RollerControl V4

Wenn der Roller längere Zeit im Kalten steht oder wenn die Temperatur bei der Fahrt niedrig ist, passiert es immer wieder, dass beim Gas wegnehmen entweder der Motor nicht komplett abgeschaltet wird, oder dass das Lösen der Motorbremse den Bremsvorgang nicht beendet.

Ein Programmfehler konnte ausgeschlossen werden, also ist die Ursache anderswo zu suchen.

Letztlich stellte sich heraus, dass das Timing der Impulserzeugung nicht stabil läuft, ursächlich wohl in der Tatsache begründet, dass der µC mit dem eingebauten RC-Oszillator arbeitet. Der Atmel µC bietet zwar die Möglichkeit, die Frequenz des internen Oszillators abzugleichen, aber immer nur auf den momentanen Betriebszustand, also die gerade anliegende Betriebsspannung und insbesondere die Temperatur des Chip bezogen.

Die Temperaturabhängigkeit der Frequenz ist so ausgeprägt, dass der sichere Betrieb des Rollers bei allen im Freien vorkommenden Temperaturen nicht gegeben ist.

Folglich muss der µC mit einer Quarz stabilisierten Frequenz versorgt werden.

Eine Möglichkeit wäre, einen integrierten Quarzoszillator an den Controller anzuflanschen und den Rest der Schaltung unverändert zu lassen.

Wir haben uns gegen diese Version entschieden und die Entwicklung einer komplett überarbeiteten Platine beschlossen, die zusätzlich zu den bewährten Komponenten und dem als notwendig erkannten Quarz noch einen Beschleunigungssensor verpasst bekommt, der den Betrieb des Rollers im öffentlichen Straßenverkehr gestatten soll.

Diese Erlaubnis hat bereits ein industriell gefertigter E-Roller, der SmartPed, erhalten.


Die Schaltung enthält nicht viel Neues, Ausnahmen wie bereits beschrieben:

RollerControl V4.0
          (Cllick für größere Darstellung)


In der obersten Reihe links die 3,3 V-Erzeugung für den Beschleunigungssensor, in der Mitte der Pegelwandler für den Sensor und rechts der Sensor MPU6050, ein alter Bekannter für diejenigen, die meine Entwicklungen in Sachen µ-Multicopter verfolgt haben.

Die restlichen Bauelemente sind bis auf einen zusätzlichen Stecker für das Einlernen des ESC, einen Reserve-Stecker, angeschlossen an einen freien Pin des µC, sowie den Quarz mit seinen Kondensatoren identisch zur vorhergehenden Version des Controllers.

Der Sensor ist über I²C an den µC angeschlossen, über den seriellen Anschluss GUICOMM kann ein WLAN- oder Bluetooth-Funkmodul angesteuert werden, das zum Einen die einfache Parametrierung des Controllers im eingebauten Zustand, zum Anderen die Übertragung der Sensorwerte auf einen Computer zur Auswertung der Sensordaten erlaubt. Letzteres hilft bei der Analyse der Sensordaten, die beim Abstoßen des Rollers mit dem Fuß erfasst werden. Letztlich müssen diese Daten in die resultierende Geschwindigkeit des Rollers umgesetzt werden, die Formeln dafür sind zu finden.

Das Layout ist doppelseitig um Drähte zu vermeiden:

RollerControl V4.0
          (Cllick für größere Darstellung)


Die Platine wurde diesmal nicht bei MME in Auftrag gegeben, sondern auf meiner CNC-Fräse durch Isolationsfräsen erstellt.

Hierbei wird aus der Kupferfläche einer Roh-Leiterplatte all das Kupfer weggefräst, das den Rest des Kupfers davon abhält, eine sinnvolle elektrische Schaltung zu ergeben :-)
Damit es nicht zu einfach wird, ist die Platine doppelseitig, sehr klein und mit SMD-Bauteilen bestückt.

Bei ersten Versuchen, Platinen mittels Isolationsfräsen herzustellen hat sich gezeigt, dass die Oberfläche des Platinenrohmaterials selten eben genug ist, um ohne Höhenkorrektur des Frässtichels ein befriedigendes Ergebnis zu erreichen. Eingedenk dieser Tatsache hat sich Martin des Problems angenommen und ein Tool entwickelt, das die zu fräsende Oberfläche auf der Fräse vor dem eigentlichen Fräsvorgang abtastet und Welligkeiten und Schräglagen mathematisch eliminiert. Das Programm heißt OpenCNCPilot und funktioniert problemfrei, wenn man sich etwas in die Materie und die verwendete Notation eingearbeitet hat.


Da die Strukturen auf der neuen Platine, wie bereits angedeutet, sehr fein ausfallen, wird ein Gravierstichel mit lediglich 0,1 mm Spitzenbreite und 10 Grad Spitzenwinkel verwendet. Um ein einwandfreies Ergebnis zu erhalten muss die Spitze des Stichels exakt zentriert laufen, geringste Abweichungen von “absolut zentriert” zerstören sofort die Leiterstruktur.

Das kritischste Bauteil in Sachen Leiterbahnstrukturen ist der Sensor MPU6050. Hier finden wir Pad-Breiten von 0,3 mm, Leiterbahnbreiten von 0,25 mm und Leiterbahnabstände von 0,2 mm:

MPU-Einbauplatz, Maßangaben

 

In Natura sieht dieser Bereich so aus:

CloseUp_MPU-Einbauplatz_green

 

Man sieht, die Leiterbahnabstände fallen im Vergleich zur Pad-Breite geringer aus als in der Konstruktion vorgegeben, insgesamt ist der Fräsvorgang aber nach optischer Kontrolle zu 100% fehlerfrei durchgeführt worden - ein sehr schöner Erfolg :-)
Die Löcher sind mit einem 0,6 mm Bohrer gebohrt.

Die komplette Platine:

Oberseite komplett

 

Nach dem Fräsvorgang muss unbedingt mit der Lupe die Oberfläche der Platine auf liegen- oder hängengebliebene Kupferflitter untersucht werden. Diese Überbleibsel würden unweigerlich zu Kurzschlüssen oder schlimmer zu verzögerten Spätausfällen führen:

Kupferflitter nach Fräsvorgang


Die drei kritischsten Bauteile haben ihren Platz auf der Platine gefunden:

RollerControl V4 - µC + MPU6050

Der Rest ist Kindergarten ;-)

 

 

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