HIGH END REGLER 2N2N

Für Bürstenloser Motor mit CAN Bus Datentransfer

In der vorliegenden Anleitung wird eine konstruktive und technische Beschreibung des Reglers für Fluggeräte mit mehreren Rotoren (Multicopter / Multikopter) gegeben. Der Regler ist das Ergebnis einer langfristigen Forschung und bietet eine Hi-End-Lösung auf diesem Gebiet. In diesem Gerät werden die führenden Technologien aus Elektrotechnik, Regelungstechnik und Softwareentwicklung vereint. Bei der Entwicklung des Reglers gab es keine Kostenbegrenzung für die einzelnen Komponenten, da es hier vordergründig um dessen Zuverlässigkeit ging.

Die momentan auf dem Markt angebotenen vielzähligen Regler für bürstenlose Motoren verschiedener Hersteller, die auf Steuerbus PWM oder I2C basieren, besitzen eine Vielzahl von Nachteilen. Sie werden nach dem Prinzip der günstigsten Teile konzipiert (billige Komponentenbasis) und verursachen viele Probleme bei Benutzung in Fluggeräten mit mehreren Rotoren (Multicopter / Multikopter). Dies hängt damit zusammen, dass viele Regler verschiedener Hersteller bereits vor langer Zeit entwickelt wurden. Hier werden immer noch veraltete Komponenten verbaut und überholte regelungstechnische Lösungen verwendet. Diese Regler wurden mehr für den Hobby-Gebrauch gefertigt und manche von ihnen eignen sich mit ihren Parametern absolut nicht für Multicopter / Multikopter.

Die Verwendung des hochgradig geschützten Steuerbusses CAN in unserem Geschwindigkeitsregler bringt zusammen mit den anderen technischen Lösungen eine enorme Erhöhung an Zuverlässigkeit mit sich. Eine große Beachtung wurde der Stabilität der Versorgung aller Kreise des Reglers gewidmet. Versorgungsstabilität, Fehlen jeglicher Störungen – das ist einer der Grundfeiler jeder Hi-End-Lösung. Ausgerechnet dieser Aspekt wird bei der Mehrheit der Regler auf dem Markt für Massenmodellbau zum Zwecke der Mehreinnahmen nicht beachtet, denn es würde den Preis des Endproduktes deutlich erhöhen. Aus diesem Grund war es nicht unsere Aufgabe einen Regler für den Massenmodellbau zu entwickeln. 

Für welche Aufgaben kann dieser Regler denn verwendet werden?

In letzten Jahren wird ein großes Wachstum im Bereich der Verwendung von schweren professionellen Fluggeräten mit mehreren Rotoren und verschiedenen industriellen unbemannten Flugsystemen beobachtet. Diese werden verwendet für die Arbeit in der Videoindustrie, Video- und Fotoaufklärung, für die Erfassung verschiedener Daten in der Umwelt aus der Luft (Wärme- und radioaktive Strahlung, Funkwellenpeilung usw.), Aufspüren von Waldbränden, Verkehrsüberwachung, verschiedene wissenschaftliche Zwecke, Überwachung von Öl- und Gaspipelines, Grenzkontrollen, militärische Zwecke, polizeiliche oder rettungsdienstliche Einsätze usw. Bei Einsätzen zu solchen industriellen oder militärischen Zwecken unterscheiden sich die Ansprüche an das Gerät bedeutend von dem Gebrauch im Hobbybereich. In erster Linie ist es die Zuverlässigkeit. Genau für solche Art von Einsätzen wurde dieser Hi-End-Geschwindigkeitsregler für bürstenlose Motoren entwickelt. Der Gebrauch des Gerätes im Hobby-Flugmodellbau wird überwiegend durch dessen Preis begrenzt (der Preis ist höher als bei den meisten billigen Reglern). Aber auch bei den Modellbauern gibt es Kunden, die der Notwendigkeit an Zuverlässigkeit und Qualität bei ihren Modellen bewusst sind und dadurch bereit sind mehr Mittel in die Ausstattung ihrer Fluggeräte zu investieren.

Im Laufe der Zeit hat es sich so ergeben, dass der Steuerbus PWM als die sich am meisten bewährte und verbreitete Steuerungsvariante im Flugmodellbau geworden ist. Er gilt als die klassische Lösung, welche die Modellbauer bis zu heutigen Zeit zufriedengestellt hat. Allerdings passt diese Art von Steuerung nicht zu den modernen Einsatzanforderungen und vor allem zu Multicoptern, weil die Steuergeschwindigkeit zu niedrig ist und die Möglichkeit zum Empfang von telemetrischen Daten vom Regler fehlt.

Die in den letzten Jahren auf den Markt gekommenen Regler mit dem I2C-Steuerbus haben sowohl eine schnellere Regelung der Drehzahl von bürstenlosen Motoren als auch den Empfang von Daten über die Spannung, Stromverbrauch, Temperatur, Motordrehzahl u.a. ermöglicht. Aber dieser Steuerbus ist nicht gegen Funkstörungen geschützt und nicht für den Gebrauch in Gebieten mit solchen Störungen geeignet (lange Übermittlungswege, starke Störungen durch Magnetfelder). Dies hat bereits zu vielen außerordentlichen Situationen, Ausfällen des Steuerbusses I2C (Störungen in der Versorgung, im Steuerbus, Systemabsturz oder Neustart der Steuerung) und anderen Unfällen, die vielfach in profilierten Internetforen beschrieben werden, geführt. Beinahe zeitgleich mit den I2C-Reglern wurden auch modifizierte PWM-Regler herausgebracht, die hauptsächlich für die Benutzung in Fluggeräten mit mehreren Rotoren angepasst wurden, bei denen der Geschwindigkeitsregler den maximalen Wirkungsgrad bei der Stellung des Gashebels von 50 bis 75% haben muss. Außerdem wurde durch die Modifizierung die Reaktionszeit bei Änderung des Schubes auf dem PWM-Kanal verkürzt (dies wird in erster Linie durch die sichere Steuerung über PWM bei einer Wellenlänge von 400Hz oder höher realisiert). Aber genau wie im Fall der I2C-Steuerung werden PWM-Regulatoren durch äußere Störungen beeinträchtigt. Die Länge des PWD-Traktes ist auf 30cm begrenzt. Durch die Erhöhung der Spannung auf 16 Volt können Störungen sogar bei Verwendung eines Optokopplers beim PWD-Trakt entstehen. Hinzu kommt, dass bei vielen Nutzern die Notwendigkeit des Empfanges von telemetrischen Daten über die Arbeit des Geschwindigkeitsreglers besteht (Strom, Temperatur, Ladungszustand, störungsbedingte Fehler usw.), was bei einer PWM-Steuerung nicht ohne zusätzliche Steuerbus für die Übermittelung dieser Daten möglich ist.

Der CAN-Steuerbus besitzt keinen der oben genannten Mängel. Es ist ein industrieller Steuerbus. Er ist komplett geschützt von äußeren Störungen und wird in vielen Gebieten erfolgreich eingesetzt. Als Beispiel für die Verwendung des CAN-Busses dient der Einsatz dieses Busses zur Übermittlung aller Informationen in einem modernen Fahrzeug mit den dazugehörigen starken Störungen durch den Motor, die Umgebung und andere Komponenten.

Im Laufe von zwei Jahren wurden durch unser Unternehmen vielseitige Tests verschiedener von uns entwickelter Modelle von Geschwindigkeitsreglern für bürstenlose Motoren durchgeführt. Es wurden Untersuchungen von verschiedenen Steuerungsalgorithmen für einen sicheren Start und stabilen Betrieb eines bürstenlosen Motors angestellt. Die besten Modelle der Regler wurden in Serienfertigung gegeben. Eins dieser Regler wird in dieser Anleitung beschrieben.

Es sei angemerkt, dass als Basis für den Regler der in seiner Klasse als leistungsfähig geltende ARM-Prozessor STM Cortex und für die Steuerung das CAN Interface ausgewählt wurden. Außerdem wurde eine moderne Regelungstechnik verbaut, die von uns im Laufe der Jahre immer weiter verbessert wurde. Als Ergebnis wurden mehrere Arten von Reglern erstellt. Außerdem wurde eine Software zum Aktualisieren von Firmware und erweiterter Softwareeinstellungen des Reglers erstellt. So kann der Nutzer beliebige Parameter für den Betrieb seines Reglers optimal auswählen. Als Voreinstellung wurden die optimalen Parameter für den Betrieb eines mittleren Multicopters (2 bis 4 kg Gesamtgewicht) eingestellt. Der Nutzer kann die Software selbstständig aktualisieren mit Hilfe eines USB-UART-Konverters oder direkt über den CAN-Steuerbus, die an das Steuerbusnetz angeschlossen werden. Der vorliegende Geschwindigkeitsregler wurde bereits in einer Reihe von Versuchen mit Quadrocoptern, Hexacoptern, Octocoptern und deren Kombinationen getestet.

Einige stellen sich die Frage: “Wo bekomme ich ein CAN-Interface, denn meine Fernsteuerung besitzt ein I2C- oder PWM-Interface, also wozu brauche ich diesen Regler überhaupt?“

Die Antwort ist einfach:

-Wozu? – weil dies vor allem eine absolute Zuverlässigkeit bedeutet!

-Wie kann ich das benutzen? – wenn Sie keine Fernsteuerung mit einem eingebauten CAN-Steuerbus verwenden möchten, den wir und einige andere Unternehmen Ihnen bald anbieten können, so können wir Ihnen die durch unser Unternehmen entwickelten speziellen Adapter anbieten, die den Übergang von jedem Steuerbus auf den CAN-Steuerbus ermöglichen: I2C-zu-CAN- oder PWM-zu-CAN- oder den universellen und vollwertigen I2C-PWM-CAN-Adapter für Quadrocopter und Hexacopter. Bei der Benutzung der I2C-PWM-CAN-Adapter muss eine beliebige Fernsteuerung nur an den Adapter angeschlossen werden. So wird eine tadellose Arbeit der Regler über den CAN-Bus ermöglicht. Eine Besonderheit des Adapters besteht darin, dass der Ausfall eines Reglers im Kanal der CAN-Steuerung keinen Absturz des CAN-Steuerbusses bewirkt, was die Sicherheit deutlich erhöht. Auch wenn es zur Störung eines Reglers kommt, wird dieser sofort neugestartet und nimmt seine Arbeit wieder auf (es wird also keine Auswirkungen auf den Flug haben).

Außerdem läuft die Vorbereitung zur Fertigung von Fernsteuerungen mit der CAN-Steuerung. Momentan werden die Tests von Fernsteuerungen der Firma Germany Aerolab abgeschlossen, die mit einem CAN-Steuerbus ausgestattet und für alle CAN-Regler von Germany Aerolab geeignet sind. Ausgehend von den Ergebnissen der Tests wird eine Reihe von Fernsteuerungen angeboten, die an bestimmte Art des Einsatzes angepasst sind (Videoindustrie, Aufklärung, automatisierte Flüge usw.)

Der Vorgang zur Einstellung der Paramater des Reglers über den Rechner mit Hilfe der speziellen Software ist detailliert in der Anleitung für die Software beschrieben. Die Software selbst kann von der Support-Seite heruntergeladen werden, wo sich immer die aktuelle Version befindet, mit welcher der beste Betrieb des Reglers ermöglicht wird. Optional wird jedem Kunden oder Entwickler der Programmcode für den CAN-Modul angeboten, mit Hilfe dessen der Kunde oder Entwickler seine Fernsteuerung auf unsere CAN-Steuerbusse anpassen kann.