Fahrtregler mit Umpolung

Dies ist eine Anleitung zum Bau eines elektronischen Fahrtreglers mit Umpolung für Schiffsmodelle. Es werden nur leicht erhältliche Standard-Bauelemente verwendet und die kompletten Unterlagen für den Bau und die Firmware für den Mikrocontroller liegen zum kostenlosen Download bereit.

Ein Fahrtregler ist eine der Standardanwendungen in der Modellbau-Elektronik. Der hier vorgestellte Fahrtregler (eigentlich: "Drehzahlsteller") für konventionelle Bürstenmotoren ist bis max. 8 A belastbar. Er ist somit für Schiffsmodelle geeignet, die sich mit einer vorbildgerechten Geschwindigkeit bewegen sollen und ist ausreichend für die meisten Funktionsmodelle. Für Rennboote ist der Regler weniger geeignet.

Folgende Voraussetzungen müssen für einen erfolgreichen Nachbau erfüllt sein:

• Möglichkeit, Platinen zu ätzen. Die Leiterplatte ist einlagig und daher leicht herzustellen. Eine industriell gefertigte Leiterplatte mit Lötstopplack und Bestückungsdruck ist auch einzeln im Shop erhältlich.
• Verfügbarkeit eines Programmiergeräts für PIC Mikrocontroller. Wer kein Programmiergerät besitzt, kann programmierte Mikrocontroller auch einzeln im Shop bestellen.
• etwas Erfahrung im Löten

Dieser Fahrtregler ist im cp-elektronik Shop als Bausatz oder Fertigmodul erhältlich und hat gegenüber der kostenlos verfügbaren Firmware folgende Erweiterungen:

• PWM Frequenz wählbar (2,5 kHz oder 9 kHz)
• wahlweise lineare oder exponentielle Steuercharakteristik

Alle anderen Eigenschaften sind in beiden Versionen gleich:

• Umpolung des Motors über Relais
• Versorgung des Relais über den Fahrakku
• einfacher Aufbau mit Standard-Bauelementen
• Betrieb mit  6 V oder 12 V Fahrakku
• Strombelastbarkeit max. ca. 8 A
• feinfühlige Steuerung durch 250 Geschwindigkeitstufen pro Fahrtrichtung
• Fail Safe: bei Empfangsstörungen wird der Motor abgeschaltet
• Anlaufschutz des Motors beim Anklemmen des Akkus
• galvanische Trennung von Steuer- und Leistungsteil
• Setup Funktion zum Erlernen der Neutral- und Maximalposition

Leiterplatte

Die Leiterplatte ist einlagig und mit Hobbymitteln leicht herzustellen. Bitte die Leiterbahnen, die den Motorstrom führen, mit einem aufgelöteten blanken Kupferdraht verstärken. Sinnvoll ist auch die Verwendung von Basismaterial mit 70 µm Kupferauflage (Standard ist 35 µm). Zur Not kann man die Leiterbahnen auch dick mit Lötzinn verzinnen.

Es werden keine winzigen SMD Bauelemente verwendet, die Bestückung ist daher auch ohne Mikroskop möglich. Jeder versierte Modellbauer sollte den Regler daher problemlos löten können.

Schaltungsbeschreibung

Der Regler ist sehr einfach aufgebaut.

Der Empfängerimpuls schaltet über einen Transistor die interne LED des Optokopplers, der Kollektor des internen Transistors wird auf einen Eingang des PIC Mikrocontrollers gelegt. Der Empfänger ist somit galvanisch vom Laststromkreis getrennt, Störsignale des Motors können nicht in den Empfänger gelangen. Auf eine sorgfältige Entstörung des Motors sollte dennoch nicht verzichtet werden!

Über einen Spannungsregler 7805 versorgt sich der Regler mit einer stabilisierten Betriebsspannung von 5 V aus dem Fahrakku. Wird ein 6 V Fahrakku verwendet, sollte hier ein Low-Drop Spannungsregler verwendet werden (s. Stückliste).

Ein Ausgang des PIC schaltet über einen Treibertransistor das Umpolrelais. Das Relais wird vom Fahrakku versorgt, daher ist die Spulenspannung an die Spannung des Fahrakkus anzupassen. Es gibt passende Relais sowohl in einer 6 V als auch in einer 12 V Version.

Ein weiterer Ausgang steuert über je einen Vorwiderstand direkt und ohne weitere Treiberschaltung die beiden MOSFETs mit dem PWM Signal, welches vom Mikrocontroller in Abhängigkeit der Knüppelstellung am Sender erzeugt wird. Die Schottky-Diode MBR 1645 führt den im Motor induzierten Strom während der Ausschaltphasen der MOSFETs in den Motor zurück. Außerdem gibt es noch zwei Leuchtdioden zur Signalisierung des Setups und zur Fehleranzeige.

Setup

Durch ein Setup können die Werte der Neutral- und Maximalposition an die eigene Fernsteueranlage angepasst werden. Dazu wird der Jumper "SET" gesteckt und die Versorgungsspannung (erst Empfänger, dann Fahrakku) eingeschaltet.

Nach dem Einschalten blinkt die rote LED ca. 5 s lang, in dieser Zeit muss der Steuerknüppel und die Trimmung in die Neutralposition gebracht bzw. dort gehalten werden. Verlischt die LED, wurde der entsprechende Wert im EEPROM des PIC dauerhaft gespeichert. Daraufhin blinkt die grüne LED, der Steuerknüppel muss während dieser Zeit in die Maximalpostion gebracht und dort gehalten werden.

Nach erfolgreichem Setup leuchtet die grüne LED dauerhaft.

Leuchtet dagegen die rote LED dauerhaft, liegt ein Fehler vor. Mögliche Ursachen sind:

• kein Unterschied zwischen Neutral- und Maximalposition. Es ist zu prüfen, ob der Fahrtregler am richtigen Empfängerkanal angeschlossen wurde.
• die gemessene Impulslänge für die Neutralposition ist größer als die Länge für die Maximalposition. Dann muss am Sender umgesteckt bzw. ein Servo-Reverse für diesen Kanal aktiviert werden.

Im Fehlerfall muss die Ursache behoben und das Setup erneut durchgeführt werden.

Leuchtet die rote LED dauerhaft, nachdem sie geblinkt hat, d.h. die grüne LED blinkt während des Setup gar nicht, werden keine gültigen Empfängerimpulse gemessen. In diesem Fall das Anschlusskabel und die Leiterplatte auf Fehler überprüfen.

Nach Durchführen des Setup muss der Fahrtregler für ca. 30 s von der Versorgungsspannung getrennt werden (die Kondensatoren müssen sich vollständig entladen). Der Jumper wird nun entfernt und die Versorgungsspannung wieder eingeschaltet. Die grüne LED leuchtet für ca. 2 s, in dieser Zeit darf der Knüppel nicht aus der Neutralposition gebracht werden (Anlaufschutz). Verlischt die grüne LED, ist der Motorausgang aktiviert und der Regler betriebsbereit. 

Das Setup kann bei Bedarf erneut durchgeführt werden.

Ein Aufleuchten der roten LED im Betriebsmodus (SET Jumper entfernt) signalisiert fehlerhafte Empfängerimpulse und deutet auf Empfangsstörungen oder einen ausgeschalteten Sender.

Firmware

Die Auswertung der Impulslänge, das Schalten des Relais und die Erzeugung des PWM Signals für die Leistungstransistoren erledigt die Firmware des Mikrocontrollers.

Um ein Anlaufen des Motors beim Einschalten zu verhindern, muss der Knüppel beim Einschalten der Stromversorgung ca. 2 s in Neutralposition gehalten werden, erst dann wird der Motorausgang aktiv. Gleiches gilt nach einem Stopp des Motors auf Grund ungültiger Empfängerimpulse.

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