Fahrtregler mit Relais

Ein Fahrtregler ist eine der Standardanwendungen in der Modellbau-Elektronik. Der hier vorgestellte Fahrtregler (eigentlich: "Drehzahlsteller") für konventionelle Bürstenmotoren ist bis max. 12 A belastbar. Er ist somit für Schiffsmodelle geeignet, die sich mit einer vorbildgerechten Geschwindigkeit bewegen sollen.

Es werden nur leicht erhältliche Bauelemente verwendet und die kompletten Unterlagen einschl. der Firmware des Mikrocontrollers liegen zum kostenlosen Download bereit. Allein in meinem Löschkreuzer WESER habe ich vier dieser Regler verbaut.

Die Features kurzgefasst:

einfacher Aufbau mit Standard-Bauelementen
Betrieb mit 6 V oder 12 V Fahrakku
Strombelastbarkeit max. ca. 12 A
Schaltfrequenz 2,5 kHz oder 9 kHz
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

Schaltungsbeschreibung

Zur Anzeige des Schaltplans hier klicken (Bild öffnet sich in neuem Fenster/Tab).

Das Herzstück des Steuerteils ist ein Mikrocontroller vom Typ 16F627A. Das Signal des Empfängers wird zur Pegelerhöhung über die Inverterstufe T4/R1/R10 an den Port B0 des Controllers geführt. An den Ausgängen A0 und A1 befinden sich zwei LEDs zur Anzeige von Fehlerzuständen und zur Signalisierung des Setup.

Strombelastbarkeit

Ein wesentliches Merkmal elektronischer Fahrtregler ist die Strombelastbarkeit. Der Stromverbrauch des angeschlossenen Motors darf niemals über der max. Strombelastbarkeit des Fahrtreglers liegen.

Über den Ausgang B4 und den Treibertransistor T1 wird das Umpolrelais gesteuert. Die Strombelastbarkeit beträgt ca. 12 A und dürfte damit für die meisten Schiffsmodelle, die nicht als Rennboot betrieben werden, ausreichen. Der Strom wird vor allem durch die Belastbarkeit des Relais begrenzt, diese liegt bei max. 12 A, diese Relais sind aber nicht leicht zu beschaffen. Das bei Reichelt erhältliche Relais von Finder (40.52.9 6V) hat eine Strombelastbarkeit von 8 A. Günstiger ist das G2R Relais von Omron, hier liegt die Strombelastbarkeit bei 5 A. Da das Relais aber (idealerweise) nur im stromlosen Zustand schaltet, kann man es etwas höher belasten, ohne die Lebensdauer drastisch zu senken. Wer höhere Ströme braucht sollte sich den Fahrtregler mit Brückenschaltung ansehen, hier liegt die Belastbarkeit bei max. 20 A.

Am Ausgang B3 liegt das PWM Signal zur Steuerung des Motors an. Über den Optokoppler CNY17 und die Inverterstufe T2 wird eine aus Q1 und T3 gebildete "totem pole" Treiberschaltung für die MOSFETs IRL 3803 angesteuert. Die 100 Ω Gatewiderstände R8/R9 sind ein Kompromiss aus der Forderung nach schnellen Schaltflanken zur Reduzierung der Verlustleistung und langsamen Schaltflanken zur Reduzierung von Störsignalen (Fourier-Oberwellen). Ggf. könnte man die Gatewiderstände auch auf 47 Ω verringern, wenn bei größerer Entfernung zwischen Sender und Empfänger keine Störungen auftreten.

Die Schottky-Diode MBR 1645 führt den im Motor induzierten Strom während der Ausschaltphasen der MOSFETs in den Motor zurück.

Der Optokoppler sorgt für eine galvanische Trennung von Steuer- und Leistungsteil. Auf eine sorgfältige Motorentstörung sollte dennoch nicht verzichtet werden.

Der Regler kann mit einer Fahrspannung zwischen 6 V und 12 V betrieben werden. Generell ist es aber empfehlenswert, 12 V als Fahrspannung zu verwenden. Bei gleicher Leistung ist der Strom geringer, ein kleiner Strom lässt sich leichter handhaben und die Verlustleistung an den Leistungstransistoren, Zuleitungen und im Motor verringert sich deutlich, da sie proportional zum Quadrat des Stroms wächst. Bei gleicher Motorleistung ist die Verlustleistung mit 6 V Fahrspannung also um den Faktor 4 höher als mit 12 V.

Das Layout ist einseitig und die Platine ist leicht herzustellen. Es wurden keine SMD Bauteile verwendet. Zur Befestigung im Modell dienen vier 3 mm Bohrungen. Eine 1:1 Belichtungsvorlage zum Herstellen der Platine steht als Download zur Verfügung.

Firmware

Der Mikrocontroller wird mit seinem internen 4 MHz Oszillator getaktet. Der PIC 16F627A verfügt über ein internes PWM-Modul (pulse width modulation - Pulsbreitenmodulation), was das Programm vereinfacht. Der Motor wird mit einer Taktfrequenz im kHz Bereich betrieben. Die Induktivität des Motors kann in diesem Frequenzbereich als Blindwiderstand verwendet werden, um in Halbgasstellung auch wirklich Energie zu sparen (im Gegensatz zu Reglern mit 50 Hz Taktfrequenz, die der Einfachheit halber das Empfängersignal als Zeitbasis verwenden.)

Der Empfängerimpuls wird mit einer Auflösung von 2 µs gemessen, was ca. 250 Geschwindigkeitsstufen entspricht und eine feinfühlige Steuerung ermöglicht. Die PWM-Frequenz zur Ansteuerung des Motors beträgt 2,5 kHz.

Zwei Totbereiche sorgen dafür, dass bei Neutralstellung des Steuerknüppels der Motor sicher abschaltet und bei Vollgas mit 100% Tastverhältnis des PWM Signals betrieben wird. Ein kleine Hysterese verhindert ein Flattern des Relais am Umschaltpunkt.

Die Impulslänge des Empfängersignals wird laufend auf gültige Werte geprüft. Nach zehn ungültigen Empfängerimpulsen wird der Motor abgeschaltet und die rote LED leuchtet auf (fail safe).

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

Der Abgleich des Reglers erfolgt durch Lernen der Neutral- und Maximalposition (Setup-Modus). Eine rote und eine grüne LED zeigen an, wann und wie lange der Steuerknüppel in der jeweiligen Positon gehalten werden muss. Der Motor ist im Setup-Modus ausgeschaltet. Die ermittelten Werte werden im EEPROM des Mikrocontrollers dauerhaft gespeichert, so dass ein weiterer Abgleich nur bei einem Wechsel der Fernsteueranlage oder des Steuerkanals notwendig wird.

Pfeifgeräusche des Motors

Die Ansteuerung des Motors mit PWM-Frequenzen im kHz-Bereich führt zu Schwingungen, die im hörbaren Bereich liegen. Bei Scale-Modellen empfinden viele Modellbauer das Pfeifen des Motors, insbesondere bei geringen Drehzahlen, als störend. Nach meinen Versuchen gibt es ab PWM-Frequenzen größer als ca. 7 kHz kein hörbares Motorpiepen mehr. Es gibt daher noch eine weitere Firmware-Version (esc-9kHz.hex) mit einer Taktfrequenz von 9 kHz. Allerdings ist zu beachten, dass die Verlustleistung an den Leistungstransistoren höher ist als in der 2,5-kHz Versionen (Kühlung erforderlich!).

Anschluss von Motor und Akku

Beim Anschluss des Akkus die Polung beachten!

Die beiden Umschaltkontakte des Relais werden, wie im Schaltplan zu sehen, mit den Motoranschlüssen verbunden. Läuft der Motor in der falschen Richtung an, können die Motoranschlüsse vertauscht werden, nicht aber die Anschlüsse des Akkus!

Zur Sicherheit hier noch ein Bild:

esc-connect

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.

Abgleich und Inbetriebnahme

Bei der ersten Inbetriebnahme darf der Jumper nicht gesteckt sein, da der Regler zunächst die Neutral- und Maximalposition der Fernlenkanlage lernen muss.

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 gespeichert. Daraufhin blinkt die grüne LED, der Steuerknüppel muss während dieser Zeit in die Maximalpostion gebracht werden. Verlischt die grüne LED, ist das Setup beendet.

Das Setup kann bei Bedarf erneut durchgeführt werden.

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

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

Der Regler erwartet länger werdende Empfängerimpulse bei Bewegung des Knüppels in Richtung Maximalposition. Notfalls muss am Sender umgesteckt werden (Servo-Reverse). Der Regler ist für positive Logik ausgelegt. Für Anlagen mit "negativer Logik" (z. B. alte Graupner Varioprop) kann ich auch eine angepasste Firmware anbieten.

Drei Fahrtregler, eingebaut im Löschkreuzer Weser

Das Bild zeigt drei Fahrtregler für die Steuerung der Antriebsmotoren in meinem Löschkreuzer Weser.

Technische Daten

Abmessungen	ca. 80 mm x 43 mm
Gewicht	ca. 50 g
Betriebsspannung	4,8 V - 5,5 V
Spannung Motorstromkreis	6-12 V
Strombelastbarkeit	8-12 A
PWM Schaltfrequenz	ca. 2,5 kHz / 9 kHz