00:02:13.000
aktuell in der Grundposition 2,5 Volt einliegen.
Gehen wir nun davon aus, wir

27
00:02:13.000 --> 00:02:19.000
wollen unseren Servomotor zum Rotieren bringen
bzw. die Positionierung

28
00:02:19.000 --> 00:02:22.000
verändern. Dann müssen wir hier am Operationsverstärker,
am positiven

29
00:02:22.000 --> 00:02:26.000
Eingang, einen Zielwert angeben. Den Zielwert
geben wir im Wesentlichen

30
00:02:26.000 --> 00:02:31.000
darüber an, dass wir hier eine Spannung anlegen.
Gehen wir davon aus, wir legen

31
00:02:31.000 --> 00:02:35.000
hier eine Spannung von vier Volt an. Dann würde
der Operationsverstärker

32
00:02:35.000 --> 00:02:40.000
feststellen, dass der positive Eingang wesentlich
größer ist vom Potenzial als

33
00:02:40.000 --> 00:02:45.000
der negative Eingang. Im Umkehrschluss bedeutet
das, dass dieser eine logische 1

34
00:02:45.000 --> 00:02:50.000
ausgeben würde, beziehungsweise eben hier
die Versorgung von fünf Volt.

35
00:02:50.000 --> 00:02:54.000
Die Spannungssorge. Die Haarbrücke wiederum
bekommt diese logische 1 und

36
00:02:54.000 --> 00:03:00.000
entscheidet über die Polarität, die am Motor
angelegt wird. In dem Fall würde

37
00:03:00.000 --> 00:03:05.000
hier ein positiver Pegel angelegt werden und
hier ein negativer beziehungsweise

38
00:03:05.000 --> 00:03:11.000
Ground-Pudding-Zahl. In der Folge würde der
Motor sich hier im Ozeigersinn

39
00:03:11.000 --> 00:03:15.000
drehen, das entsprechende nächste Getrieberat
genau entgegengesetzt und

40
00:03:15.000 --> 00:03:21.000
resultierend am Ausgang unseres Servomotors
würde es sich wieder hier im

41
00:03:21.000 --> 00:03:25.000
Ozeigersinn bewegen. Durch die Bewegung des
Getriebes am Ausgang wird das

42
00:03:25.000 --> 00:03:29.000
gekoppelte Potentiometer beziehungsweise der
Widerstandswert des Potentiometers

43
00:03:29.000 --> 00:03:36.000
geändert. In dem Fall würde sich hier der
Abgriff weiter am Rutszeigersinn

44
00:03:36.000 --> 00:03:43.000
bewegen. Dementsprechend wird der Widerstand
vergrößert und in der Folge,

45
00:03:43.000 --> 00:03:48.000
wenn der Widerstand sich vergrößert, wird
auch die Spannung, die dort über

46
00:03:48.000 --> 00:03:53.000
den Widerstand abfällt, letztendlich vergrößert.
Das heißt, unsere 2,5

47
00:03:53.000 --> 00:03:57.000
Volt, die hier bei den Portionierter Abfallen
verändern sich und werden

48
00:03:57.000 --> 00:04:01.000
größer. Dieses wird wiederum zurückgekoppelt
zu unseren

49
00:04:01.000 --> 00:04:04.000
ursprünglichen Eingang des Operationsverstärkers.

50
00:04:04.000 --> 00:04:09.000
Die 2,5 Volt vergrößern sich so lange, bis
die 4 Volt erreicht werden und

51
00:04:09.000 --> 00:04:13.000
dementsprechend der OPV hier umschalten wird.
Das heißt, wir hätten jetzt eine

52
00:04:13.000 --> 00:04:20.000
Rotation nach rechts am Servomotor. Wenn wir
aber im Gegenteil sozusagen hier am

53
00:04:20.000 --> 00:04:25.000
Ziel wert eine niedrigere Spannung als die
2,5 Volt, die wir in der

54
00:04:25.000 --> 00:04:30.000
Ausgangsposition haben, anlegen, dann ist der
positiven Eingang wesentlich geringer

55
00:04:30.000 --> 00:04:34.000
als der negative Eingang. In der Folge wird
der Operationsverstärker eine Null

56
00:04:34.000 --> 00:04:41.000
ausgeben beziehungsweise Crown Potential. Die
Haarbrücke wüsste, dass sie jetzt

57
00:04:41.000 --> 00:04:45.000
die Polarität am Motor umkehren muss. Das
heißt, sie gibt hier einen positiven

58
00:04:45.000 --> 00:04:51.000
Pegel aus und hier einen negativen Pegel. Die
Rotation des Motors ändert sich,

59
00:04:51.000 --> 00:04:57.000
diesmal gegen den Urzeigersinn. Das zweite
Zahnrad dreht sich im Urzeigersinn

60
00:04:57.000 --> 00:05:03.000
und letztendlich der Ausgang unseres Servomotors
dreht sich ebenfalls gegen

61
00:05:03.000 --> 00:05:08.000
den Urzeigersinn. Jetzt ist es so, dass das
Potentiometer sich genau in die

62
00:05:08.000 --> 00:05:13.000
gegengesetzte Richtung bewegt. Dementsprechend
wird der Widerstand, den

63
00:05:13.000 --> 00:05:20.000
wir dort messen, verringert. und in der Folge
eben auch die Spannung, die über

64
00:05:20.000 --> 00:05:26.000
den Widerstand abfällt. Dieses wird wiederum
zurückgemeldet zu unserem OPV

65
00:05:26.000 --> 00:05:32.000
und die 2,5 Volt vorringen sich so lange, bis
die Einwollt erreicht werden und

66
00:05:32.000 --> 00:05:37.000
dementsprechend der Zielwert umgesetzt ist.
Jetzt sind wir immer davon

67
00:05:37.000 --> 00:05:42.000
ausgegangen, dass wir grundsätzlich hier Zielspannungen
anlegen. Jetzt ist es aber

68
00:05:42.000 --> 00:05:45.000
so, dass wir ja nicht unbedingt immer eine
Spannung direkt anlegen können,

69
00:05:45.000 --> 00:05:49.000
sondern eventuell aus mechanischen Vorgängen
diese Vorgaben holen wollen

70
00:05:49.000 --> 00:05:52.000
oder auch mit einem Mikrocontroller im Form
von Programmierung.

71
00:05:52.000 --> 00:05:56.000
Bei einer mechanischen Variante könnten wir
beispielsweise wiederum ein

72
00:05:56.000 --> 00:06:00.000
Potentiometer einsetzen, ähnlich wie wir es
hier trüben sozusagen als Sensor

73
00:06:00.000 --> 00:06:04.000
haben. Hier jetzt mal in der Darstellung in
der geraden Form, ja grundsätzlich

74
00:06:04.000 --> 00:06:07.000
ist natürlich auch ein rundes Potentiometer
hier denkbar.

75
00:06:07.000 --> 00:06:11.000
Wenn wir das Portionmeter ganz einfach hier
mit Ground und der

76
00:06:11.000 --> 00:06:17.000
Versorgungsspannung von 5V beaufschlagen, können
wir durch Verschieben des

77
00:06:17.000 --> 00:06:21.000
Schleifers letztendlich diese Spannung hier
erzeugen. In dem Fall, wenn wir hier

78
00:06:21.000 --> 00:06:26.000
von diesem Grundfall ausgehen würden, und
das Ganze hier als Säuwert verbinden

79
00:06:26.000 --> 00:06:32.000
würden, hätten wir in diesem Fall wieder
diese 2,5 Volt anliegen, ähnlich

80
00:06:32.000 --> 00:06:36.000
wie es hier drüben bei unseren Sensorpotenziummetern
ist.

81
00:06:36.000 --> 00:06:40.000
Das heißt, in dem Fall würde keine Rotation
am Motor stattfinden und der

82
00:06:40.000 --> 00:06:46.000
Servo würde sich nicht bewegen. Wollen wir
jetzt wiederum, dass wir sozusagen

83
00:06:46.000 --> 00:06:51.000
den Servo nach links bewegen, müssten wir
diesen Anker ebenfalls hier nach

84
00:06:51.000 --> 00:06:56.000
links bewegen. In der Folge wird es sich wiederum
der Widerstand verringern, die

85
00:06:56.000 --> 00:07:01.000
Spannung wird es sich verringern und wir könnten
beispielsweise unseren Zielwert

86
00:07:01.000 --> 00:07:07.000
von 1 Volt einstellen. Der Motor würde dann
letztendlich das Getriebe antreiben,

87
00:07:07.000 --> 00:07:11.000
das Potentiometer würde sich in Richtung des
Zielwerts bewegen und wir würden

88
00:07:11.000 --> 00:07:14.000
letztendlich unsere gewünschte Positionierung
erreichen.

89
00:07:14.000 --> 00:07:19.000
Im Umkehrschluss funktioniert das Ganze natürlich
auch, wenn wir hier einen

90
00:07:19.000 --> 00:07:24.000
höheren Wert angeben würden bzw. den Widerstand
unseres Potentiometers

91
00:07:24.000 --> 00:07:30.000
erhöhen würden. Dementsprechend würde die
Spannung auch erhöht werden,

92
00:07:30.000 --> 00:07:35.000
beispielsweise Richtung 4 Volt, unseren Zielwert.
und dementsprechend würde dann

93
00:07:35.000 --> 00:07:40.000
unser Servomotor sich im Ohrzeigersinn nach
rechts bewegen.

94
00:07:40.000 --> 00:07:44.000
Das wäre die Möglichkeit, über die mechanische
Steuerung in der Praxis

95
00:07:44.000 --> 00:07:47.000
bedeutet das, dass wir hier ein Potentiometer
hätten und die

96
00:07:47.000 --> 00:07:51.000
Drehstellung, die wir dort einstellen, eins
zu eins von unserem Servomotor

97
00:07:51.000 --> 00:07:54.000
übernommen wird. Eine andere Möglichkeit,
um unseren Säulwert

98
00:07:54.000 --> 00:07:59.000
vorzugeben, wäre die Verwendung der sogenannten
Pulsweitmodulation.

99
00:07:59.000 --> 00:08:02.000
Die pulsweiten Modulation kann man wesentlichen
verwenden, um mittels

100
00:08:02.000 --> 00:08:07.000
digitalen Ausgaben-Analuge-Werte zu imitieren.
Typischerweise verwendet man

101
00:08:07.000 --> 00:08:11.000
dafür zum Beispiel Mikro-Kontrolle oder andere
Komponenten und hier in dem Fall

102
00:08:11.000 --> 00:08:16.000
mit einer Kombination des Digital-Analog-Converters,
der hier in

103
00:08:16.000 --> 00:08:20.000
unserem Fall tatsächlich auch ein Verstärkungsfaktor
von 10 mit drin hat.

104
00:08:20.000 --> 00:08:25.000
Wir werden gleich sehen, warum. Wenn wir von
Servomotoren ausgehen, die im

105
00:08:25.000 --> 00:08:28.000
Modellbaubereich oder auch bei unseren Spindroboter
verwendet werden, da sind es

106
00:08:28.000 --> 00:08:33.000
hinter Regel für die Pulsweite Modulation
eine Periodendauer von 20

107
00:08:33.000 --> 00:08:36.000
Millisekunden vorgegeben.

108
00:08:36.000 --> 00:08:42.000
Der tatsächliche Impuls, der dann ausgegeben
wird, ist aber nur ein

109
00:08:42.000 --> 00:08:49.000
Bruchteil dieser 20 Millisekunden. Und zwar
ist dieser minimal 0 Millisekunden

110
00:08:49.000 --> 00:08:54.000
lang, also quasi keinen Impuls, und maximal
2 Millisekunden lang.

111
00:08:54.000 --> 00:08:59.000
Ein Umkehrschluss bedeutet das, wenn wir jetzt
einen Puls von zwei Millisekunden

112
00:08:59.000 --> 00:09:06.000
hätten bei 20 Millisekunden maximaler Periodendauer,
dann würde letztendlich

113
00:09:06.000 --> 00:09:11.000
die resultierende Spannung nur einem Zehntel
der angelegten Spannung hier von

114
00:09:11.000 --> 00:09:15.000
fünf Volt entsprechen. Das heißt, wir würden
letztendlich über die pulsweiten

115
00:09:15.000 --> 00:09:21.000
Modulation eine Spannung von 0,5 Volt letztendlich
messen können.

116
00:09:21.000 --> 00:09:25.000
Naja, und wenn wir dort letztendlich einen
Puls ausgeben, der gar nicht

117
00:09:25.000 --> 00:09:29.000
vorhanden ist, also quasi gegen 0 gilt, dann
würde auch die Spannung hier eben

118
00:09:29.000 --> 00:09:35.000
gegen 0 gehen. In der Praxis bedeutet das,
wenn wir beispielsweise genau die

119
00:09:35.000 --> 00:09:40.000
Mittelstellen unserer Servomotors erreichen
wollen, dann müssten wir im

120
00:09:40.000 --> 00:09:45.000
Endeffekt wieder unsere 2,5 Volt einem OPV
als Solwert vorgeben.

121
00:09:45.000 --> 00:09:50.000
Und um das zu erreichen, müssten wir sozusagen
genau die Hälfte der

122
00:09:50.000 --> 00:09:56.000
Pulsbreite, der Pulsbreitemodulation hier vorgeben,
also in dem Fall eine

123
00:09:56.000 --> 00:10:04.000
Millisekunde. und das Ganze dann ergibt 0,25
Volt. Das Ganze würde dann in etwa

124
00:10:04.000 --> 00:10:09.000
so aussehen, einen gewissen Zeit hätten wir
ein High-Pegel und die restliche Zeit

125
00:10:09.000 --> 00:10:14.000
der Period dauern Low-Pegel. Also genau dieser
Pegel hier wäre für eine

126
00:10:14.000 --> 00:10:19.000
Millisekunde vorgegeben und würde sich natürlich
hier hinten periodisch

127
00:10:19.000 --> 00:10:23.000
wiederholen. In der Folge ist die Spannung,
die hier quasi virtuell von

128
00:10:23.000 --> 00:10:28.000
unserem Mikrocontroller ausgegeben wird, 0,25
Volt.

129
00:10:28.000 --> 00:10:33.000
Und unsere Digitalanalogkonverter würde das
Ganze umsetzen und gleichzeitig noch

130
00:10:33.000 --> 00:10:37.000
per Faktor 10 verstärken. Und somit hätten
wir letztendlich hier mein

131
00:10:37.000 --> 00:10:44.000
Ergebnis unsere 2,5 Volt. Wollen wir nun unseren
Servomotor nach links oder rechts

132
00:10:44.000 --> 00:10:48.000
bewegen, müssten wir dementsprechend natürlich
auch den Pegel hier

133
00:10:48.000 --> 00:10:53.000
verändern. Sagen wir, wir würden Richtung
1 Volt wiedergehen wollen, also

134
00:10:53.000 --> 00:10:58.000
eine Rotation nach links ausführen. Dann müsste
unsere Pulsbreite sich hier

135
00:10:58.000 --> 00:11:03.000
weiter verringern und wollen wir eine Rotation
nach rechts ausführen.

136
00:11:03.000 --> 00:11:10.000
Dann müsste sich unsere Pulsweite in Umkehrschluss
hier eben. verbreitern.

137
00:11:10.000 --> 00:11:16.000
Das Ganze aber wie gesagt maximal von 0 bis
2 Millisekunden, wobei die

138
00:11:16.000 --> 00:11:19.000
Periodendauer mit 20 Millisekunden angegeben
ist.

139
00:11:19.000 --> 00:11:24.000
Jetzt haben wir grundsätzlich uns den Servo
angeguckt und haben zwei typische

140
00:11:24.000 --> 00:11:28.000
Methoden kennengelernt, um eben den Säuwert
vorzugeben. Einmal über das

141
00:11:28.000 --> 00:11:33.000
Potentiometer, wenn wir beispielsweise eine
mechanische Vorgabe haben oder wenn

142
00:11:33.000 --> 00:11:38.000
wir eine programmatische Vorgabe machen wollen,
mittels Programmierung, können

143
00:11:38.000 --> 00:11:42.000
wir beispielsweise einen Mikrocontroller mittels
der pulsweiten Modulation nutzen,

144
00:11:42.000 --> 00:11:48.000
um den Säuwert vorzugeben. Jetzt wissen wir
grundsätzlich, wie die Servomotoren

145
00:11:48.000 --> 00:11:50.000
funktionieren, die unseren kleinen Spinnroboter
hier antreiben.

146
00:11:50.000 --> 00:11:54.000
Das einzige, was jetzt noch fehlt, ist, wie
teilen wir den Spinnroboter mit, was

147
00:11:54.000 --> 00:11:58.000
er machen soll und wie er sich bewegen soll.
Und dazu kommen wir zum nächsten

148
00:11:58.000 --> 00:12:00.000
Mal, wenn wir dann die Mikroprozessorprogrammierung

149
00:12:00.000 --> 00:12:01.000
durchführen.