Ich versuche, zusammen mit meinem Bruder, für einen "Museums-Helicopter"
einen funktionierenden Antrieb aufzubauen und das hübsche alte
Schätzchen dadurch wieder zum Leben zu erwecken. Problematisch hieran
ist die Steuerung des Gleichstrom-Motors, der den Heckrotor antreibt.
Ich versuche, das Problem möglichst präzise und eindeutig zu skizzieren.
- Im ersten Teil stelle ich ganz kurz Ausgangslage +
Anforderungssituation am konkreten Modell vor, damit das zu lösende
Problem unmissverständlich klar wird.
- Im zweiten Teil skizziere ich nur noch das elektronische Problem und
meine Ideen zur Lösung. Wer mag, kann Teil 1 überspringen und direkt
Teil 2 lesen.
== Teil 1: Ausgangslage und Anforderungssituation ==
0) Der Hauptrotor eines Helis erzeugt bekanntlich über seinen
Luftwiderstand ein kräftiges Drehmoment am Modell. Ohne Heckrotor würde
das Modell in der Luft kreiseln.
1) Das Drehmoment ändert sich obendrein ständig mit jeder Steuereingabe,
die die Stellung der Rotorblätter verändert. Deshalb werden Helis heute
mit einem elektronischen Gyro stabilisiert, dass kleinste Drehbewegungen
erfasst und die Heckleistung über PIDs entsprechend SEHR EXAKT innert
weniger Millisekunden nachregelt.
2) Für diese Leistungsregelung am Heck gibt es heute zwei gängige
Lösungswege. Ich skizziere kurz beide, damit wir Missverständnisse
vermeiden:
a) DAS PITCH-HECK: Hier hängt der Heckrotor menachnisch mit am
Hauptmotor und dreht deshalb immer gleich schnell, während ein Servo
über eine PPM-Signalsteuerung den Blattwinkel ("Pitch") am Heckrotor
ändert. Je steiler das Blatt, umso höher die Leistung.
Zum Ausbalancieren des Hecks ermittelt die Bord-Elektronik mit Hilfe der
Gyro-Messwerte und modellspezifisch angepasste PIDs alle 20ms ein
PPM-Signal, das zwischen 0,5 ms und 2,5 ms lang ist und dem o.g. Servo
so den Soll-Wert für die richtige Blattanstellung liefert.
b) DAS DIRECT-HECK: Ältere Modelle und Übungsmodelle wie der oben
abgebildete Eco 7 haben eine mechanisch viel simplere Heckkonstruktion.
Ihr Heck besitzt lediglich einen DC-Motor, auf dessen Welle eine
Luftschraube mit festem Blattwinkel sitzt. Die Leistung dieses
Heckventilators hängt deshalb von der Motordrehzahl ab - und die
wiederum wird über PWM gesteuert.
3) Oft gibt es gute Gründe, ein PPM-Heck gegen ein PWM-Heck zu tauschen
und anders herum. Es grenzt an Irrsinn, wieviel Geld und Schweiß viele
Heli-Freaks für entsprechende Kits, Signalkonverter etc. opfern.
Besonders oft wollen Bastler den Bürstenmotor gegen einen
Brushless-Motor wechseln - was neben dem Speedcontroller ja vor allem
einen abgestimmten PWM-auf-PPM-Konverter erfordert.
== Teil 2: Das elektronische Problem und Lösungsideen ==
Für das vorliegende Modell (Eco 7) muss eine All-in-one-Platine
verwendet werden, die Empfänger, Gyro und den PWM-gesteuerten
Motoranschluss für den DC-Heckmotor enthält.
Der Heckmotoranschluss liefert bis zu 3,6 Ampere bei max. 11 Volt, also
rund 36 Watt. Es ist nicht bekannt, wie das Tastverhältnis p
(https://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweitenmodulation) hierbei
aussieht; der DC-Motor pfeift beim Anlaufen aber mit exakt 2000Hz. Das
ist zwar unangenehm hörbar, aber die PWM-Schaltungsverluste bleiben
adäquat.
Die Elektronik liefert indes nur dann eine messbare Spannung, wenn ein
Verbraucher angehängt ist. Warum das so ist, habe ich noch nicht ganz
verstanden (https://www.heise.de/select/make/2016/6/1482398401198797).
36 Watt sind für den Eco 7 indes zu wenig. Ermittelt habe ich rund 58
Watt Leistungsbedarf. Gesucht werden funktionale Ideen, um diese
Mehrleistung zu ermöglichen UND ZU KONTROLLIEREN! Die Lösung bietet
idealer Weise
- möglichst wenig Gewicht
- wenig Verlustleistung
- Optionen, um die Leistungskurve /-linie anzupassen (sonst haben wir
einen Brummkreisel statt einem Heli)
Das sind meine Sorgen:
- Die Lösung liefert zu wenig oder zuviel Leistung im Mittelwert: Heli
rotiert im/gegen den Uhrzeigersinn.
- Die Lösung reagiert zu langsam oder zu schwach: Heck dreht sich weg.
- Die Lösung reagiert zu heftig/unkontrolliert: Das Heck schlägt aus und
pendelt. (= Probleme mit Flankensteilheit, PIDs stimmen nicht mehr,..)
Das ist meine erste Lösungsidee:
a) Ich hänge einen Widerstand an den Motoranschluss und lese mit einem
Arduino Nano das PWM-Signal mit analogRead(Pin) ein. In C++ programmiere
ich dann eine entsprechende Skala und erzeuge dann ein geeignetes
PPM-Signal für einen Standard-Brushed-Regler.
Problematisch daran finde ich:
?: Ich weiß ja gar nicht, wie das PWM-Signal wirklich aussieht. Die
angenommenen 2000 Hz sind ja nur mit Smart Oscilloscope/Tongenerator
ermittelt. Wie realistisch ist diese Vermutung?
?: Ist der Arduino wirklich schnell genug, um die Einschaltdauer des
PWM-Signals korrekt zu lesen? Wäre es nicht schlauer, statt der
Einschaltdauer direkt via Spannungsteiler die effektiv eingestellte
Spannung am PWM-Anschluss zu messen und daraus das PPM-Signal zu
errechnen?
Mich würde interessieren, was ihr darüber denkt.
Hoffentlich war alles verständlich!
Herzlich!
Michael
Angehängte Dateien:
-
Unbenannt1.jpg
34 KB
Michael S. schrieb: > Ist der Arduino wirklich schnell genug, um die Einschaltdauer des > PWM-Signals korrekt zu lesen? Wäre es nicht schlauer, statt der > Einschaltdauer direkt via Spannungsteiler die effektiv eingestellte > Spannung am PWM-Anschluss zu messen und daraus das PPM-Signal zu > errechnen? Das glaube ich schon. Wobei eine direkte Zeitmessung innerhalb eines PWM-Zyklus fertig wird, die Messung eines Mittelwertes aber erst einen analogen Tiefpaß (Mittelwertfilter) durchlaufen muß (etliche PWM-Zyklen!) um dann anschließend AD- gewandelt zu werden.
Mark S. schrieb im Beitrag #5093638 (Zitat von TO gekürzt): > [erfordferlich sind] analoger Tiefpaß (Mittelwertfilter, > etliche PWM-Zyklen!), > um dann anschließend AD- gewandelt zu werden. Hm, stimmt. Ein artverwandtes Problem hatte ich mit der Auswertung von Messdaten eines Farbsensors am Arduino. Erst 20-35 Messungen zusammen erlaubten valide Mittelwerte. Das bremste das Programm natürlich erheblich. Verzögerungen sind nun gerade das, was man am Heli-Heck nicht gebrauchen kann. Je später das Heck reagiert, umso schwieriger wird es, den Fehler wieder auszubügeln. Messfehler, also ungeeignete Mittelwerte, wären ggfs. sogar fatal = no go. Nur by the way: Sehe ich das richtig, dass man hier (http://funduino.de/nr-11-spannung-messen) zwei Wiederstände als "Spannungssensor-Modul" teuer weiterverkauft?! Ist ja witzig... ;-)
Mark S. schrieb: > Das glaube ich schon. Wobei eine direkte Zeitmessung innerhalb eines > PWM-Zyklus fertig wird, die Messung eines Mittelwertes aber erst einen > analogen Tiefpaß (Mittelwertfilter) durchlaufen muß (etliche > PWM-Zyklen!) um dann anschließend AD- gewandelt zu werden. @Mitleser/Google-Reisende: hilfreiche Lektüre zu Marks Hinweis über den Tiefpass-Filter bspw. hier: Beitrag "Tiefpassfilter für PWM Signal" Inwiefern ich ohne richtiges Oszilloskop überhaupt einen g'scheiten Tiefpassfilter basteln kann, mag ich gar nicht einschätzen.
Frag doch mal Leute, die das Ding noch fliegen. http://www.rclineforum.de/forum/board35-helicopter/board36-helis-allgemein/319681-hauptzahnrad-f%C3%BCr-ikarus-eco-7/#post3996889
Danke für den rconline-Tipp, aber denen geht es darum, den Hauptantrieb wieder fit zu kriegen, weil deren Hauptzahnrad defekt ist. Da braucht man aber nix drucken oder fräsen - das HZR vom Logo 600 passt ohne Bohren 100% auf das Freilauflager und hat das gesuchte Modul 0,5. In DIESEM Thread geht es dagegen allein um die Frage, wie man eine größere elektrische Last an ein vorgegebenens Gyrosystem hängen kann, das eine PWM-gesteuerte Spannung für einen nur halb so großen Motor ausgibt. @Mark Space: Du hast an Spulen gedacht, als du vom Tiefpass geschrieben hast? Wenn ich das recht verstehe, sorgt eine Spule über ihre Kapazität und elektromagnetische Gegeninduktion dafür, dass Spannungen oberhalb einer Grenzfrequenz erheblich gedämpft werden. Hier wäre die Grenzfreuquenz vermutlich rund 3000 Hz; darunter soll alles durchlaufen. In Schaltbildern sehe ich immer einen zusätzlichen Kondensator (Filter für hochfrequentere Spannungen); wozu der gut ist, muss ich noch verstehen. Danke erstmal! :-)
Was ich nicht verstehe: warum reicht die Leistung des Originalreglers nicht? Ist er defekt? Bei uns ist einige Mal ein Eco 7 mit Originalplatine geflogen, und dort hat die Leistung am Heck gereicht.
Wenn Du bereits über einen geregelten PWM-Ausgang verfügst, wäre es dann
nicht das Beste wenn man diesen einfach verstärkt? Eine
Polaritätsänderung hat man ja nicht vorliegen, da der Motor immer nur in
einer Drehrichtung betrieben wird.
Mein Vorschlag wäre den Open-Drain-Ausgang des Reglers als Ansteuerung
für einen stärkeren MOSFET zu nutzen. Einfach Variante würde nur aus
MOSFET, PNP- oder NPN-Transistor und zwei Widerständen bestehen:
IN +Ub +Ub
| \------- +
/ Ausgang zum Motor
--R1---< PNP /------- -
\ |
| |
|---------< N-ch MOSFET
R2 |
| |
GND GND
Michael S. schrieb: > In DIESEM Thread geht es dagegen allein um die Frage, wie man eine > größere elektrische Last an ein vorgegebenens Gyrosystem hängen kann, > das eine PWM-gesteuerte Spannung für einen nur halb so großen Motor > ausgibt. Eigentlich gar nicht. Man kann keinen Verstärker nachschalten denn Michael S. schrieb: > Die Elektronik liefert indes nur dann eine messbare Spannung, wenn ein > Verbraucher angehängt ist. Warum das so ist, habe ich noch nicht ganz > verstanden Ist bei gebootstrappten H-Brücken normal. Einziger Weg: Die vorhandene Brücke (oder dreht der Heckrotor womöglixh nur in eine Richtung und es ist gar keine H-Brücke sondern nur ein einzelner PWM Transistor) verstärken, d.h. für den gewünschten Strom auslegen. Variante a) Kühlung der Endtransistoren verbessern, durch grössere Lühlbleche/Kühlkörper. Variante b) dem oder den Teansistoren der Endstufe je einen weiteren parallel schalten. Variante c) bessere Transistoren mit höherer Strombelastbarkeit einbauen. Ja, Variante d) an vorhandene Endstufe eine kleinere aber ausreichende Last anklemmen und dann die Spannungen mit einer zweiten Endstufe verstärken ist nicht sinnvoll.
Im Heli wird das Board aus einem WLToys V950 verwendet; es leistet (wie sein Vorgänger Master CP von Walkera) max. 40 Watt am Heck. Es hat gewichtige Gründe, warum dieses Board eingesetzt werden soll und kein Vstabi/Original etc. Auch ein Pitchheck eines 500ers kommt nicht in Frage. Back 2 Topic!
MRaw schrieb: > Wenn Du bereits über einen geregelten PWM-Ausgang verfügst, wäre es dann > nicht das Beste wenn man diesen einfach verstärkt? Eine > Polaritätsänderung hat man ja nicht vorliegen, da der Motor immer nur in > einer Drehrichtung betrieben wird. Ganz genau so ist es. > Mein Vorschlag wäre den Open-Drain-Ausgang des Reglers als Ansteuerung > für einen stärkeren MOSFET zu nutzen. Ah, ein Mosfet! Ich Dussel hatte über elektronische Relais nachgedacht, dabei ist ein Mosfet doch naheliegend! Peinlich! :-/ >Einfach Variante würde nur aus > MOSFET, PNP- oder NPN-Transistor und zwei Widerständen bestehen: > > > IN +Ub +Ub > | \------- + > / Ausgang zum Motor > --R1---< PNP /------- - > \ | > | | > |---------< N-ch MOSFET > R2 | > | | > GND GND Wenn ich die Schaltskizze richtig verstehe, dann schaltet der PNP für die Pulsdauer einfach das Mosfet durch, und die beiden Widerstände stellen den Spannungsteiler dar? +Ub bedeutet hier wohl Betriebsspannung, also die 11,1V vom LiPo. Ganz herzlichen Dank für die tolle und einfache Idee! :-)
MaWin schrieb: > Ist bei gebootstrappten H-Brücken normal. Nur am Rande: Danke für solche kleinen Randkommentare. Da weiß man, wo sich das Nachlesen nochmal lohnt. N8! :-)
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