Bakenempfänger mit Richtungserkennung Version 2

Für die 2. Version des "Infrarotradars" sollte alles besser, schneller, kleiner werden. Am Prinzip des drehenden Empfängers zur Winkelbestimmung sollte aber festgehalten werden.
In Version 2 wurde nun der Empfänger auf den Rotor verlegt.
Um den Empfänger mit dem nötigen Strom zu versorgen, gibt es mehrere Möglichkeiten:

1. Batterien bzw. Akkus:
Diese Variante fällt aus, der Platzbedarf auf dem Rotor ist enorm und die zusätzliche Masse wirkt sich auch negativ aus, Stöße beim Transport oder bei Kollisionen könnten die Mechanik beschädigen.

2. Schleifringe:
Schleifringe benötigen durch ihre Reibung Kraft bzw. Drehmoment vom Antriebsmotor. Bei leicht unrundem Lauf wird die konstante Winkelgeschwindigkeit nicht mehr eingehalten und die Messung dadurch verfälscht.
Die Variante, den Strom vom Kommutator des Antriebsmotors abzugreifen und durch die Motorwelle zu führen, fällt aufgrund des Getriebes aus.

3. Licht:
Energieübertragung durch Licht scheitert am Platzbedarf für die Solarzellen.

4. Generatorbetrieb:
Die Energie würde hier durch Spulen auf dem Rotor, denen Permanentmagnete am Stator gegenüberstehen, aus dem Drehmoment des Antriebsmotors gewonnen. Der rastende Lauf und die ungleichmäßige Strombelastung durch die Anzeige-LEDs auf dem Rotor würden auch hier die konstante Winkelgeschwindigkeit beeinträchtigen.

5. sonstige EM-Wellen:
Enegrieübertragungen in hohen Frequenzbereichen, mittels HF oder Mikrowelle sind sehr aufwendig und schwer zu berechnen, auch werden Spezialbauteile benötigt.

6. Lufttrafo:
Ein gewöhnlicher Trafo mit Primär- und Sekundärwicklung überträgt Leistungen ohne großen Aufwand mit beherschbaren Frequenzen und mit gutem Wirkungsgrad.
Um Energie zum Rotor zu übertragen Wird der Trafo auf die beiden Spulen reduziert. Der fehlende Eisenkern veringert die übertragbare Leistung weil die Magnetfeldlinien ungerichtet durch diue Luft gehen müssen. Mit einer höheren Frequenz kann dieser Effekt etwas kompensiert werden.

Die Entscheidung fiel natürlich auf den Lufttrafo.

Dazu mußten kompakte, kreisringförmige Spulen gefunden werden. Sie sollten nicht größer als die Rotorplatine werden aber auch sehr kompakt. Erste Versuche gab es mit einlagigen, auf Plastikrohr gewickelten Spulen. Die Spulen sollten unterschiedliche Durchmesser bekommen und ineinander tauchen. Leider kam einfach nicht genügend Leistung auf der Primärseite an. Der Controller restettete immer, wenn er die Kontroll-LEDs einschaltete.

Da nicht viel Platz zwischen Motorgehäuse und Rotor ist, kommt nur noch die Vergrößerung des Durchmessers in Frage.
So kam die Idee der Flachspulen auf: Zwei Spulen, mit der Länge von einer Windung, deren Durchmesser sich mit jeder Windung erhöht. Solche Spulen kann man auf eine Platine ätzen. Leider ist der verfügbare Drucker nicht geeignet, um solch feine Strukturen zu erzeugen. Auch ist der angestrebte Sekundärstrom von 100mA eine Gefahr für die dünnen Leiterbahnen.

Die einlagigen rohrförmigen und die flachen Wicklungen legten außerdem den Schluß nahe, die Wicklungen enthielten nicht genügend Kupfer, um genügend Leistung zu übertragen. Schaut man sich herkömmliche Trafos für 50Hz an, so wird man dabei bestätigt.
Mehr Kupfer mit einem maximalen Durchmesser von 50mm und gleichzeitig müssen die Wicklungen möglichst nahe beieinander stehen? Da bleiben nur Spulen mit geringer Höhe aber großem Durchmesser übrig.

Solche Spulen gibt es selten fertig zu kaufen, also wurde eine Wickelmaschine gebaut: Ein Akkuschrauber mit eingespannter M8 Gewindestange bildet den Antrieb. Als Spulenträger dient ein abgeschnittenes Ende einer Lötzinnspule, gegen das eine Makrolonplatte drückt. Im ersten Versuch wurde eine Microsoft-CD benutzt. Die klebte aber super an dem verwendetem UHU-Epoxidharz. Man konnte sie nicht zerstörungsfrei entfernen.
Mit einer kleinen Zählerschaltung wurden die Wicklungen gezählt und im Display angezeigt.
Alle paar Umdrehungen kam etwas Epoxydharz auf die Wicklung, damit sie später eigenstabil ist und ohne Spulenträger eingesetzt werden kann.

Die erste damit gewickelte Spule hatte 250 Windungen 0,2er Kupferlackdraht und sollte die Sekundärspule bilden. Das war die Spule, an der die CD kleben blieb.
Die zweite Spule bekam dann eine Zwischenlage aus PE-Folie. Mit 79 Windungen bei 0,4er Kupferlackdraht war der Wickelraum voll. Diese Spule sollte die Primärspule bilden.
Die ersten Tests verliefen enttäuschend. der Controller auf dem Rotor schien einfach nicht genügend Strom zu bekommen und resettete, kaum daß die LED leuchteten.
Die Vermutung war nun, daß der 0,2er Kupferlackdraht zu dünn für den erforderlichen Strom war.
Bei 250 Windungen macht das knapp 33 Meter Draht bei einem entsprechendem Widerstand von 18,2 Ohm.
Diese 18,2 Ohm Innenwiderstand der Sekundärwicklung sollten nun mindestens 8 Volt für den Gleichrichter und den 78L05 Spannungsregler liefern. Theoretisch könnten hier 440 mA fließen, sie taten es aber nicht.

Also wurde eine weitere Spule mit dem restlichen vorhandenen 0,4er Kupferlackdraht gewickelt. Es ergaben sich noch 59 Windungen. Diese Spule bildete ab sofort die Primärspule und sekundär kam die mit 79 Windungen zum Einsatz.

Als Ergebnis gab es zu dem sich wiederholendem Reset des Sekundärcontrollers nun auch noch eine Erwärmung desselben. Geügend Leistung kam also offensichtlich sekundär an. Eine Begutachtung unter dem Mikroskop zeigte eine Lötzinnbrücke zwischen zwei Controllerpins, sobald sie per Software auf Ausgang konfiguriert und unterschiedliches Potential hatten, gab es einen Einbruch der Versorgung und damit einen Reset.
Vermutlich hätte also schon eine frühere Version der Spulen ein brauchbares Ergebnis hervorgebracht.

Auf der Basisplatine, sozusagen dem Stator, treibt ein L6203 Motortreiber die Primärspule wechselseitig an. Die nötigen Impulse erzeugt ein Atmega8 per Hardware-PWM an OCR1A und OCR1B. So kann die Impulslänge und damit die übertragene Leistung kontrolliert werden.
Der Controller dient gleichzeitig als I²C Slave und passt sich damit in das vorhandene Bussystem des Roboters ein.

Als Antrieb dient ein Maxxon Getriebemotor, der mit den ungeregelten 12 Volt der Bordspannung versorgt wird. Da der Controller des Rotors die Drehzahl jedesmal neu berechnet, kann hier auf eine Drehzahlregelung verzichtet werden.
Der Motor wird direkt an die Platine geschraubt.
Ein Abstandshalter aus Acryl dient als Träger für die Primärspule. Damit beträgt der Luftspalt ca. 1mm.

Die Software für den Stator ist in Pascal geschrieben. Es wird lediglich auf den USART gewartet und die Werte an den I²C Buffer übergeben. Bedingt durch die Software der Bake wird der USART mit 18150 Baud betrieben.

Die sekundäre Spannung wird über 4 Dioden gleichgerichtet und mit einem Kondensator geglättet. Dort liegen dann ca. 8Volt an. Ein 78L05 generiert daraus stabile 5V. Auch auf der Rotorplatine arbeitet ein Atmega8 aber mit internem RC-Oszillator auf 8MHz. An Int0 ist ein Hallsensor aus einem alten PC-Lüfter angeschlossen. Mit einem Magneten am Stator wird damit ein mal pro Umdrehung ein Interrupt ausgelöst und dadurch die Umlaufzeit gemessen.
Der TSOP7000 (den kann man mittlerweile bei Embedit kaufen), ein Infrarotempfänger für 455kHz Trägerfrequenz ist am USART des Atmega8 anmgeschlossen. Bei Empfang eines Bytes von der Sendebake errechnet das Programm den aktuellen Winkel zur Bake bei jeder Umdrehung neu.
Die Winkelinformation wird mit einer IR-Sendediode zum Stator übertragen, und zwar genau 90° nach dem Vorbeikommen am Magneten. Dieser Moment muß natürlich auch berechnet werden.

Da Timer1 schon für die Umlaufzeit benutzt wird, kommt hier Timer0 zum Einsatz. Die maximal 8Bit Zählweite wird durch entsprechendes Mitzählen der Überläufe ausgeglichen.
Die Anzeige des Richtungspfeils erfolgt über die 7 roten LEDs und ist wie bei einer Propellerclock gelöst. Für das Abzählen des richtigen Moments sorgt Timer2.
Zusätzlich gibt es noch eine blaue Status-LED.
Der Atmega8 hat damit 5 verschiedene Interruptquellen, Int0, Timer1, URxc, Timer0 und Timer2.
Die Software für den Rotor ist in Bascom geschrieben.

Einen Film von einer der ersten Testfahrten mit dem neuen Infrarotradar kann man sich hier ansehen. (DiVX; 6,6MB) » »


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