LTSpice – Mechatronik

[Joe G. (feinmechaniker)]

Im laufe der Jahre haben sich bei mir unterschiedliche Aufgaben und 
Lösungen zur Mechatronik angesammelt. Viele Aufgaben und Lösungen 
entstanden mit der Methode der konzentrierten Ersatzelemente. Dazu 
bietet sich das Simulationssystem LTSpice sehr gut an. Da oft ähnliche 
Fragestellungen hier im Forum auftauchen, stelle ich mal in loser Folge 
meine Aufgaben und Lösungen hier rein. Vielleicht hilft es dem Einen 
oder Anderen bei seinen Problemen etwas weiter oder gibt Anregungen für 
eigene Lösungen.

Gruß Joe

Zum Start das Modell und die Lösung eines schrägen Wurfes mit 
Newton’scher Reibung.

[Soul E. (soul_eye)]

Letztendlich hast Du Dir einen Analogrechner gebaut. Damit kann man 
sowas machen: https://www.analogmuseum.org/deutsch/examples/

Das Beispiel mit den Stromlinien um das Joukowski-Profil ("Tragfläche") 
ist eindrucksvoll. So hat man tatsächlich mal Geometrien optimiert, 
bevor der Modellbauer ran musste und es in den Windkanal ging.

[Giovanni (Gast)]

Hallo Joe,

Danke erstmal für Deinen Beitrag. Ja, es stimmt. Man kann Probleme der 
Mechanik, ... mit einem Werkzeug das eigentlich für Simulation von 
Schaltungen erdacht wurde lösen. Jedoch es erfordert ein Umdenken, was 
vielleicht für Einsteiger/Studenten eine Hürde sein könnte.
Ich selbst habe LTspice nie verwendet, und habe auch etwas Zeit 
gebraucht um die Aufgabe JULIA abzusetzen.

Ich denke man sieht hier sofort das zu lösende physikalische Problem.

LAB14 = Model(
    gravity = -9.81,
    mass = 0.057,
    kxy = 972e-6,

    pos = Var(start=[0.0, 1.0]),
    vel = Var(start=[0.0, 0.0]),    # wird geändert
    acc = Var(start=[0.0, 0.0]),

    equations = :[
        vel = der(pos)
        acc = der(vel)
        friction = kxy*vAbs^2*unit
        acc = [0.0, gravity] - friction/mass
        vAbs = norm(vel)
        unit = vel/vAbs        ]
)

Grüsse

[Christoph M. (mchris)]

Könntest du das vollständige Julia-Script posten? Hier fehlen denke ich 
ein paar Imports.

[Giovanni (Gast)]

Christoph M. schrieb:
> Könntest du das vollständige Julia-Script posten? Hier fehlen denke ich
> ein paar Imports.

klar.

Alternativen:
* MODELICA (tool: OpenModelica)
* ModelingToolkit (Julia)
* ...
* Simulink
* ...

nach vielen Jahren MODELICA versuche ich jetzt den JULIA Ansatz. 
Erfordert ein Umdenken, ist aber spannend.

[Joe G. (feinmechaniker)]

Vielen Dank für die Kommentare und den Julia-Ansatz!

Der Ansatz über konzentrierte Ersatzelemente hat aus meiner Sicht den 
Vorteil sehr einfach unterschiedliche physikalische Systeme miteinander 
koppeln zu können. So kann ich mit LTSpice in einer Schaltung ein 
elektrisches, mechanisches, thermisches und fluidmechanisches System 
aufbauen.

Ich gebe zu meinen Aufgaben auch parallel oft die analytische Lösung an 
(siehe Anlage). Somit kann ein Interessent bei Bedarf auch sein 
entsprechendes CAS-System verwenden.

Alle Infos zu den Aufgaben und Lösungen hier:
https://github.com/Feinmechaniker/Mechatronik/tree/Mechatronik/00 AB

[Christoph M. (mchris)]

>Der Ansatz über konzentrierte Ersatzelemente hat aus meiner Sicht den
>Vorteil sehr einfach unterschiedliche physikalische Systeme miteinander
>koppeln zu können.

Das ist wahr. Ich verwende LtSpice sehr gerne. Vielleicht könntest Du 
noch mal den Link auf die LtSpice-Bibliothek hier anfügen, aus dem 
ScreenShot lässt sie sich ja nicht kopieren.

>So kann ich mit LTSpice in einer Schaltung ein
>elektrisches, mechanisches, thermisches und fluidmechanisches System
<aufbauen.

OpenModellica wäre übrigens für die Simulation der unterschiedlichen 
physikalischen Systeme gemacht und bietet für viele Domänen angepasste 
Blöcke. Ich habe eine zeitlang damit experimentiert, aber im Vergleich 
zu LtSpice ist das Ding fast nicht in den Griff zu kriegen. Man muss so 
viele Seiteeffekte und Einstellungen und dass der Solver konvergiert ist 
auch nicht einfach.

[Joe G. (feinmechaniker)]

Heute das dynamische Modell eines Katamarans mit zwei Antriebsmotoren. 
Berücksichtig wird die Reibung in Bewegungsrichtung sowie um die 
Hochachse. Effekte wie Driftkräfte durch Wind und Wellen bzw. Strömungen 
sind im LTSpice-Modell nicht berücksichtigt, jedoch im mathematischen 
Modell (LAB_15.pdf) enthalten.

Die verwendeten Bibliotheken für LTSpice liegen hier:
https://github.com/Feinmechaniker/Mechatronik/tree/Mechatronik/00 AB/99 
Tools/01 LTSpice

die Aufgabenstellung hier:
https://github.com/Feinmechaniker/Mechatronik/tree/Mechatronik/00 AB

die Lösung hier:
https://github.com/Feinmechaniker/Mechatronik/tree/Mechatronik/00 AB/01 
Lösungen

[Christoph M. (mchris)]

Mal kurz eine administrative Frage:
Unter welchem Namen installiert man die Library am besten? Ich habe 
gerade festgestellt, dass ich mal vor einiger Zeit die 
LtSpiceControlLibray installiert habe:
https://github.com/kanedahiroshi/LTspiceControlLibrary

[Joe G. (feinmechaniker)]

Bei mir heißt sie Math.lib, aber prinzipiell kann man ihr jeden 
beliebigen Namen geben. Allerdings zeigen die zugehörigen Symbole auch 
auf Math.lib. Man müßte auch hier den Namen ändern.

[Joe G. (feinmechaniker)]

Hier mal das Modell eines Maxwell-Rades. Der Versuch ist auch sehr schön 
unter [1] beschrieben.
Dieses Modell bietet sich an, um die Verkopplung von translatorischen 
und rotatorischen Systemen über einen Wandler (Transformator) zu 
beschreiben.

Aufgaben, Modelle und Lösungen wie immer hier:
https://github.com/Feinmechaniker/Mechatronik/tree/Mechatronik/00 AB

[1] Beitrag "Re: Physikprojekte"

[Christoph M. (mchris)]

Ich hätte eine Frage: Gibt es schon ein Modell für einen 
DC-Gleichstrommotor mit den verschiedenen Paramter wie 
L,R,Trägheitsmoment,Torqueconst usw. ?
Das schöne ist ja, dass ich beim Motor das elektrische und mechanischen 
mischen und es wäre hoch interessant, weil man dann z.B. einen 
Geschwindigkeitsregler simulieren könnte.

[Joe G. (feinmechaniker)]

Bitte schön, anbei das Modell einer Gleichstrommaschine. Die Variante 
AB_17.asc benötig meine Bibliotheken, die Variante AB_17_1.asc mal ganz 
ohne zusätzliche Bibliotheken. Der Vorteil des reziproken Wandlers 
besteht ja darin, dass die Maschine in der Simulation sowohl als Motor 
als auch als Generator verwendet werden kann.

Noch ein Nachtrag:
Hier [1] habe ich ein kleines Python-Script hinterlassen, welches die 
Parameter H11 und H12 aus der Messung am Motor schätzen kann.

[1] Beitrag "Re: Parameterschätzung, überbestimmtes LGS, Kalman-Filter"

[Joe G. (feinmechaniker)]

Ein Beispiel aus der Hydraulik. Untersucht wir ein Behälter (Tank) bei 
dem am unteren Auslauf das Wasser frei abfließen kann. Wie verhält sich 
hier der Füllstand h(t)? Diese Aufgabe zeigt, wie auch nichtlineares 
Verhalten mittels nichtlinearer konzentrierter Ersatzelemente abgebildet 
und gelöst werden kann.

[Joe G. (feinmechaniker)]

Ein Beilspiel für einen thermoelektrischen Wandler (Peltier-Element)
Das Modell ist für das Peltier-Element TEC1-12706 erstellt, kann aber 
sehr einfach auf jedes andere Element umkonfiguriert werden. Die 
thermischen Kapazitäten sind hier nicht integriert.
Wie zu erwarten, ist der maximale Wirkungsgrad mit 6.6% sehr schlecht. 
Ursache ist das Wiedeman-Franz-Gesetz welche die Proportionalität 
zwischen der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit beschreibt. Die 
Simulation zeigt sehr anschaulich, dass im Arbeitspunkt am ohmschen 
Widerstand des Peltier-Elementes ca. 20.7W erzeugt werden. Davon fließen 
6.3W über den thermischen Widerstand von der Heiß- zur Kaltseite.

[Christoph M. (mchris)]

Joe G. (feinmechaniker) Benutzerseite
21.06.2024 12:58
>Bitte schön, anbei das Modell einer Gleichstrommaschine. Die Variante
>AB_17.asc benötig meine Bibliotheken, die Variante AB_17_1.asc mal ganz
>ohne zusätzliche Bibliotheken.

Dankeschön :-)

Um den Thread nicht zu zerstückeln, habe ich hier mal einen Thread für 
die Modellierung eines Bastelmotors aufgemacht:
Beitrag "Bastelmotor Gleichstrommotor Modell"