Drehmomentsensor Eigenbau v5

Diskutiere Drehmomentsensor Eigenbau v5 im Controller/Regler, Fahrerinformation, Elektronik Forum im Bereich Diskussionen; Hallo Zusammen, mich hat mal wieder die Bastelwut gepackt ;). Inspiriert vom Sempu-Sensor, der die Biegung der Tretlagerachse per DMS misst und...
Hochsitzcola

Hochsitzcola

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Hallo Zusammen,

mich hat mal wieder die Bastelwut gepackt ;). Inspiriert vom Sempu-Sensor, der die Biegung der Tretlagerachse per DMS misst und berührungslos überträgt, habe ich einen Sensor aufgebaut, der das Tretmoment am Kettenblatt (oder Wahlweise auch am Kurbelarm) misst und drahtlos überträgt.

Basis ist ein China- Wireless Charging Modul das der Elektronik auf der Kettenblattseite die üblichen 5V zur Verfügung stellt. Hier wird das Drehmoment per DMS erfasst, verstärkt und per µC in eine Folge von Strompulsen umgewandelt. Die Pulsfrequenz ist proportional zum Drehmoment.
Diese Strompulse werden auf der rahmenfesten Primärseite per Komparator detektiert und können dann in einem Precontroller (wie dem FC, dem ToPPCon oder CA) zur Ansteuerung des Motors genutzt werden.

Im Video sieht man, wie die LED (auf Sekundärseite, die ist eigentlich überflüssig) langsamer blinkt (bzw. flackert, die Pulsfrequenz liegt zwischen ca. 20 und 500 Hz), wenn das Drehmoment steigt.


Auf dem Detailbild ist der Luftspalt zwischen Primär- und Sekundär-Spule zu erkennen.

Das Ganze ist sehr hemdsärmelig auf der Werkbank aufgebaut, aber es funktioniert :)

Die Sekundärseite müsste man mit SMD aufbauen (und wetterfest vergießen), damit der Aufbau zwischen Kettenblatt und Rahmen passt, ohne eine längere Tretlagerachse einbauen zu müssen.

Das Ganze hat den Charme, daß man auch bei Mittelmotoren, bei denen die DMS dann auf den Kurbelarm müssen, eine Nachrüstlösung für eine zur menschlichen Leistung proportionalen Motoransteuerung anbieten kann.

Gruß
hochsitzcola
 

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Hochsitzcola

Hochsitzcola

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Heute habe ich die Primärseite noch vom Breadboard auf Lochraster übertragen. Anbei ein paar Fotos.
Bei 5V Versorgungsspannung zieht der Sensor im eingebauten Zustand knapp 200mA . Der Wirkungsgrad ist auf der Werkbank, ohne den ganzen Stahl drumrum, deutlich besser. Da zieht er nur knapp 100mA, mit einem Ferritkern in der Spule sogar nur ca 60mA.
Ich habe schon überlegt, ob ich mir eine größere Primärspule wickle, die über die Sekundärspule drüber passt. Das würde die Platznot zwischen Kettenblatt und Rahmen weiter entspannen und wahrscheinlich auch einen besseren Wirkungsgrad haben. Ich habe aber noch nie selber Spulen gewickelt und weiß nicht so recht, wie ich die Windungen an Ort und Stelle halten soll. Erst wickeln und dann Klebstoff drüber kippen? Den Draht mit Klebstoff benetzen und dann wickeln?! Hat da jemand einen Tipp?

Gruß
hochsitzcola
 

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Hochsitzcola

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Prima Plan, aber gibt es einen Spulenkörper mit 40mm Innendurchmesser, ca. 48mm Aussendurchmesser und ca 2mm Breite?!
Die Materialstärke des Kunststoffkörpers nimmt auch wieder unnötig Raum, die Spulen, die dabei sind, sind auch nur irgendwie verklebt, ohne Gehäuse...

Gruß
hochsitzcola
 
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ghupft_wia_ghatscht

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Hab ich auch noch nie gemacht, aber ich würds vielleicht so angehen, dass ich mir einen zerlegbaren Spulenkörper aus schwer klebbarem Polyamid oder ähnlichem fertige und diesen mit dünner Plastikfolie oder Tixo auskleide.

Dann wickeln und wenn fertig warmen Uhu Plus (wird dabei recht dünnflüssig) reinfliessen lassen - oder mit dünnem Sekundenkleber und Aktivator rumpatzen.
Am ende hättest eine selbsttragende Spule mit etwas dünnem Plastik rundum.
 
Hochsitzcola

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So, obwohl ich eigentlich Metaller bin, habe ich mich zum Bau einer Wickelvorrichtung für's Drechseln entschieden, das hat mich ein Buchenholzscheit vom Wintervorrat gekostet :)
Bei der Wahl eines geeigneten Klebstoffs habe ich drei Anläufe gebraucht:
1. Versuch: Epoxy Gießharz - viel zu Spröde, das Harz ist in kleinen Bröckchen vom Draht abgefallen
2. Versuch: Cyanacrylat ("Sekundenkleber") - gleiches Ergebnis, kleine Bröckchen die wegbröseln
3. Versuch: primitiver Holzleim - Erfolg!

Elektrisch leider kein Erfolg. Die Spule funktioniert zwar, braucht aber noch mehr Strom (schon im Leerlauf, ohne irgenwas in der Nähe). Ich habe keine Ahnung, ob die Verschlechterung an der veränderten Induktivität, anderem Drahtwerkstoff, geringfügig anderer Drahtlänge .... liegt.
Die Original-Spule hat 15 Wicklungen, 5 übereinander, 3 nebeneinander. Ich habe 2 übereinander und 7 nebeneinander gewickelt, da die Spulen ja jetzt koaxial übereinander stehen, nicht mehr stirnseitig nebeneinander.

Wie die Induktivität bei so einer Spulengeometrie berechnet werden kann, entzieht sich meiner Kenntnis, die übliche Formel bezieht sich ja auf l>>r. Ich werde mal bei mikrocontroller.net nachfragen, vielleicht findet sich da ein Experte.

Gruß
hochsitzcola
 

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lemuba

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Ich habe eine undichte Promax Teichpumpenabzweigdose in Kerzenwachs (im Topf geschmolzene Teelichter) eingegossen.
Hält mit allen Kabeleinlässen seit 5 Jahren in 2m Wassertiefe dicht und der FI springt nicht mehr raus - lässt sich dann notfalls auch wieder mit einer Heißluftpistole auf kleinster Stufe einschmelzen um an die Klemmungen ranzukommen.

Oder vielleicht Flüssiggummi (Plasti Dip?)
 
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Christian

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[...] Induktivität bei so einer Spulengeometrie [...]
Probier mal

L = µ0 * r * w² * [(1 + 3/16 * a²/r²) * ln(8r/a) - (2 + a²/16r²)]

µ0 = 4 * pi * 10^-7 Vs/Am
r = (ra + ri) / 2
a = 0.2235 * (ra - ri + l)

w = Windungszahl
ra = Spulenaußenradius in m
ri = Spuleninnenradius in m
l = Spulenlänge (axiale Richtung) in m

Drahtlänge, Drahtdurchmesser und Frequenz wären noch interessant.

Gruß,

Christian
 
Hochsitzcola

Hochsitzcola

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Vielen Dank! Wie kommst du auf diese Nährerungsformel?! Ist die extra für Luftspulen mit einem r>>l ?!
Ich hatte gestern abend auch schon mal stark vereinfacht gerechnet und bin zum Schluß gekommen, daß das schon grob hinkommt, mit der Stromerhöhung.
http://www.mikrocontroller.net/topic/408080
Die Frequenz habe ich noch mal per Multimeter gemessen, das sagt 58,7 kHz, ich muß mein Ozsi neu kalibrieren...
Ich hatte eigentlich vor, per trial and error eine neue Spule mit mehr Windungen zu wickeln. Mit der Formel kann ich jetzt versuchen, gezielt die richtige Windungszahl für eine Spule mit der gleichen Induktivität wie die Originale zu ermitteln.

Gruß
hochsitzcola
 
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Christian

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Wie kommst du auf diese Nährerungsformel?! Ist die extra für Luftspulen mit einem r>>l ?!
Das ist die Formel für endlich lange, mehrlagige Luftspulen von Rosa/Grover. Dabei ist a der "mittlere geometrische Abstand" nach Maxwell. In der obigen Formel ist mit a = 0.2235 * (ra-ri + l) eine Näherung für den mgA angegeben, die nur für bestimmte Seitenverhältnisse des rechteckigen Leiterbündelquerschnitts gilt (1:1 bis 20:1).

Nach Frequenz (sorry, überlesen) und Drahtdurchmesser hatte ich gefragt, um einschätzen zu können, ob die Widerstandserhöhung durch Stromverdrängung (Skineffekt) bei Deiner selbstgewickelten Spule berücksichtigt werden muss.

Ich habe mich bisher noch nicht mit diesen drahtlosen Lademodulen beschäftigt, daher kann ich nicht einschätzen, ob Du auf eine gleiche Induktivität angewiesen bist. Kannst Du den Abstand (und damit die Kopplung) variieren?

Gruß,

Christian
 
Hochsitzcola

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Der Draht ist 0,5mm dick. Das China-Modul arbeitet immer bei der gleichen Frequenz, sollte nach meiner laienhaften Interpretation also nicht auf Resonanz angewiesen sein. (siehe auch Thread bei Mikrocontroller.net)
Ich habe jetzt mal nach der Formel gerechnet. Nach der sollte die neue Spule eine höhere Induktivität haben, dann müsste der Strom aber sinken ?!

Ich habe den Verdacht, daß sich in der Orginalspule noch 2*4 Wicklungen zwischen den 3*5 verstecken, in der Breite hat das Drahtpaket 1,8mm, das passt ja noch ganz gut zu den 3*0,5mm Drahtstärke, die Paketdicke ist aber 4,2mm, was deutlich nicht zu 5*0,5mm passt. Mit 23 Windungen gerechnet hätte die Originalspule eine doppelt so hohe Induktivität, wie meine Selbstgewicktelte, das würde zu den Stromaufnahmen passen.
Ich werde jetzt eine neue Spule mit 20 Windungen wickeln, nach der Formel sollte die dann eine sehr ähnliche Induktivität habe wie die Originale.

Gruß
hochsitzcola
 

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Christian

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Der Draht ist 0,5mm dick
Bei 58,7 kHz hast Du in Kupfer bei Raumtemperatur eine Eindringtiefe von 0,275 mm. Der Draht ist also gerade noch ausreichend fein (für einen sinusförmigen Strom!).

Ich habe gerade aus Neugier mal die einhundert Jahre alte Rosa/Grover-Formel mit einer FEMAG-Rechnung überprüft.

feld.png
induktion.png


Das Ergebnis für eine Anordnung ri = 8 mm, ra = 12 mm, l = 2 mm, w = 8:

Formel: L = 1,69 µH
Finite-Elemente: L = 1,68 µH

Beeindruckend, was damals so ganz ohne Computer schon möglich war ...

Das Skript kann ich Dir bei Bedarf zur Verfügung stellen, falls Du selbst mal spielen willst (andere Geometrie, rechnerische Experimente mit Ferrit etc.).

Gruß,

Christian
 
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Christian

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Ja, die Rechnung habe ich mit FEMAG-DC-public gemacht.

Gruß,

Christian
 
Hochsitzcola

Hochsitzcola

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Das Skript kann ich Dir bei Bedarf zur Verfügung stellen
Gerne! Ich hab mal in die ersten 20 Seiten des FEMAG-Handbuchs reingelesen und dann beschlossen, daß learning by doing wohl (hoffentlich) einfacher ist.

Die neue Spule mit 24 Windungen (8 nebeneinander, 3 übereinander) ist fertig. Mit der zieht das Modul im Ruhestrom jetzt 30mA. Eigentlich sollten es nur 21 Windungen werden, ich habe aber pro Lage wohl eine Windung mehr gemacht...

Egal, es funktioniert und hat so weniger Stromaufnahme als mit der originalen Primärspule :)

Gruß
hochsitzcola
 

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Christian

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Schönes Ergebnis.

Ich hab mal in die ersten 20 Seiten des FEMAG-Handbuchs reingelesen und dann beschlossen, daß learning by doing wohl (hoffentlich) einfacher ist.
Mit der Einschätzung liegst Du definitiv richtig. :D

Du kannst Dir aussuchen, ob wir hier weitermachen wollen, oder ob ich zum Thema "Feldrechnung mit FEMAG" einen neuen Faden aufmachen soll. Ich kommentiere das Skript noch etwas und lade es dann nachher hoch.

Gruß,

Christian
 
Hochsitzcola

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Du kannst Dir aussuchen, ob wir hier weitermachen wollen
Für mich wäre hier erst mal das Ende des Projektes erreicht. Von daher würde das Thema besser in einen neuen Thread passen.

Wenn sich im Forum ein kleines Team findet, das die Idee mit dem Sensor in ein am richtigen Fahrrad funktionierendes System weiterentwickeln möchte, können wir die Feldrechnung gern hier weiterdiskutieren. In dem Falle würde ich Schaltpläne und Quellcode zur Verfügung stellen. Platinenlayout und SMD ist nicht so mein Ding :).

Gruß
hochsitzcola
 
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Pöhlmann

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Kettler Obra NX8 (Panasonic NUA028D, 26V)
Ich habe eine undichte Promax Teichpumpenabzweigdose in Kerzenwachs (im Topf geschmolzene Teelichter) eingegossen.
Am Rande: Das klappt in einem Teich vermutlich recht gut, aber am Pedelec könnten in der Sonne 50°C gelegentlich mehr oder weniger deutlich gerissen werden. Im Winterhalbjahr spielt das hierzulande aber keine Rolle. :D
 
Hochsitzcola

Hochsitzcola

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Ich habe die neue Spule heute in das Tretlager aus dem ersten Post eingebaut.
So zieht der Aufbau 170mA im Vergleich zu den 200 mA mit der Original-Spule.
Aus Interesse habe ich mal ein "Ferritblatt" von den Spulen, die ich von dem Pollin-Set habe, zwischen Spule und den Rahmen geschoben. Damit sank sie Stromaufnahme auf deutlich unter 100mA. Das hilft also gewaltig... Allerdings sind die Preise für diese "Sintered Ferrit Sheets" jenseits von gut und böse :eek:.
Wenn jemand eine Quelle kennt, wo die Dinger nur ein Zehntel kosten....

Gruß
hochsitzcola
 

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Thema:

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