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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