Время доброе, уважаемые специалисты.

Если не тяжело - поучаствуйте пожалуйста в выборе верного направления решения следующей задачи:

Требуется создать систему управления колокольным звоном.
Имеется настоящая колокольня и потребность проигрывать на ней треки в MIDI формате.

Пока идея примерно такая:

Программируемый контроллер типа ARDUINO принимает и расшифровывает пакеты MIDI от синтезатора. После - формирует сигналы для управления мощными соленоидами, якоря коих ударяют в колокола. (Все понимаем, что удары обязательно должны варьироваться по силе)

СТОИТ БОЛЬШОЙ ВОПРОС:

какой метод управления мощными соленоидами избрать ?

Быть может, лучше использовать мощные транзисторы (каскады транзисторов) Которые будут усиливать аналоговый или ШИМ сигнал от контроллера.
Быть может не использовать транзисторов, а каждый соленоид должен содержать по 5-10 обмоток и быть подключен через соответствующее количество штук реле, и, в зависимости от требуемой силы удара, будут включаться 1,2 или больше обмоток соленоида. ..?

Самый большой колокол в звоннице весит 5 тонн. Якорь соленоида для него должен будет весить около 5 кг, соответственно и катушка должна быть мощной. Стоит ли связываться в таком случае с переменным током и какие проблемы это сулит ?

Быть может у Вас есть какие-то действительно нормальные идеи на этот счёт, я буду рад их услышать))).


________________________________________________________________________________
__________________________________
Только прежде хочу заметить, что конструкция обязана быть в целом максимально проста и надежна, ибо ей под дождями и ветрами звонить годами без обслуживания на большой высоте.

С линейными шаговыми двигателями связываться не хочется ввиду их дороговизны (но ежели вы посчитаете этот выход оптимальным - можно и его рассмотреть накрайняк).

И ещё - я дилетант и возможно написал какую-то чушь, надеюсь, Вы в целом поняли что я хотел сказать. Если раздел для этого поста не подходящий - каюсь, на форуме новичок.

СпасиБо.

На электромагнитах нереально. Слишком мал ход у соленоидов. Расмотрите вариант электродвигатели, тросики, грузы. Сила удара - скорость.

Извините, не соглашусь.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Такого типа и других разных вариантов исполнения соленоиды и электромагниты широко используются в автоматизации колокольного звона.
Беда традиционных систем в невозможности нормально варьировать силу удара.
Конструктив самого молотка будет подбираться опытным путём, но НУЖНО ПРИДУМАТЬ - КАК ВАРЬИРОВАТЬ СИЛУ ТОКА на катушке магнита сигналами с контроллера, что бы вся система оставалась надежной и стабильной.

Мне представляется наиболее перспективным соленоид с секционными обмотками или даже несколько независимых соленоидов. А как надо варьировать? Насколько плавно, в каких пределах? Варьировать силу тока как раз не проблема, но на максимальную индукцию есть ограничения.

Возможно, пневматическая система будет дешевле. Пневмоцилиндры- стандартные, на каждый- электромагнитный клапан и отдельно-регулятор расхода с управлением от шагового мотора (это дешевле сделать самому, чем покупать регуляторы с управлением).

Не так давно анализировали ( для аналогичного проекта, но не колокола), что лучше выбирать: пневматическую систему или электромагнитную, из имеющихся на рынке.
Выбрали пневматическую систему. Поскольку скоростные, силовые, эксплуатационные и т.д. характеристики лучше у пневматики, также цена меньше, выбору больше.

Если не трудно, приведите сравнительные скоростные хар-ки.

Молоток можно присоединить к шаговому двигателю, если силы соленоида не хватает. И управлять скоростью проиизвольно.

Пневматическая система, если она автономная, подразумевает компрессор, ресивер, воздушную магистраль... Все это потребует периодического ТО, на сколько я понимаю. Особенно, при эксплуатации на свежем воздухе... Что не очень вяжется с требованиями топикстартера:

Эхъ, на счет пневматики, гидравлики и прочего - боюсь это не наш случай,
так как рессиверы, поршни, цилиндры, клапаны и шланги - штуковины, которые требут ПОСТОЯННОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ.


Звонница о которой идёт речь необычной конструкции. Колокола будут на высоте 40 метров и лазить туда практически нельзя.
Отсюда необходимость подобрать вариант, который можно сделать 1 раз и забыть на несколько лет.

Я пока мысленно останавливаюсь на том, что бы электромагнит дёргал молоток, молоток бил в колокол.
На каждый колокол по 5 таких молотков, в электромагните каждого молотка по две обмотрки. включающиеся либо по одной. либо вместе.

если 1я и 2я обмотки каждого электромагнита одинаковые - это 10 вариантов сил удара на каждый колокол.
если одна побольше, другая поменьше - 20 вариантов сил удара.
а если замутить программно возможность бить несколькими молоточками единовременно - вообще мильён :0)

На каждую обмотку каждой катушки повиснет по оптическому реле. Релюшками станут управлять пятивольтовые выходы микроконтроллера.

Если Вы видите - где здесь можно сделать более надёжно - посоветуйте пожалуйста.
Так же, если кто-то использовал оптические реле для управления током 40, 60, 80 Ампер и больше - расскажите пожалуйста об их надёжности.
И ещё: может кто-то знает - какой системы должен быть электромагнит, что бы иметь максимальную притягивающую силу при минимальных энергозатратах ?
Может там особый срдечник, стальная рубашка или нужный наклон витков.

Большое спасиБо.

Я бы закрепил ударный молоток непосредственно на оси электродвигателя - за самый конец "ручки", вниз "головой". Только двигатели должны быть достаточно мощными, с хорошим запасом. В том числе и по механической прочности подшипников. Мне думается, что это самая простая механическая система из возможных. Сила удара, в этом случае, достаточно просто регулируется - по интервалу времени подачи напряжения на двигатель. Кстати, можно и раскачку применять, при необходимости.

Простейший электромагнит.
Ход молотка - хоть метр, рычаги еще никто не отменял
Силу тока можно регулировать, можно регулировать длительность импульса, можно регулировать энергию, заряжая до определенного напряжения буферный конденсатор
Короче, - большой простор для фантазии.
С пневматикой, множеством катушек, прочими фотодатчиками, гироскопами и акселерометрами - не стоит искусственно усложнять задачу.

Уважаемый @Ark, тогда у таких электродвигателей должен быть датчик положения вала, что бы программа точно знала в какой момент произойдёт удар...

представьте себе минимум 15 колоколов разных размеров, которые играют сложную музыку. Если будут хотя бы небольшие задержки - ничего сыграть не получится :0/

Все не кисло осложнено тем, что на этих колоколах придётся лобать в реальном времени из подвала.

И в самом деле, дядьки-молоточки беспрестанно то по тому, то по другому колокольчику тук да тук, индо бедному Мише жалко стало. Он подошел к этим господам, очень вежливо поклонился им и с добродушием спросил, зачем они без всякого сожаления колотят бедных мальчиков. А молоточки ему в ответ: - Прочь ступай, не мешай! Там в палате и в халате надзиратель лежит и стучать нам велит. Все ворочается, прицепляется. Тук-тук-тук! Тук-тук-тук! - Какой это у вас надзиратель? - спросил Миша у колокольчиков. - А это господин Валик, - зазвенели они, - предобрый человек, день и ночь с дивана не сходит; на него мы не можем пожаловаться. Миша - к надзирателю. Смотрит: он в самом деле лежит на диване, в халате и с боку на бок переворачивается, только все лицом кверху. А по халату-то у него шпильки, крючочки видимо-невидимо; только что попадется ему молоток, он его крючком сперва зацепит, потом спустит, а молоточек-то и стукнет по колокольчику.
----------------------
Вот и я думаю про вращающийся массивный маховик, к которому временно прикрепляются молоточки.
А потом открепляются.

Так это не проблема - энкодеров готовых предостаточно. А время удара все равно придется вычислять и программно корректировать при любом способе - инерцию в механических системах еще никто не отменял. Что касается сравнения электромагнита и электродвигателя - с механической точки зрения у последнего преимущество в подшипниках. Меньше трение, износ, меньше вероятность перекоса, заклинивания. В плане долговечности, хороший движок вне конкуренции, с моей точки зрения. Например асинхронные движки (которые без щеток) служат десятилетиями, непрерывно работая на свежем воздухе, в любую погоду. Пока не накроются подшипники. По моему, это то, что Вам нужно.

Вам правильно подсказывают, язык колокола должен работать в режиме резонанса. Привод – подобие линейного двигателя. Были созданы даже резонансные приводы роботов. Поищите информацию в этом направлении. Они очень экономичны, никаких сверхсильных электромагнитов.

Резонанс - штука полезная, но для языка потребуется предварительное раскачивание хотя бы несколько циклов, а это вряд ли всегда возможно при проигрывании мелодии с мало-мальски немонотонным ритмом.
Да и электромотор с молотком на валу - из пушки по воробьям, имхо. Ибо, чтобы максимум за полоборота вала (три четверти?) раскрутить массивный молоток до требуемой скорости, нужен весьма и весьма неслабый запас мощности.

Точно такой же, как и в случае применения электромагнита, или чего угодно другого. Закон сохранения энергии рулит.

Резонанс тут действительно не подойдет по указанной Вами причине, но квазирезонанс - молоточек отпускается и сам собой за счет накопленной энергии ударяет... После этого он отскакивает почти на прежнюю высоту. Тут его нужно поймать и назад вернуть, добавив немного энергии. Естественно есть проблема - задержка. Поэтому играть в реальном времени, как на рояле, не очень получится. Но задержку можно измерить и учесть. Чтобы быстро играть, нужно несколько молоточков. Если их энергия (высота подвеса) будет разная, то и громкость можно регулировать.

Вы так считаете? Вот интересно, существовали бы мелодии, если б не было резонансов?
P.S. Раскачивать надо бы перед исполнением.

Именно так. И удерживать в таком колебательном режиме, когда чуть-чуть нет касания. Когда нужен удар - добавляем нужную порцию энергии, предварительно. Затем притормаживаем, если нужно. Если колебания будут происходить на оси двигателя с энкодером - то все проблемы принципиально решаются.
P.S. Метод с захватом молоточка потребует специального механизма - а это доп. механика, износ, надежность...

Резонанса с чем?
Про резонанс пальцев при игре на рояле или чем-то еще ничего не помню. Меня выгнали из четвертого класса музыкальной школы.
Раскачивание тяжелого языка колокола - вынужденная мера. Именно это и не позволяет играть на колоколах произвольные мелодии, кроме самых небольших по размеру колоколов. Периды колебаний языков-маятников не совпадают с темпом, размерностью музыкальной фразы.
Если не хватает мыслимой мощности прямого привода электромагнита - Таня предложила маховик и электромагнитное сцепление бойкового механизма.

После удара потеряную энергию нужно будет возместить маховику. Время возмещения будет определяться опять же мощностью электропривода. И до использования маховик нужно раскрутить, как и язык, который нужно раскачать. Поэтому, разницы особой нет. Единственное преимущество маховика - не нужно синхронизировать, но и оно нивелируется необходимостью наличия "бойкового механизма", по всей видимости механического. Так как на электромагнитное сцепление - получим те же ограничения по передаваемой мощности...
Засинхронизировать колебания языков под определенный ритм вполне возможно технически. Можно даже подстроить их механический резонанс, сделав переменной (управляемой) длину маятников.

Возможно ли это, если ветер, к примеру, раскачивает колокол? Об этой проблеме автор, кстати, не упомянул, а она наверняка существует вне зависимости от реализации...


Не уверен, что точно такой же. Кроме закона сохранения энергии рулят конструктивные особенности. Инерционность. Закон сохранения импульса. Обычные асинхронные моторы выходят (даже без нагрузки) на номинальные обороты и номинальный момент... небыстро, скажем так.

Можно же ограничить раскачку специальными мерами, не так это и сложно...

Разница может быть только в КПД . Конструктивные особенности значения не имеют.

Нам вообще-то номинальные обороты не нужны. А максимальный момент достигается как раз при нулевой скорости, если мне склероз не изменяет... нет, похоже изменяет...

Я бы повесил молоточек не прямо на вал двигателя, а через редуктор, обеспечив время разгона молоточка несколько секунд, Датчиком положения можеж служить простой конечный выключатель.
Это для случая молоточек весом бодее 100 грамм. Более легкие могут быть и на электромагнитах.

Cочувствую.


Верно, но можно нагружать через муфту сцепления.

Думаю, рано копья ломаем. ТС не огласил возможный репертуар и набор инструментов, а от этого может зависеть реализация.
Наконец, при современном уровне техники вообще можно не тревожить колокола: синтезатор + динамики. Надежнее, ну и играть можно все что угодно.

Вот это честно!
Но заказчик, скорее всего, сочтет сие творение богохульственным и проект не проплатит.
Только молотком-с!
Трудно пока представить сколько же энергии требуется для удара. Но сотню-другую джоулей - вполне мыслимо электромагнитом.

В этой идее я бы попробовал проработать комбинацию простого односекционного соленоида на максимальную мощность,
(что-то из картинок представленных топик-стартером) с питанием его и управлением от силового ШИМ-а, и плюс,
с замером динамики текущего тока через эту индуктивность. То есть по сути - идея в том что надо использовать
эту индуктивность и в качестве индуктивного датчика положения.
А при наличии информации по положению - уже дозировать ШИМ-ом динамику удара колокола в % от максимальной
величины.

Но тут надо заметить - что хотя схемотехнически это решение не выглядит слишком новороченным (там для всех частей есть
достаточно удобные микросхемы, я прорабатывал это для электроклапанов), с точки зрения встроенной математики,
аккуратного выражения ее в коде, начального изучения привода и общей экспериментальной отладки - это не совсем
то что подходит для начинающих.

Пушка Гаусса может оказаться слабовата для таких мирных целей... Что там мелочиться! Вот, что нужно ТС: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%...%80%D0%BE%D0%BD

Моторы, клапана - это маловероятно (имхо).
Для получения адекватного звука необходим именно удар. Откройте рояль и зацените, какие ухищрения применили, дабы происходил именно удар молоточков о струны.
Мне видится использование именно соленоидов, например как у квартирных совдеповских звонков. Якорь соленоида расположен вертикально и зафиксирован пружиной. При подаче напряжения, якорь втягивается и лупит нижнюю пластину. После отпускания кнопки, пружина толкает якорь, который именно ударяется об верхнюю пластину.
Так, что возможный вариант решения задачи – "верхняя пластина". А силу удара регулировать током через соленоид. Далее пружина сама разберется.

Охъ как здорово что Тема получила активное обсуждение.
Есть что почитать и над чем поразмыслить.
Пока я остановил свои мысли на варианте использовать простые электромагниты и молотки (вроде как на картинке в первых постах). просто использовать на каждый колокол по 4-5 молотков с разной силы электромагнитами, разным весом молотков и разным ходом ударной части.

Так и скоростные мелодии легче будет проигрывать, и растяжка в 4-5 возможных варианта сил удара в каждый колокол - это , на мой взгляд, достаточно для сносного воспроизведения любой мелодии.

Касательно реализации этой схемы у меня всё равно остаётся несколько вопросов к Вам, господам профессионалам.

1) Есть ли смысл городить для силовой части устройства выпрямитель, и питать электромагниты постоянным током ?... или переменный ток не сулит больших потерь в индукции и пригоден для питания наших с вами электромагнитов? (Я просто часто сталкиваюсь с тем, что в описании самых мощных электромагнитов, типа как на станциях сбора металлолома, везде пишут, что они работают на постоянном токе.. врятли оно просто так)

2) Чем лучше всего можно ограничивать и подстраивать ток в электромагните ? (если кпримеру у меня три магнита с одинаковыми катушками, но нужно, что бы каждый магнитил чуть сильнее другого) Нечто вроде подстроечного резистора... Что обычно применяют в таких целях и при таких токах ?

...

Постоянный, конечно. Проще в управлении и эффективнее.
Регулировать можно длительностью импульса. Это почти напрямую и импульс механический. Обычно, электромагнитные механизмы срабатывают за 5-25 мс. КПД...процентов 40, насколько помню.
Ход якоря 2-3мм , редко 6-8. больше - неэффективно, падает начальное усилие. А рабочий ход молотка - рычагом легко достичь.

Если делать полноценный музыкальный инструмент, то кроме ударного механизма нужно еще предусмотреть и механизм "глушения" колокола.
Он должен ограничивать послезвучание, как это сделано, например, в рояле. Иначе быстрые темпы будут недоступны для исполнения.

To @Ark: верно. Глушение предусмотрено! Вы всё правильно понимаете.

To Microwatt: Да, шириной импульса - это безусловно, и тем не менее - хотелось бы ограничивать и подстраивать мощность каждого магнита ещё и чем-то вроде димера.



Дураацкий пример конечно )))) Но что-то вроде того и нужно, только бОльшую мощность.
Может есть готовые промышленные варианты таких штук...

Значит надо повесить несколько языков(три), и колебать их трехфазно.

Диммер как раз и регулирует мощность шириной импульса.

Да здесь нужно не регулирование некоего среднего значения, как в диммере.
Здесь нужно подать один, заранее вычисленный по длительности, импульс от стабилизированного источника питания или, скорее, от буферной емкости, заряженной до стабильного напряжения.

Мне думается, вернее будет регулировать силу удара не шириной импульса, а величиной напряжения буферной ёмкости. Потому как скорость нарастания тока в соленоиде от ширины импульса зависеть не будет, а когда нарастёт - уже поздновато может быть...

Поскольку энергия довольно велика, зарядить за короткое время буферный конденсатор до заданного напряжения очень трудно будет.
Возможно, тут точнее будет регулировать не длительность импульса, а амплитуду тока. Задача вполне решаемая.
Тогда к молотку подведется калиброванная энергия E=(LI^2)/2

Давно так не веселился!

Продолжу тему в том же духе:
А может не заморачиваться со всей этой молотковой механикой, а использовать что-то вроде такого: (см. файл)
Материал самого колокола электропроводный, катушку на боку закрепить реально, релировка усилия вообще любая...
Чем не выход?

Нужно оценить это время по максимальной частоте ударов. А как Вы предлагаете регулировать амплитуду тока? Последовательным резистором?


А что мешало?

А вот это очень интересно и никаких движущихся элементов.

Очень это сомнительно. Сила действия равна силе противодействия.
Катушка должна прикрепляться к более массивному, чем колокол, телу очень жестко. Тут есть вариант, когда эти силы будут прикладываться к разным сторонам колокола - растягивать его. Колокол даже качаться не будет. Только как долго катушка на колоколе продержится? И колокол должен быть большой. И звук может быть противный.
С другой стороны, если импульсы попадут в резонанс, то может быть интересно. Но это трудно себе (мне) представить.

to MaslovVG & 314:

ого ))) Признаюсь честно - в силу своей дундучности прочёл пдфки по диагонали... и, похоже, не понял "юмора".

Там говорится о притяжении участка куска металла с его последующей деформацией. Типа - битые машины выправлять или раковины из нержавейки штамповать )))

А как такой штукой стукнуть в колокол ? Намагнитить часть юбки колокола что бы к ней "прилип" язык и тем самым в неё ударил ? В таком случае - это "тот же шарик только в профиль".
Хотя, я скорее всего ничего не понял из этой научной работы...

Плотность энергии магнитного поля - это давление. Импульсное поле создает импульсное давление.
Точнее - разность плотностей между двумя сторонами проводящей поверхности. Наведенные токи в проводящей стенке как раз и создают эту разность. Gauss gun по сути.

Чтобы заставит колокол звучать, бить его можно не только языком, но и Кувалдой, или электромагнитным импульсом. Причем колокол не нужно намагничивать. Он электропроводный.

Максимальный темп можно принять что-то около 1/8 секунды. Для большого колокола и одна- полсекунды.
По резистивному датчику тока сигналом с компаратора отключать ключ.
Нарастание тока в катушке будет достаточно медленным и линейным.


Смутно вспоминаю из теории электромузыкальных инструментов...
Да, резонанс колокола дает звук совершенно не колокольный. "Противный" в некотором смысле.
Только механический удар порождает колокольный оригинальный спектр множества определенным образом затухающих колебаний. Причем, это не спектр из кратных гармоник, как у других инструментов.

То есть колокол, грубо говоря, задрожит от подведённой к нему электрической энергии ? И получится как будто по нему стукнули ...

Поверхность колокола в месте воздействия нарастающего магнитного поля получит "удар" как от кувалды.

Это требует экспериментальной проверки. При механическом ударе точка контакта молотка может по другому возбуждать
верхние моды колебаний колокола за счет определенной продолжительности и специфики контактирования.
Электромагнитный удар скорее всего будет ближе к возбуждению дельта-импульсом и соответственно с более богатым
спектральным составом.