Der Y6 Multicopter Schaltplan

Zuletzt geändert: 2. Mai 2020
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Bald taucht die Frage auf wie wir die Kom­po­nen­ten miteinan­der ver­schal­ten. Wir wis­sen noch nicht wie viele Akkus wir ein­set­zen, und wie genau die Elek­tron­ik verk­a­belt wird, aber die fol­gende Grafik gibt erste Anhalt­spunk­te was, wie mit wem ver­schal­tet wer­den kön­nte.

Schaltplan Leistungsteil (Version 4)

Aktuell schaut das so aus: Wir tren­nen die Strom-Kreis­läufe. Es wird nicht mehr alles aus den Flu­gakkus ver­sorgt. Die primäre Bor­delek­tron­ik — Empfänger,  Flight­con­troller, Kom­pass und GPS — auf dem Plan rot hin­gelegt — erhält eine eigene Span­nungsver­sorgung und wird vom Leis­tung­steil (weißer Bere­ich) getren­nt. Diese Mod­i­fika­tion wird durch Ver­wen­dung von Stellern mit Optopop­plern sowieso nötig. Einen drit­ten eigen­ständi­gen Stromkreis — auf dem Plan grün hin­ter­legt — bilden die sekundären Kom­po­nen­ten Kam­era-Gim­bal, Beleuch­tung, Fahrw­erk etc.

Der senkrechte graue Kas­ten ist die Stromverteil­er­plat­te für den Leis­tung­steil

Der Über­sichtlichkeit hal­ber zeich­nen wir zwei Pläne. Einen mit Fokus auf den Leistungsteil/Spannungsversorgung  und einen der den Steuerteil detail­liert­er darstellt:

Schaltplan Steuerteil

Der Schalt­plan für den Steuerteil zeigt wie der Pix­hawk mit dem Empfänger, den Stellern und der Span­nungsver­sorgung ver­schal­tet wird. Der Über­sicht hal­ber habe ich mich auf die wesentlichen Verbindun­gen beschränkt. Andere Periph­erie wie Buzzer, Schal­ter, GPS und Kom­pass kann man bequem der orig­i­nalen Anleitung für den PIXHAWK Flight­con­troller ent­nehmen. Die Steller sind den Motoren wie im Kapi­tel 11.0 “Drehrich­tung der Pro­peller und Motoren” beschrieben zuge­ord­net.

Die Span­nungsver­sorgung des UAV Gesamt­sys­tems mit seinen drei gal­vanisch getren­nten Stromkreisen.

Die Sache mit den Spannungsreglern (BEC)

Späten­stens wenn man die ersten Kom­po­nen­ten vor Augen hat fällt auf das es unter­schliedliche Span­nun­gen im Sys­tem gibt:

  • Empfänger Graup­n­er GR-24: 5V
  • Bor­drech­n­er: 5V
  • Motoren: 22,2 V
  • Flu­gakku : 6s = 6*3,7V = 22,2 V

Siehe auch 7.2.5 Akkukon­fig­u­ra­tion

Der Flu­gakku ist für die Anforderun­gen der Motoren aus­gelegt. Um die anderen Anforderun­gen zu erfüllen müssen entwed­er sep­a­rate Akkus mit passender Span­nung benutzt wer­den, oder die Span­nung vom Motorakku muss passend gemacht wer­den. Das  geschieht über Span­nungsre­gler (BEC — Switch­ing Battery Elim­i­na­tion Cir­cuit).

Lin­eare BEC sind recht unef­fek­tiv da sie die nicht benötigte Span­nung ein­fach über einen Wider­stand reduzieren und in Wärme umwan­deln. Getak­tete BEC (SBEC) arbeit­en ähn­lich wie Schalt­net­zteile: Sehr effizient mit hohem  Wirkungs­grad von zum Teil mehr als 90%. Auf­passen beim Einkauf:  Die Beze­ich­nung UBEC (Ulti­mate oder Uni­ver­sal BEC) meint nicht zwangsläu­fig SBEC!

Regler haben eine max­i­male Ein­gangss­pan­nung. Unsere 22,2 Volt auf 5 Volt herunter zu regeln ist schon eine Ansage.  Da wir Steller mit Optokop­pler ver­wen­den sind wir sowieso gezwun­gen eine  zweite Span­nungsver­sorgung bere­it zu stellen:

  • Empfänger Akku: 2s = 2* 3,7V = 7,4 V

Diese Span­nung liegt schon in der Nähe der geforderten 5 Volt. Die Dif­ferenz ist sehr gut wegzuregeln. Wir haben uns entsch­ieden einen Regler von Graup­n­er einzuset­zen: Die Empfänger­stromver­sorgung PRX-5A. Das coole an dieser nicht ganz preiswerten Lösung ist das zwei Akkus am Ein­gang, und zwei Leitun­gen zum Empfänger geschal­tet wer­den kön­nen was die Aus­fall­sicher­heit an der Stelle erhöht. Die Redun­danz hat aber ihre Schwach­stelle und das ist der Regler sel­ber. Wenn der aus­fällt, fällt das Flug­gerät vom Him­mel.  Davon ab hat er ein paar zusät­zliche nette Fea­tures. Mal sehen wie brauch­bar das Teil ist.

Dahin­ter greifen wir dann auch die Span­nung für den Bor­drech­n­er ab. Das bedeutet wir benöti­gen hier noch eine Kabel­we­iche (TODO).

Wichtig ist an der Stelle der Hin­weis das ggfs. auch Ser­vos darüber ver­sorgt wer­den (müssten).  Der Empfänger benötigt laut Betrieb­san­leitung ca. 70mA. Was das PIXHAWH zieht müssten wir noch her­aus­find­en. Für jeden analo­gen Ser­vo sollte man 305mAh und für jeden dig­i­tal­en Ser­vo 500mAh ver­an­schla­gen. Block­ierte Ser­vos kön­nen bis zu 750mA ziehen wenn sie unter Last block­ieren. Die 6 Opto-Steller müssen auch ver­sorgt wer­den. Das müssen wir bei der Wahl der Kapaz­ität des Empfänger­akkus berück­sichti­gen (CHECK).

Zu ver­sor­gen sind also:

  • Empfänger Graup­n­er GR-24: 5V, 70mA.
  • Pix­hawk: 5V, _____ mA
  • Steller: 5V, _____ mA
  • ggfs. Ser­vos: _____V , 305 (500) — 750mA

Die Sache mit den Optokopplern

Ein Steller ist ja dazu da das Drehfeld für den Motor zu erzeu­gen und die Drehzahl zu regeln. Dazu ist eine aufwändi­ge Elek­tron­ik ver­baut die mit 5 Volt arbeit­et. Am Steller liegt die wesentlich höhere Span­nung des Antrieb­sakkus an. Daraus wer­den über einen intern ver­baut­en BEC die 5 Volt zum Betrieb dieser Elek­tron­ik gewon­nen (die über­schüs­sige Wärme wird über einen Küh­lkör­p­er abge­führt).  Diese Span­nung liegt dann auch am dreipoli­gen Steuerk­a­bel an und kann dort zur Ver­sorgung ander­er Bauteile (Empfänger, Bor­drech­n­er, etc.) abge­grif­f­en wer­den.

CHECK: Der rote Draht wird oft ein­fach abgeschnit­ten, und nicht zur Ver­sorgung der restlichen Elek­tron­ik her­an gezo­gen. Steller sind so gebaut das sie sich bei Über­hitzung abschal­ten… und damit würde auch der Rest der Elek­tron­ik aus­fall­en. Deshalb sollte man die BEC niemals zur Span­nungsver­sorgung der anderen Kom­po­nen­ten benutzen! Auch der schwarze Draht sollte abgek­lemmt wer­den um Ground­loops zu ver­mei­den?

Hier gibt es keine Tren­nung zwis­chen Leis­tung­steil und Steuerteil.

Nachteil dieser Lösung ist das die doch recht hohe Ver­lustleis­tung in Form von Wärme abge­führt wer­den muss,  und — viel wichtiger —  das Leis­tung­steil und Steuerteil elek­trisch miteinan­der gekop­pelt sind so das hochfre­quente Störsig­nale durch die BEC Elek­tron­ik in die Steuer­leitung einge­speist wer­den kön­nen. Um das zu ver­hin­dern kann man bei­de Kreise über Optokop­pler gal­vanisch tren­nen.

Optokop­pler” bedeutet “optisch gekop­pelt”. Das Steuersig­nal steuert den Leis­tungstran­sis­tor nicht mehr direkt an, son­dern “optisch” über eine Leucht­diode …auf der anderen Seite sitzt dann ein Empfänger (zB. in Form eines Foto­tran­sis­tors) der optis­chen Sig­nale wieder in elek­trische Sig­nale  zur Ans­teuerung des Leis­tungstran­sis­tors umwan­delt .

steller-opto-001
Mit Optokop­pler ist der Leis­tung­steil vom Steuerteil voll­ständig getren­nt.

Wichtig ist dabei das zwei vol­lkom­men getren­nte Stromkreise entste­hen!

Das bedeutet das man neben dem leis­tungsstarken Flu­gakku — der für die Motoren zuständig ist,  einen zweit­en Akku für die Elek­tron­ik bere­it­stellen muss. Da in einem Opto-Steller kein BEC ver­baut ist muss die Span­nung zur Ver­sorgung des Optokop­plers durch das dreipolige Steuerk­a­bel bere­it gestellt wer­den.

Um es nochmal zu verdeut­lichen: Es macht abso­lut keinen Sinn ein­fach einen exter­nen BEC an den Flu­gakku anzuschliessen und die Aus­gangss­pan­nung dann in den Steller einzus­peisen. Damit wär das Optokop­pler-Prinzip der voll­ständi­gen gal­vanis­chen Tren­nung wieder aufge­hoben.

Stromkreis 3: Gimbal & Beleuchtung

Gim­bal und Beleuch­tung bekom­men auch einen eige­nen Stromkreis. Um eine saubere Tren­nung der Stromkreise zu erre­ichen wer­den die Steuersig­nale vom Empfänger auch über Optokop­pler einge­speist. Mögliche Lösun­gen:

<work in progress>

Die Sache mit den Erdschleifen

<com­ing very soon>

Wichtig: Bei der Ver­schal­tung  Mass­eschleifen (Ground­loops)   ver­mei­den! (CHECK)

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