Ferngelenkte Rasenmäher
Unsere Regler TVC-B30 und TVC-B100 eignen sich besonders für den Bau von ferngelenkten Rasenmähern, bei denen die Lenkung über unabhängige Steuerungen des linken und rechten Antriebs erfolgt. Dieses Verfahren wird in der Robotik Differentialantrieb genannt.(Nicht zu verwechseln mit einem Differentialgetriebe)
Da solche Projekte im Hobbybereich in der Regel nur mit begrenztem Budget durchgeführt werden können, gleichzeitig aber die Anforderungen recht hoch sind, gibt es einige Fallstricke.
Wir möchten hier einige Erfahrungen zusammenfassen. Wenn Sie nicht alles lesen wollen, lesen sie einfach die farblich hervorgehobenen Textteile. Der wichtigste Tipp vorab:
Messen Sie vor dem Einbau der Elektronik den Motorstrom im größten Lastfall. Der größte Lastfall für geländegängige Fahrzeuge mit Differentialantrieb ist das Wenden auf der Stelle mit vollem Fahrzeuggewicht auf Untergrund mit maximaler Traktion. Bei Rasenmähern ist das i.d.R. hohes Gras. Nutzen Sie zur Strombegrenzung bei der Messung Sicherungen. Wenn Sie kein Amperemeter haben, besorgen Sie sich Schmelzsicherungen unterschiedlicher Auslöseschwelle und beginnen Sie mit der kleinsten Sicherung.
Motorauswahl
Industrielle Getriebemotoren
Industrielle Getriebemotoren können sie bedenkenlos verwenden. Dazu gehören auch die aus der Fernost-Produktion stammenden Unity-Motoren mit Stirnradgetriebe.
Achten Sie aber auf die zulässige Nennbetriebsart des Motors. Die Nennbetriebsart (englisch duty oder duty cycle) ist ein genormter Begriff und beschreibt die Art der Belastung für die ein Motor konstruiert wurde.
z.B. bedeutet S1 (=Dauerbetrieb), der Motor darf kontinuierlich mit seinem Nenndrehmoment belastet werden. Praxisbeispiel: Lüfter oder Pumpe. Das ist eine sehr einfach zu berechnende Betriebsart. Ein Kettenfahrwerk hingegen bringt große Last- und Drehzahländerungen sowie Drehrichtungsumkehr mit sich. Am ehesten passt dazu der S9 Betrieb "Betrieb mit nichtperiodischen Last- und Drehzahländerungen". Diese Motoren sind als DC Motor in der notwendigen Leistungsklasse nicht marktüblich. Sie sollten nach S1 Betrieb Ausschau halten. Idealer Weise sollte das Spitzendrehmoment (Tellerwende) das Nennmoment des Motor nicht überschreiten.
Meiden sollten Sie Motoren der Betriebsarten S2 bis S5. Diese sind dazu konstruiert ihr Nennmoment für kurze Zeit abzugeben, dann brauchen sie aber auch eine lange Ruhephase um die mittlere Erwärmung nicht zu überschreiten. (Beispiel: Hydraulikmotor in einer Hub-Ameise. Der Motor muss zum Anheben der Last ein sehr hohes Drehmoment aufbringen, während der Fahrt kühlt er wieder ab, weil ein Radnabenmotor für den Antrieb sorgt). Ein anderes Beispiel für S2 Betrieb ist der Anlasser im Auto. Er kann kurzzeitig ein extremes Drehmoment aufbringen, aber keinesfalls dauerhaft.
Gerne übersieht man das, denn bei diesen Motoren ist bei gleicher Baugröße eines S1 Motor die doppelte Leistung auf dem Typenschild angegeben. Aber diese darf man eben auch nur kurzzeitig abrufen. Gleichstromotoren gleicher Betriebsart haben bei doppelter Leistung, auch das doppelte Volumen. Und natürlich auch den doppelten Preis.
Getriebemotoren aus dem Automotive Bereich
Oft werden Getriebemotoren aus dem KfZ-Bereich verwendet, weil diese günstig sind und ein hohes Drehmoment erzeugen können. Zu beachten ist hier, dass es eine sehr große Anzahl Sonderbauformen gibt, eine Auflistung findet sich weiter unten. Das heißt nicht, dass man sie nicht verwenden kann, aber man muss sich sicher sein, was man tut.
Es gibt auch hier eine Lösung, um Schaden am Regler zu vermeiden: Messen sie den Strom der Motoren in Ihrem aufgebockten Fahrzeug für alle vier Drehrichtungskombinationen.
Der Strom sollte für alle Kombinationen annähernd gleich sein und im Bereich des Leerlaufstromes liegen.
Hier nun einige Beispiele für Sonderbauformen, die alle aus Kundenfahrzeugen stammen.
- Einige Motormodelle nutzen das Motorgehäuse als Rückleiter, z.B, weil sie im Scheibenwischerbetrieb ohnehin nur in eine Richtung drehen. Sind solche Motoren auf eine gemeinsame Metallplatte geschraubt, so sind die Motorwindungen beider Motoren elektrisch miteinander verbunden. Das führt zu einem Kurzschluss bei der Ansteuerung. Messen Sie bitte mit einem Durchgangsprüfer, ob alle Wicklungsanschlüsse der Antriebe gegeneinander isoliert sind.
-
Nicht alle Scheibenwischermotoren können mechanisch in beide Richtungen drehen.
Die Schneckenwelle (= Motorwelle) drückt sich je nach Drehrichtung aus dem Motor hinaus/hinein. Für das Hinausdrücken ist eine Stahlkugel an der Spitze der Schneckenwelle, für das Hineindrücken ist diese Kugel nicht bei allen Antrieben enthalten, weil in einem Auto der Scheibenwischermotor immer nur in eine Richtung dreht. - Scheibenwischermotoren haben auf dem Schneckenrad oft Anschlüsse für Schleifkontakte die das Stoppen in der Endlage ermöglichen. Schliessen Sie nicht versehentlich die Ausgänge des Regler dort an.
- Es gibt Motore mit integrierten Entstörung, die das Motorgehäuse mit einer niederohmiger Induktivität gegen einen Motoranschluß legen. Von außen siehst man das in der Regel nicht. Die Induktivitäten sind intern auf dem Lagerschild der Kommutatorbürsten angebracht. Auch hier hilft eine isolierte Montage.
- Motoren mit Wicklungen für zwei Geschwindigkeiten führen also drei Wicklungsabgriffe heraus. Ein Bezugspunkt und zwei für die beiden Wicklungsabgriffe. Achten Sie darauf, dass sie den Regler nicht zwischen diese Abgriffe anschliessen, sondern an den Bezugspunkt und einem Wicklungsabgriff .
Es gibt noch eine Vielzahl anderer interessanter Bauformen, z.B. bremsen manche fremderregte Motoren mit einem Statorblech, bei dem ein Teilsegment drehend gelagert und mit einer Feder vorgespannt ist. Im bestromten Zustand zieht das Statorsegment an. Fällt der Strom ab, fällt es auf den Anker. Interessante Lösung, aber gänzlich ungeeignet um sie mit einem proportionalen Regler zu steuern...
Stromversorgung
Hauptschalter
Schalten Sie mit dem Hauptschalter immer den Strom in der + Leitung komplett ab.
Insbesondere wenn sie mehrere Regler für Hilfsfunktionen verbaut haben und diese getrennt schalten wollen.
Elektronische Regler im Modellbau sind über den Empfänger mit allen Minus zusammen geschaltet.
Schalten Sie daher in Fahrzeugen mit mehreren Reglern, die eine Masse vom Akku beziehen, NIE den Minus und trennen Sie im Betrieb NIE den Miuns eine Reglers vom Akku ! Der Regler zeiht dann die Masse über die Servoleitung, den Empfänger von einem anderen Regler. Diese hohen Ströme kann dieser Pfad aber nicht schadlos führen.
Akku
Eine der am häufigsten gestellten Fragen ist: "kann ich einen 10Ah Akku verwenden" Diese Frage beruht auf einen Mißverständnis. Auf dem Akku ist eine Energiemenge in Amperestunden (Ah) angegeben, kein Strom (A).
Der Strom, der von einem Verbraucher aus dem Akku entnommen wird, bestimmt in erster Linie der Verbraucher, hier die Antriebe.
Die Angabe von 10Ah (Amperestunden) bedeuten, der Akku kann eine halbe Stunde lang 20A, oder 1 Stunde lang 10A liefern. Das Produkt aus Strom und Zeit ist immer 10Ah
Entscheidend ist die Spannung, sie können die Regler auch mit einer 200Ah/12V Autobatterie betreiben.
Den maximalen Strom, den ein Akku liefern kann, findet man oft nur im Datenblatt.
Bei Rasenmähern mit differentiellen Antrieben ist das durchaus ein Problem, weil beide Antriebe beim Wenden den Blockierstrom aufnehmen, und dieser kann beim 3-5 fachen Nennstrom liegen.
Da Rasenmäherprojekte oft mit begrenztem Budget arbeiten und die auftretenden Ströme meist nicht bekannt sind, kann man pragmatisch vorgehen. Man kann günstige Bleiakkus, die für USV (unterbrechungsfreie Stromversorgungen) oder Alarmanlage konstruiert wurden verwenden. Da mit grösserer Kapazität auch der max entnehmbare Strom steigt sollte mindestens ein 7,5Ah verwenden. Wenn längerer Fahrzeiten gewünscht sind, mit entsprechend höher Kapazität. 24V erreicht man durch Reihenschatung von zwei 12V Akkus mit gleicher Kapazität.
Man muss bei Fahrzeugeinsatz allerdings damit rechnen, dass die Akku's nicht die normale Lebensdauer erreichen werden.
Will man hier sicheren Dauerbetrieb, sollte man hochstromfähige Akkus z.B. von Hawker Energy verwenden.
Empfängerstromversorgung
Für den Empfänger und die Servos wird eine kleine Spannung benötigt. I.d.R. sind das 5V. Diese 5V mit einem Längsregler aus den 24V zu erzeugen ist verlustreich, daher liegt die Idee nahe, getaktete Schaltnetzteile 24V nach 5V zu verwenden. Industrielle Schaltnetzteile sind i.d.R. dafür konstruiert, als alleiniger Versorger Strom an ohmsche Lasten zu liefern. Für das Aufnehmen von Strom (man nennt das Rückwärtsspeisung) sind sie nicht gemacht.
In einem Funktionsmodell ist aber genau das oft der Fall:
Servos werden von der BEC gespeisst. Servos enthalten Motoren die in bestimmten Betriebsfällen Ströme erzeugen die zurück in den BEC Regler fliessen können. Wird beispielsweise ein Jumboservo zum Heben eines Kanonenrohrs, Auslegers o.ä. verwendet und wird es über diesen großen Hebel angetrieben, arbeitet das Servo als Generator.
Ein anderer Fall ist das Parallelschalten von BEC Versorgungen. Heute ist es sehr üblich, das auch der kleinste Regler seine eigene BEC mitbringt. Die erzeugten Spannung der Regler und der getakteten BEC werden und einstecken in den Empfänger parallel geschaltet.
Zudem sind getaktete Spannungsregler, verglichen mit einem Empfängerakku, nur begrenzt überlastfähig.
Je nach Typ der getakteten Regler kann es zu überspannung im BEC Kreis kommen (diese zerstört oft digitale Baugruppen die mit 5V +-10% arbeiten) oder der Schaltregler setzt kurz aus, wodurch Regler und Empfänger in den Unterspannungs-Reset gehen können.
Verkabelung und Spannungsüberhöhung
In einem elektrisch betriebenen Fahrzeug kann auch Energie zurück zum Akku fließen.
Ist das System dafür nicht ausgelegt, kann eine Überspannung auftreten. Die Stromquelle muss also mit ausreichendem Kabelquerschnitt an eine Quelle angeschlossen sein, die auch Ströme aufnehmen kann, wie ein Bleiakku.
Problematisch kann sein:Fazit
Power Servo
In Großmodellen werden für Sonderfunktionen naturgemäß höhere Kräfte benötigt. Servos beziehen ihren Strom über den Empfänger aus der Empfängerstromversorgung. Entsprechend stark muss die Empfängerstromversorgung ausgelegt werden. Probleme können hier beim Einsatz einer elektronischen Empfängerstromversorgung entstehen. Diese sind i.d.R. elektronisch Strom begrenzt. Wird bei Betrieb des Modells ein Lastfall erreicht die einen Strom zur Folge hat der die BEC in die Begrenzung treibt, regelt diese ab und Empfänger und Regler gehen in den Unterspannungs-Reset.
Es ist immer überlegenswert, ob man Servos, die viel leisten müssen, wirklich mit der geringen Spannung des Empfängerstromkreises versorgen soll. Für solche Fälle gibt es spezielle Servos mit externer Stromversorgung (allerdings nur bis 12V) oder man baut ein Servo mir einer Power Servo-Elektronik auf, wie unser GFMC-PS10. In beiden Fällen wird der Motor im Servo direkt aus dem Fahrakku gespeisst und belastet damit nicht die BEC.
Masseschleifen
Masseschleifen können zum Problem werden, wenn sehr leistungsstarke Regler im Modell sind, zu geringe Leitungsquerschnitte verlegt sind oder ein Mikroregler und ein großer Regler im Modell sind. Oft sind in dieser Modellen Servo-Masseleitungen verschmort, über die sonst eigentlich kein nennenswerter Strom fließen sollte. Die Erklärung dafür:
Angenommen der Antriebsregler gibt einen großen Strom zum Motor aus, dann fließt der größte Teil des Stromes direkt über die Reglerklemmen vom Akku zum Motor. Ein Teil des (Masse)stromes fliesst aber unvermeidlich auch über den Empfänger, über den Masseanschluß des zweiten Reglers. Man sollte also auch zu den kleinen Reglern einen ausreichenden Leitungsquerschnitt verlegen.
In solchen Anordnungen sterben auch gerne Regler, wenn sie bei eingeschaltetem Modell, nacheinander in den Akku eingesteckt werden. Man sollte immer eine feste Verdrahtung verwenden, die man über einem Hauptschalter in der + Zuleitung einschaltet. In hartnäckigen Fällen muss eine sog. galvanische Trennung in die Servoleitung eingebaut werden. (In unseren 100A Reglern ist das Standard)
Stromversorgung des Modells
Große induktive Lasten wie Motoren, Magnetventile und Elektromagnete speisen Energie zurück in den Akku. Normale Akkumulatoren (egal ob Bleiakku,LiFePo oder LiPo) können diese Ströme aufnehmen und verhindern gleichzeitig dadurch eine Spannungsüberhöhung. (Vorausgesetzt der Leitungsquerschnitt ist richtig dimensioniert)
Elektronische Stromversorgungen können i.d.R. keine Ströme aufnehmen. Den Betrieb des Modells an Labornetzteilen, Akkuladegeräten o.ä. sollte man daher vermeiden.
Magnetventile und Elektromagnete
Die magnetische Energie bauen diese Spulen beim Abschalten durch hohe Induktionsspannungen ab. In einfachen (realen) Baumaschinen oder Geräten, in denen es keine Elektronik gibt, trifft man keine weiteren Maßnahmen um diese Spannung zu begrenzen.
Daher (oder weil sie auch mit Wechselspannung betrieben werden können) werden die Ventile i.d.R. ohne weitere Schutzmaßnahmen ausgeliefert.
Anders in elektronisch gesteuerten Geräten, hier muss eine sog. Freilaufdiode antiparallel zur Spulenwicklung angebracht werden, um das Rückspeisen der Hochspannung in die Elektronik zu verhindern. Oft gibt es zu den Magnetventilen passende Stecker, in denen diese Freilaufdioden bereits verbaut sind.
Die Spule hat nach dieser Maßnahme eine Polarität, die natürlich zu beachten ist. Es werden auch Varistoren oder RC-Glieder verwendet, diese haben keine Polarität.