Tonbandgerät bauen, Quellen zu Grundlagen

[Uhermania]

Den Ist-Wert von beispielsweise 19cm/s erhält man mit einem Tachogenerator (frei laufende Kapstanwelle) ganz genau.

Die Lösung mit Tachogenerator war mir auch klar, aber das entspricht eben nicht der Prämisse des Starters. Er wollte ja möglichst alle das Band berührenden Teile vermeiden.

Das Gesamtkonzept -- so sehe ich es auch -- scheitert sowieso am berührungslosen Lesen des Bandes.

Gruß

Dieter

[capstan]

Das Gesamtkonzept -- so sehe ich es auch -- scheitert sowieso am berührungslosen Lesen des Bandes.

Es gab ja auch früher schon berührungslose Tonspeicherverfahren, z.B. das Lichttonverfahren.
Vielleicht sollte man vom Magnetband auf Film umsteigen?

Bernd

[Darwin]

Das Gesamtkonzept -- so sehe ich es auch -- scheitert sowieso am berührungslosen Lesen des Bandes.

Es gab ja auch früher schon berührungslose Tonspeicherverfahren, z.B. das Lichttonverfahren.
Vielleicht sollte man vom Magnetband auf Film umsteigen?

Bernd

Lustig!    Aber auch das steht nicht im Lastenheft des TEs.

[peter-hifi]

Den Ist-Wert von beispielsweise 19cm/s erhält man mit einem Tachogenerator (frei laufende Kapstanwelle) ganz genau.

Die Lösung mit Tachogenerator war mir auch klar, aber das entspricht eben nicht der Prämisse des Starters. Er wollte ja möglichst alle das Band berührenden Teile vermeiden.

Das Gesamtkonzept -- so sehe ich es auch -- scheitert sowieso am berührungslosen Lesen des Bandes.

Gruß

Dieter

Man könnte das Band mittels Magnetfeld in der Schwebe halten, dann wäre die komplette Bandführung berührungslos 

[Karl 59]

Soweit mein fachlicher Einblick reicht, bezieht sich das gesamte Thema "Frequenzumrichter" oder kurz "FU" mit welchen Regelungen auch immer auf die Steuerung von klassischen (Drei-Phasen-)Drehstrommotoren.
In seinem Ur-Beitrag ganz am Anfang schrieb Jan aber, daß er mit Servomotoren arbeiten will. Das ist noch eine ganz andere Liga, was den gesamten Regelungsumfang und die Präzision von Bewegungsabläufen angeht. Ich kann mir schon vorstellen, daß diese Technologie das Zeug dazu hat, nur anhand des Wickeldurchmessers die Bandgeschwindigeit im erforderlichen Toleranzbereich konstant zu halten.

...
Schönen Gruß
Chris

Die Servo-Motoren sind "klassische Drehstrommotoren", allerdings mit Permanentmagnet und Hallsensoren. In 1-poliger Ausführung, also mit 3 Spulen, lassen die sich beliebig in 60°-Schritten positionieren; und in der Position auch halten. Die Steuerung erfolgt normalerweise mit annähernd sinusförmigen 3-Phasen Wechselstrom; dadurch laufen die Motoren gleichmäßig rund. Die Motoren haben unter anderem auch die Bezeichnung BLDC-Motor, dann aber oft ohne Hallsensoren. Vom Frequenzumrichter hängt es dann ab, was man mit dem Motor alles machen kann; eben auch Rückspeisen und/oder Positionieren.
Ähnlich sind Stepper-Motoren, die sind von der Steuerung deutlich einfacher da sie mit Gleichstrom Rechteck-Signalen gesteuert werden, haben aber mit 4 Spulen nur eine Auflösung von 90°, und laufen ruckartig.
Egal, welcher Motor es ist; die Energie beim Bremsen muss irgendwo hin. Auch beim Gleichstrom-Motor.

Gruß,
Karl

[mincom]

Zum Berührungslosen Auslesen magnetischer Informationsmuster fällt mir nur die "Magnetic Force Microscopy" (MFM) aus der Datenrettung stark zerstörter Festplatten ein. Vielleicht läßt sich dieses Verfahren, welches in der Lage ist, Strukturen im Bereich von 10 bis 30 nm zu scannen, auf die Strukturweiten von analogem Magnetband skalieren. Das heißt also: magnetisch schreiben, jedoch laseroptisch auslesen... .

Martin

[zinker]

wenn es denn ein Lastenheft gäbe...

Ich wollte eigentlich nur darstellen, dass es durchaus bestehende, moderne, technische Lösungen für eine Laufwerkssteuerung auch für ein Tonbandgerät geben würde.
Ich kann mir in dem Zusammenhang nicht vorstellen dass BALLFINGER konventionelle Steuerungen mit vielen Platinen, Zusatzplatinen, Anlaufkondensatoren, Bremsgestängen, Tastenverriegelungen, Bremsbelägen, extra Kapstansteuerungen usw., in ihrem aktuellen Gerät verbaut hat.
Natürlich ist das keine berührungslose Lösung!
Leider sind Detailinfos darüber dürftig. Das würde mich brennend interessieren.

Trotzdem habe ich volle Hochachtung vor so Typen wie unserem Selberbauer, die mit Hobbymitteln, Sachverstand und Gewusst Wie solche Projekte angehen.
Und Diejenigen mit ihren Kenntnissen und Fähigkeiten unsere Schätzchen am Laufen halten, sind in meinen Augen einfach stark.
Das wollte ich dann auch mal gesagt haben ;-))

Grüße: Erhard

[Uhermania]

Ähnlich sind Stepper-Motoren, die sind von der Steuerung deutlich einfacher da sie mit Gleichstrom Rechteck-Signalen gesteuert werden, haben aber mit 4 Spulen nur eine Auflösung von 90°, und laufen ruckartig.

Diese Behauptung stammt wahrscheinlich von einem Demo-Modell bzw. einer Animation, in der das Prinzip erklärt wird. Übliche Stepper haben z. B. im Vollschritt ein Winkelraster von 1,8°, dabei gibt es noch Halbschritt von 0,9° und Feinschritt-Modus, der diese Schritte fast beliebig teilen kann.

Gruß
Dieter

[Karl 59]

Hallo Dieter,

das bezweifle ich nicht. Es ging mir nur um das Prinzip, dass ein Stepper-Motor für die gleiche Auflösung mehr Spulen braucht, als ein Servo-Motor.
Je höher die Anzahl der Spulen desto höher wird auch die Frequenz zur Steuerung, um so niedriger auch das Drehmoment, und um so niedriger die Maximaldrehzahl.
Es gibt auch Servo-Motoren mit mehr Spulen und feinerer Auflösung; mit einem Inkrement-Geber (1024) anstatt Hall-Sensoren kann man da auch auf ca. 0,3° positionieren; eben auch wieder vom Umrichter abhängig. In der Industrie ist das üblich; fürs Hobby deutlich zu teuer.

In dem Beitrag geht es ja eigentlich um Servo-Motoren, und, was ich angesprochen habe, das Thema Verzögern.

OT: Der Vorteil des Servo-Motors ist das konstante Drehmoment von 0 - Nenndrehzahl. Die ist bei dem 1-poligen Motor von oben normalerweise 3000 1/min. Darüber reduziert sich das Drehmoment; 20000 1/min ist aber normalerweise kein Problem, wenn die Motor-Lager das mitmachen.
Und wenn ich nun einen Umrichter haben will, der das kann, und Rückspeisung der Bremsenergie und Anschluss für den Inkrement-Geber, dann bin ich einen 4-stelligen Betrag los. Ohne die Software zum Parametrieren.
Einen großen Unterschied zum Stepper-Motor gibt es noch: wenn Schritte übersprungen werden, oder der Motor mechanisch aus der Position bewegt wird, bleibt der in der falschen Position. Der Servo-Motor läuft, wenn das Drehmoment ausreicht, zwangsläufig immer zur gewählten Position; auch wenn ich den nachträglich aus der ursprünglichen Position bewegen sollte. Deshalb heißt der so.

Gruß,
Karl

[Magictape]

Hallo zusammen,

was ich in all den Beiträgen über Servomotoren, Stepper- Motoren und sonstigen High-Tech-Antrieben lese, ist ja alles hochinteressant.
Ich bin auf dem Gebiet kein Experte. Was besonders beeindruckend ist, mit welcher Präzision sich die Achsen positionieren lassen, ob nun 0,9° oder gar 0,3° - WOW!

Wenn ich mal in aller Bescheidenheit folgendes bemerken darf: 
Es geht bei dem theoretisch angedachten Laufwerk-Konzept weniger um präzise Positionierung (das schon auch), sondern vor allem erst mal um präzise Drehzahl-Regelung, wenn ohne Capstan und Gummirolle die Bandgeschwindigkeit rein über direkt angetriebene Bandteller geregelt und konstant gehalten werden soll.

Ich habe einmal meinen Taschenrechner und meine grauen Zellen hierzu bemüht und folgende Überlegungen und Berechnungen angestellt:

Der nackte, unbewickelte Spulenkern oder Bobby soll einen Durchmesser (d0) von exakt 50mm haben.
Die Bandgeschwindigkeit (v) betrage 19,05cm/s oder für die Berechnung 190,5mm/s.
Zum Einsatz kommt ein Normalband (üblich für Studios) mit einer gesamten Banddicke (a) von 50µm. (= 0,05mm)

Die Anfangsumfang des Wickelkerns u0= d0 x π = 50mm x 3,14159... = 157,08mm

Um die Anfangsdrehzahl des Bandtellers n0 zu erhalten, wird v durch u0 dividiert: n0 = v : u0 = 190,5mm/s : 157,08mm = 1,2128 U/s
Da "Umdrehungen pro Sekunde" nicht geläufig sind, wird das Ergebnis mit 60s/min multipliziert und wir erhalten 
die Anfangsdrehzahl n0 = 72,768 U/min.

Wenn der Bandteller nun eine Umdrehung gemacht hat, erhöht sich der Wickelradius genau um eine Banddicke.

Und bekanntlich ist der Durchmesser der zweifache Radius, somit ergibt sich folgende Formel für den Duchmesser
nach einer Umdrehung: d1 = d0 + 2a = 50mm + (2 x 0,05mm) = 50,1mm

Demnachergibt sich nun der Umfang nach einer Umdrehung u1 = 157,39mm. (Berechnung analog zu u0)
Die Drehzahl nach einer Umdrehung wird wie bei n0 berechnet. - Kurz: n1 = 72,620 U/min

Um wieviel % muß die Drehzahl verringert werden, damit die Geschwindigkeit konstant bei 19,05cm/s bleibt?
Wenn 72,768 U/min als 100% angenommen wird, entsprechen 72,620 U/min in etwa 99,85%.
Im Klartext: Nach einer Umdrehung muß die Drehzahl bereits um 0,15% herabgesetzt werden!

Wenn das nicht geschieht, bekommen wir bereits nach einer Umdrehung eine Abweichung von +0,15%
Die HiFi-Norm für Tonbandgeräte erlaubt nicht mehr als ± 0,2% Gleichlauftoleranz (bei 19,05cm/s).
(Das bedeutet beispilesweise, wenn eine Frequenz von 1000Hz aufgenommen wird, darf diese sich bei Wiedergabe nur
im Bereich von 998 bis 1002 Hz bewegen!)

In unserem Fall heißt das: 
Ohne die genannte Drehzahlkorrektur sind wir bereits nach ca. 1,5 Umdrehungen bereits raus aus der HiFi-Klasse!
Mit Langspielband wäre die Grenze ungefähr nach 2 Umdrehungen erreicht, mit Doppelspielband ca. nach 3 Umdrehungen.
Ein ziehmlich kurzes Vergnügen, finde ich.

Hierbei wird von einer idealen Mechanik ausgegangen, bei der alles zu 100% rund läuft, was es aber in der Praxis nicht gibt.
Also wird die Toleranzgrenze von ± 0,2% noch früher erreicht.

Noch etwas zur Drehzahl:
Nehmen wir mal eine gängige 180mm-Spule her. Die wird ja nie auf volle 180mm bewickelt, sondern nur auf höchstens 175mm Ø.
Bei diesem Wickeldurchmesser habe ich eine Drehzahl von 20,79 U/min errechnet.
Bei noch größeren Wickeldurchmessern geht sie dem entsprechend noch weiter runter.

An den Motor ist also aus meiner Sicht höchste Geschwindigkeitskonstanz im Bereich von 10 bis 100 U/min gefordert, und
eine sehr feinfühliche Drehzahlabstufung von etwa 0,05%. Auch einige mechanischen Abweichungen müssen damit ausgeglichen werden.

Wir wollen aber nicht nur eine konstante Geschwindigkeit haben, sondern auch einen konstanten Bandzug. Dieser ergibt sich aus dem Drehmoment. Dieses vehält sich umgekehrt proportional zur Drehzahl. Mit steigendem Wickel-Ø steigt auch das Drehmoment, während die Drehzahl entsprechend absinkt. Das Drehmoment muß sich ebenso sensibel steuern lassen wie die Drehzahl.

Die Frage bleibt für mich deshalb: Läßt sich das mit den bereits viel gerühmten High-Tech-Motoren realisieren???
Ich weiß es wirklich nicht.

Für mich waren die gemachten Überlegungen einfach eine nette Denksport-Aufgabe, die mir Spaß gemacht hat.
Wie realistisch das Projekt tatsächlich ist, hat für mich nicht die entscheidende Rolle gespielt.
Ich werde aber wohl den weiteren Verlauf dieser Diskussion eher nur noch passiv mitverfolgen.
In diesem Sinne

schönen Gruß
Chris

[Uhermania]

Ziemlich komplizierte Berechnung ... warum nicht gleich Δr/R bestimmen? Die Berechnung über die Geschwindigkeit kann dann entfallen und spielt lediglich bei den Anforderungen eine Rolle.

Ansonsten ist noch zu bemerken, dass man unterscheiden muss zwischen Geschwindigkeitsabweichung mit 1 % und Gleichlauf mit 0,2 %.

Gruß

Dieter

[Karl 59]

Die Motoren können das sicherlich, kommt auf die Ansteuerung (Frequenzumrichter) an.
Gleichzeitig nach Drehmoment und Drehzahl regeln geht nicht. Das Eine schließt das Andere aus. Für das Drehmoment ist der abwickelnde Motor zuständig.
Und da dieser Motor dann aktiv bremst, muss die Energie irgendwo hin; wie bereits erwähnt.
Bei einen Gleichstrom-Motor ist das einfacher, da ist der Läufer gleichzeitig der Bremswiderstand, in dem wird die Energie verbraten.
Wenn dem Umrichter der Widerstand und die Induktivität der Wicklungen im Motor bekannt sind, kann der aus der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und der Läufer-Rückwirkung das aktuelle Drehmoment berechnen; selbst im Stillstand. Diesen Wert kann man dann benutzen, um den anderen Motor zu regeln.

Gruß,
Karl

[Mo635]

Ich melde mich mal wieder, bin leider noch nicht wirklich weiter gekommen da die letzten zwei Wochen auf Arbeit ziemlich viel los war.
die Idee mit den Lasern habe ich zur Seite gelegt zugunsten des besseren Vorschlags hier aus dem Forum: Mit dem Sensor einer Maus wird die Geschwindigkeit des Bands im Bereich des Kopfes berührungslos abgetastet und dann entsprechend weiterverarbeitet. Die Motoren/FU Kombination wird eigentlich für CNC Maschinen verwendet. Eingebaut ist ein Bremswiderstand im FU, aber der kann auch einen externen Widerstand/DC Zwischenkreis zu speisen.
Auf Arbeit habe ich allerdings mit letzteren eher schlechte Erfahrungen gemacht und so viel Leistung dürfte da auch nicht anfallen. Die FUs können wahlweise nach Drehmoment, Drehzahl oder Schritte regeln, in jeweils beide Richtungen. Es können auch feste Werte eingespeichert werden, z.b. Soll Drehmoment bei Wiedergabe oder beim Umspulen.
Die Freiheiten die man da hat sind fast grenzenlos.
Für die ersten Versuche wollte ich folgendes Modell nutzen: A6-RS100L2B1-M17
Haben 100W und kosten ca 140€, sind Chinakracher aber sollte für die ersten Versuche ausreichend sein.
Für die Höhenverstellung habe ich noch JMC Stepper liegen.
Das ganze wird dann (erstmal) in einem Rahmen aus Aluprofilen montiert.
Die Steuerung soll ein Arduino übernehmen. Ich hab noch ein MEGA liegen, will den eigentlich nutzen. Ob die Leistung ausreichend ist wird sich dann zeigen.
Wenn das mit dem Sensor der Maus funktioniert, dann gibts da nicht allzuviel Gleitkommarechnung.

Die TMR Sensoren sind mittlerweile angekommen, liegen allerdings immer noch verpackt auf dem Küchentisch, denke ich werde da am Wochenende mal bei gehen und mit denen einige tests machen.


Grüße
Jan

[Uhermania]

Die Idee mit der optischen Abtastung des Bandes à la Maus hört sich zwar formal elegant an. Ich bezweifle aber, dass die Genauigkeit ausreichend ist. Es gibt systematische Inkrementalfehler, die in der Verwendung als HID nicht auffallen und auch nicht stören, da der Bediener ja das ausgleichende Glied ist. Man kann das Verhalten solcher Mäuse selbst testen, indem man auf einigermaßen idealen Oberflächen versucht, die Maus zu bewegen und immer wieder an einen Ausgangspunkt zurückkehrt. Dieser Ausgangspunkt wird nie konstant eingehalten.

Bin gespannt, ob sich da zufriedenstellende Ergebnisse einstellen -- ich fürchte, nicht.

Gruß

Dieter

[zinker]

Die vorausgewählte Kombi A6-RS100L2B1-M17 bietet eine sehr große Anzahl von Steuerungsmöglichkeiten für Dein Projekt, Jan.
Sie haben eine Nenndrehzahl von 3000 U/min.
Frage deshalb vor Kauf, ob ein ruckelfreier Betrieb einschl. Bremsen/Anlauf in dem angestrebten Drehzahlbereich ohne Getriebe möglich ist.
Chris hat ja weiter oben einen Drehzahlbereich von etwa 20 bis 100 U/min im Play-Modus ermittelt.

Als berührungsloser Sensor für Geschwindigkeitsmessungen bei industriellen Anwendungen kommt oft ein "optischer Tracking-Sensor" zum Einsatz.
Je nach Type bekommt man eine hohe Geschwindigkeit (bis etwa 5m/s) bei homogenen, oft glänzenden Oberflächen jedoch mit unterschiedlicher Genauigkeit hin.
Sie werden zum Beispiel bei der Herstellung von Kunststofffolien eingesetzt.

Grüße:    Erhard

[zinker]

Hier habe ich eben eine sehr genaue Geschwindigkeitsmessung gefunden: Speetec - berührungslos arbeitender Sensor von Sick für die Geschwindigkeits- und Längenmessung nahezu beliebiger, linear bewegter Objekte.

Erhard

[Uhermania]

Das ist das Laser-Dopplerverfahren und hat mit dem von optischen Mäusen nichts zu tun. Wird sicher viel teurer sein und wahrscheinlich auch vom Aufbau her um einiges größer.

Dieter

[zinker]

das ist mir bekannt, Dieter.
Mir ging es nur um Möglichkeiten.

[Karl 59]

In meinen Beiträgen hatte ich vorher etwas falsch formuliert, es heißt nicht einpolig, sondern ein Polpaar. Die können als Standard 3000 1/min. Die sind mit Abstand am besten mit einem Frequenzumrichter zu regeln. Auch 10 1/min geht da ohne ruckeln, da braucht man kein Getriebe.
So wie in meinen vorherigen Beiträgen geschrieben, geht Drehzahl und Drehmoment nicht gleichzeitig. Dementsprechend ist der aufwickelnde Motor für die Drehzahl zuständig, und der abwickelnde für das Drehmoment. Mit einer Gleichstrombremse geht das allerdings nicht. Da wird die Energie unkontrolliert im Motor vernichtet.
Dafür braucht es eben, wie schon geschrieben, einen Umrichter mit 4 Quadranten Betrieb. Der kann dann die überschüssige Energie in den Zwischenkreis speisen, oder eben mit einem zusätzlichen Bremswiderstand vernichten.
Das Problem beim Zwischenkreis ist, dass der nur begrenzt Energie aufnehmen kann, abhängig von den verbauten Kondensatoren. Meist ist die Maximalspannung das 1,5-fache der Nennspannung; dann schaltet der Umrichter auf Trudeln. Bei industriellen Umrichtern hat der Zwischenkreis separate Klemmen, damit werden die Umrichter verbunden, und die bremsenden Umrichter speisen mit der überschüssigen Energie die antreibenden Umrichter. Wenn auch das nicht reicht, gibt es dann Netzteile, die nicht nur die Netzspannung gleichrichten, sondern den Energieüberschuss im Zwischenkreis auch wieder wechselrichten und ins Netz zurückspeisen.

Kurz: Das mit dem Drehmoment wird ein Problem. (Abgesehen von den anderen Problemen)

Gruß,
Karl

[Mo635]

Wie ich schon geschrieben habe, kann das Bremsen quasi jeder FU und ist eine Standardfunktion, die billigen dann halt nur über ein Bremswiderstand.
Das ganze ist kein Problem auch dauerhaft das Drehmoment zu halten, zumal wir hier nicht über große Leistungen reden. Im Verhältnis zu der Größe der Motoren könnte es sogar reichen, dass die Wärme vollständig über die Wicklungen des Motors abgegeben werden, sofern der FU diese Funktion eingebaut hat.

[Mo635]

Der Speetec von Stick ist abgekündigt und wird gebraucht für 2000Eu gehandelt... Schade eigentlich

[zinker]

Wie ich schon geschrieben habe, kann das Bremsen quasi jeder FU und ist eine Standardfunktion, die billigen dann halt nur über ein Bremswiderstand.
Das ganze ist kein Problem auch dauerhaft das Drehmoment zu halten, zumal wir hier nicht über große Leistungen reden. Im Verhältnis zu der Größe der Motoren könnte es sogar reichen, dass die Wärme vollständig über die Wicklungen des Motors abgegeben werden, sofern der FU diese Funktion eingebaut hat.

das wird so funktionieren, das glaube ich auch.
Was ist mit der relativ niedrigen Drehzahl?
Ich glaube, dass ich beruflich vor langer Zeit mal Probleme mit einem kontinuierlichen Lauf im tiefsten Drehzahlbereich hatte. Die Regelung wurde irgendwie schwammig.

Gruß:   Erhard

[zinker]

Der Speetec von Stick ist abgekündigt und wird gebraucht für 2000Eu gehandelt... Schade eigentlich

Mist - von der Genauigkeit und der wohl möglichen Ausgabe an Regelungen hätte das Teil wohl ganz gut passen können....