Projektbericht: PLL-Regelung eines DC-Motors mittels Arduino Nano

"Es gibt nichts Misslungenes, nur zu früh Aufgegebenes", so soll irgendein berühmter Schlauberger mal gesagt haben. Vor über einem Jahr hatte ich bereits versucht, eine PLL-Motorregelung für einen DC-Motor für einen Plattentellerantrieb zu konstruieren. Darüber hatte ich damals auch hier im Forum berichtet. Jetzt habe ich das Thema nochmals aufgenommen, und dieses mal ist es gelungen. Ich möchte Euch daher eine etwas ausführlichere Bildergeschichte von diesem Projekt präsentieren.

Übrigens: ich setze im Plattenspieler-Forum einen kurzen Beitrag mit einem Link auf diesen Beitrag hier, vielleicht könnte es dort auch Manchen interessieren, der sonst nicht hier vorbei kommt.

Nun, es geht los:

Der 1. Anlauf



Da war dieser schöne alte Plattenspieler. Reichlich defekt hatte er lange Jahre im Keller eines Freundes überlebt. Die Anschlüsse des Motors waren allerdings komplett wegkorrodiert, Thorens hätte bei den feinen Drähten säurefreies Flussmittel nehmen sollen. Dem Plattenteller nebst Lagerbuchse – gestern hatte er, wie man sieht, Geburtstag und ist 45 Jahre alt geworden – hat das alles nichts ausgemacht. Er befindet sich sozusagen in den besten Jahren. Deshalb sollte er einen schönen neuen Antrieb bekommen, PLL-geregelt, versteht sich.



Natürlich sollte die Ist-Information für die Drehzahl berührungslos und dort, wo die einzig korrekte Stelle ist, nämlich am Plattenteller selbst, abgenommen werden. Eine Reflektorlichtschranke war schnell zusammengebaut und getestet. Die untere, die in Messingblech verpackte sollte durch die Neigung gegeneinander besser fokussieren, was sich aber als eher kontraproduktiv herausstellte. Die Ausrichtung in einer Ebene liefert ein besseres Signal



Eine per Laserdrucker auf Folie gedruckte Stroboskopscheibe, auf einer CD befestigt, liefert das Signal, die Reflexions-Lichtschranke sitzt fest auf dem Subchassis. Das Stroboskop ist mittels dreier M3-Schraubbolzen befestigt, die in den Innenteller eingeklebt wurden. Ein bisschen Platz zum Zentrieren habe ich auch gelassen, . Das funktionierte alles auf Anhieb. Mit 2,3 kOhm Vorwiderstand am Sender und 4,7 kOhm am Empfänger erhalte ich eine Amplitude von ca 3,5 bis 4V pp, bei Ub=9V. Bei exakt 100 Hz ist dann die Solldrehzahl erreicht.

Leider hielt die Freude nicht allzu lange an. Es zeigte sich, dass das Material der Reflektor-CD zerbröselte und trotz ebener Auflage Spannungsrisse bekam wie eine dünne Eisschicht im Frühling.



Der Motor ist von Dual, einer von der Sorte, die neben den + / - Anschlüssen noch zwei Pins für einen einstellbaren Widerstand haben, mit dem man die Drehzahl in weiten Bereichen regulieren kann. Das ergibt, je nach Ausführung, eine eher bescheidene als erstklassige Drehzahlkonstanz, die aber deutlich besser ist als den Motor einfach mit konstanter Spannung zu versorgen. Motor-gegen-EMK erzeugt Regelspannung. Eine Standardlösung für unzählige Platten- und Kassettenspieler damals. Ich habe eine Motorhalterung dazu gefertigt, die mit drei recht elastischen Gummipuffern befestigt ist. Diese verrichteten in ihrem vorigem Leben in einem CD-Walkman ihre höchst elastischen Dienste. Das Motörchen wurde damit komplett unhörbar. Zu den schwarzen Flügelchen auf der Riemenscheibe kommen wir später.



Die erste PLL-Regelschaltung. Die Grundidee war, einen J-FET als steuerbaren Widerstand über ein entsprechendes Widerstandsnetzwerk an diesen Motorsteuer-Anschluss anzuklemmen. Der FET wiederum erhält seine Steuerspannung vom Phasenvergleicher des bewährten PLL-ICs 4046. Als Frequenz-Referenz diente erst einmal ein externer, quarzgenauer DDS-Generator. Mit ein paar Versuchen mit der Zeitkonstante und der Regelverstärkung sollte sich dann bald die PLL-Kopplung mit dem Referenzgenerator ergeben.Im Prinzip funktionierte das auch, mit einem 2. Generator anstelle des Inputs von der Reflektorscheibe konnte ich astrein nachweisen, dass alles richtig gedacht war. Allerdings – praktisch konnte ich auch mit vielen Versuchen nur kurzfristige und sehr instabile Synchronisation erreichen.



Klar, eine Messmöglichkeit jenseits von Oszilloskop und Strobo-Scheibe musste her. Mit der Soundkarte ist schon mal eine prima Hardware dafür gegeben. Leider bietet Audacity zwar vielfältige Auswertungen in seinen Plugins, ein Programm für eine exakte Frequenz-Demodulation habe ich aber dort nicht gefunden.

Also habe ich selbst eines programmiert. Der „Sound“ von der Strobo-Scheibe wird aufgenommen und als WAV-Datei gespeichert. Diese wird in einem Pascalprogramm gelesen und dann anhand der Nulldurchgänge analysiert. Die einzelnen Samples liegen als 2-Byte-Integer vor, immer abwechselnd linker und rechter Kanal, wie lang der Header ist, hatte ich auch schnell ermittelt, schließlich ist das Format hinreichend dokumentiert.

Wenn nun ein Sample größer gleich 0 ist, UND das vorhergehende kleiner war, dann haben wir einen 0-Durchgang. Der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen 0-Durchgängen ergibt sich aus der Anzahl der Samples von einem zum nächsten 0-Durchgang.

Ich setze bei der Ermittlung der Periodendauer zwischen zwei 0-Durchgängen aber nicht nur auf die Anzahl der Sample, sondern bestimme auch den genauen Zwischenwert. Annahme: Der Signalverlauf zwischen dem Sample unter und dem über (oder auf) der Null-Linie bildet eine Gerade, was weitestgehend stimmen dürfte. Dann lässt sich aus den Werten der beiden Samples mit simpler Dreiecks-Berechnung der genaue Schnittpunkt mit der Null-Linie berechnen, und zwar als Real-Wert (bzw. Double). Es trifft sich gut, dass die Samples im WAV-File als Integer-Werte vorliegen, denn damit entfällt die Fehlerquelle, dass Werte bei der Abfrage „durch die Lappen“ gehen könnten.

Das Programm bietet nach Eingabe des Dateinamens und Auswahl linker / rechter Kanal außerdem die Möglichkeit, beliebig viele 0-Durchgänge jeweils zu einem einzigen Wert zusammenzufassen, was die Datenmenge reduziert und die Genauigkeit erhöht. Ausgegeben werden die Zeit seit Beginn der Messung und die Dauer seit dem letzten ausgewertetem 0-Durchgang jeweils als ein Werte-Paar.

Dass das Verfahren völlig korrekt funktioniert, konnte ich anhand von im Soundeditor selbst generierten Signalen und auch mit externem Generator verifizieren.



So, nun endlich ein paar konkrete Anmerkung zu den Kurven. Aufgenommen wurde die Strobo-Scheibe, auf der Y-Achse sehen wir die Abweichung vom Soll-Wert 100. Es wird hier also jeder 0-Durchgang ausgewertet. Die X-Achse ist auf 1,8 sec. skaliert, was genau einer Umdrehung entspricht. Damit wird sehr deutlich, wie sich die Ungenauigkeit der Strobo-Scheibe pro Umdrehung wiederholt. Mit anderen Worten: Das Ding eiert wie sonstwas. Rein optisch, bei Beleuchtung und mit dem bloßen Auge betrachtet, wird das aber nicht klar.

Es wird auch verständlich, wie in dem enormen Streufeld der Messwerte eine PLL kaum Fuß fassen konnte. (Die schwarze Durchsnittslinie ist rein rechnerisch ermittelt) Ich habe dann noch ein paar weitere Versuche gemacht, die Strobo-Scheibe zu verbessern, neu zu justieren, von einem Kopier-Center ausdrucken zu lassen, mehrere Strobo-Ausdrucke spiegelverkehrt übereinander zu legen – ALLES MURKS! Der beste Versuch war der untere, er wurde ein bisschen nach unten verschoben, damit es sich das nicht überlagert.



Endlich wieder ein Bild! Zwei Messungen, diesmal gleichzeitig als Stereoaufnahme von der Strobo-Scheibe und dem Antriebsmotor aufgenommen. So tragisch erscheint es gar nicht, wenn man nur den Motor und nicht den Plattenteller kontrolliert, es gibt keinen nennenswerten Schlupf. Was anderes bleibt auch gar nicht mehr übrig, da ich nicht weiß, wo ich eine Präzisions-Stoboscheibe hernehmen könnte.



Und jetzt wird auch der Sinn der schwarzen Flügelchen deutlich. Gabellichtschranke liest die aktuelle Drehzahl mit. Eine kleine Überraschung für mich war aber das Verhältnis der Drehzahlen von Teller und Motor, er hätte dem Verhältnis der Durchmesser von Antriebsscheibe und Innenteller entsprechen müssen. So dachte ich. Tatsächlich gibt es eine Abweichung von ca. 7%. Mittels angestrengten Nachdenkens kam ich dann darauf, dass der effektive Durchmesser für den Antrieb nicht an den Oberflächen der Scheiben liegt, sondern irgendwo im inneren des Flachriemens liegt, der die Antreibsscheibe umschlingt. Damit stimmts.

Genug – hoffe, es hat Euch bis hierher interessiert. Wie Ihr seht, sind wir noch längst nicht beim Arduino angekommen. Da müsst Ihr noch ein bisschen Geduld mit mir haben.

Fortsetzung folgt, versprochen!

Hmeck