letztes Update: 09.10.2009

Linei
     

Regler für den Quadrokopter, Multikopter ...

     

     
 
Regler BL-4428   Der BLC-4428-V01A, Prototyp eines Reglers der über PPM, I2C und UART angesteuert werden kann.
     
     
     
     

Für den Antrieb unseres Quadrokopters brauchen wir bürstenlose Gleichstrommotoren; sog. Brushless-Motoren. Diese sind von der Technik mit Synchron- oder Schrittmotoren zu vergleichen.

Die Vorteile dieser Motoren sind ihre hohe Leistungsdichte (Leistung zu Gewicht) und sie sind verschleissfrei, weil sie keine Bürsten oder Getriebe haben.
Allerdings benötigt man eine Elektronik (Brushless-Regler), die das synchrone Drehfeld der Motoren erzeugen und mit denen man die Drehzahl stellen oder regeln kann.

Damit sind wir beim Thema:

BL-Regler, Brushless Regler, ESC oder Brushless Speed Controller sind für den Modellbauer immer wieder wieder ein spannendes und auch leidiges Thema.
Regler gibt es wie Sand am Meer, die Preise liegen zwischen 8 EUR und stolzen 250 EUR.

Die meisten dieser Regler lassen sich ohne Modifikation leider nicht auf dem Quadrokopter verwenden.
Die Standard-Regler benötigen ein PPM-Signal (Pulsphasenmodulation) zur Ansteuerung. Das heißt diese Brushless-Motorregler sind zum Anschluß an einen Fernsteuerempfänger gedacht und 'verstehen' daher dessen PPM-Signal. Diese Methode ist jedoch für einen Quadrokopter zu ungenau und zu langsam.
Daher werden die Motorregler beim Arm-O-Kopter mit dem UART- oder alternativ dem I2C-Protokoll angesteuert. Deshalb muss man die meisten handelsüblichen Motorregler umbauen.

Ebenfalls kompatibel zum ARM-o-Kopter sind die s.g. "Holgerregler". Diese können alternativ verwendet werden. Der I2C Bus ist allerdings empfindlich gegen Störeinflüsse wie die Regler/Motor- Verdrahtung. Ein verdrillen der Datenbusleitung und ein verlegen möglichst weit von der anderen Verdrahtung wird empfohlen!

Für den ARM-o-Kopter ist die UART Ansteuerung die erste Wahl. I2C geht auch, hat aber so seine Tücken. Aus eigener Erfahrung mit dem I2C Bus kann ich sagen: I2C klappt fast immer, nur manchmal eben nicht und man findet keinen Fehler.
Ein Neustart oder Reset der Schaltung und es klappt wieder lange Zeit. Diese Situation können wir uns mit einem in 100m Höhe schwebenden Quadrokopter nicht erlauben. Wir verwenden das UART-Protokoll.

Die preisgünstigsten Regler, die für uns in Frage kommen, sind die 'Tower Pro' - Modelle von Hobbycity. Angefangen mit dem 18A Regler, gibt es die 25A, 30A und 50A Ausführung. Wer gerne mit 4 LiPo Zellen fliegen möchte, sollte sich die 30A und 50A Ausführung ansehen. Ich selbst benutze den 25A oder den 30A Regler.

Leider weiß man nie mit welchen FETs die Regler ausgestattet sind. Bei ca. 20 umgebauten Reglern hatte ich zwei 30A Regler erwischt die im Teillastbetrieb extrem heiß wurden. So heiß, dass der Schrumpfschlauch platzte. Ursache dafür waren zu langsame FETs. Diese Regler könnte man anstelle der 16KHz Motorfrequenz auf 10 KHz betreiben, allerding führt das zu einem unangenehmen Betriebsgeräusch. Oder man tauscht die FETs aus, das ist aber warscheinlich teurer als einen neuen Regler zu verwenden. Bei Preisen um die 10$ kann man schon von Einwegreglern sprechen.


Was bewirkt der Umbau?

Zur Ansteuerung mit dem UART-Signal brauchen wir auf dem ATmega8 den Pin 30, das ist der Eingang der seriellen Schnittstelle des ATmega8. Dieser Anschluß wird beim originalen Regler zur Ansteuerung der FETs oder des FET-Treibers benutzt. Jetzt kommt der Trick: Wir benutzen einen anderen Pin des ATmega8 um die FETs anzusteuern, wir nehmen Pin 23.
Auf dem nun freien RX-Eingang Pin 30 kommt das UART Signal der ARMO Platine. Das wars.

Als Software benutzen wir die sogenannte Quax-Soft, eine von Bernhard K. aka Quax geschriebene Reglersoftware, die unsere Änderungen berücksichtigt. Zum flashen der Software brauchen wir das Programm Ponyprog und einen Programmieradapter z.B. die SerCon. Die Verbindungen zum ATmega zur SerCon werden entweder über den sogenannten "Daumendongle" oder mit dünnen Drähten, die man auf den ATmega8 lötet, hergestellt.


Für den Umbau können wir auch einen anderen Reglertyp verwenden. Voraussetzung ist ein Mega8 Prozessor, ein 16 MHz Quarz oder Resonator, schnelle FETs und die Quaxsoftware.

Meines Wissens nach gibt es keinen fertigen Regler mit UART-Ansteuerung zu kaufen. Und keine Angst, nach dem dritten Regler geht der Umbau schnell von der Hand.

Den umgebauten Regler unbedingt mit einem, im Schraubstock eingespannten Motor ausprobieren.
Den Regler mit einem hochstromfähigen Netzteil oder einem LiPo Akku versorgen und mit dem Programm Motortest-UART-115kBaud ansteuern.
Vor allem auf Erwärmung im unteren Drehzahlbereich achten.

Bei den letzten Umbauten der 25A und 30A Regler, waren einige Ausreißer dabei. Die FET-Endstufe war mit Transistoren bestückt, die bei den erforderlichen 16 kHz der PWM-Frequenz sehr heiß wurden.
Im unteren Teillastbereich so stark, dass der verwendetet Schrumpfschlauch einfach platzte.

Damit sollte man keinesfalls fliegen. Man kann solche Regler mit 10 kHz betreiben oder besser die Fets wechseln.

Bei Preisen von knapp über 10 EUR lege ich diese Regler für "schlechte Zeiten" in eine Kiste.





04.06.2009

Nach der anfänglichen Begeisterung über die Chinaregler kommt jetzt eine langsam die Ernüchterung durch.

Als Alternative gibt es ja schon lange die Holgerregler, sie schlagen sich im Vergleich mit den Chinaregler recht gut.

Im Vergleich sehe ich:

Holgerregler:
hohe und gleichbleibende Qualität
niederohmige günstige FETs
einfache Programmierfähigkeit
die Software kann jederzeit in Sekunden aktualisiert werden
problemloser Betrieb mit 4s Akkus
sehr gute Diagnose und Reparaturanleitung
(Fehler werden detailliert über Leds signalisiert oder im Koptertool im Klartext angezeigt)


Das Beste zum Schluß - der Preis:
Kosten beim Selbstbestücken: ca 17 EUR

Chinaregler:
schlechte Verarbeitung
kalte Lötstellen
minderwertige hochohmige FETs
zeitaufwendiger und fehlerträchtiger Umbau
umständliche Programmierung (Daumendongle oder Drähte am ATMega anlöten)
schlechtes Anlaufverhalten der Motore
ein Glücksspiel, ob man den Regler in einem umbaufähigem Layout bekommt
die Regler bis 30A lassen nur 3s Betrieb zu
häufig lange Wartezeiten bei der Bestellung


Ca. 19$ + Versand + Umsatzsteuer (bei mir noch einen Tag Urlaub für den Zoll)
also erheblich teurer als der Holgerregler


Der "Holgerregler"
     
     
Holgerregler   Die sogenannten Holgerregler,
im H&I Shop sind sie fertig bestückt oder als unbestückte 4-lagige Platine erhältlich.

     
Holgerregler   Die Rückseite

Update: 03.08.2009

Den kleinen "Becherelko" verwende ich nicht mehr.
Durch Vibrationen des Kopters brechen die Anschlüsse ab, das ist nur eine Frage der Zeit.
Ich setze jetzt einen 22µF SMD-Elko ein.
Auch bei den vorhandenen Reglern habe ich diesen Kondensator ersetzt.
     
Fusebits Holgerregler   So werden die Fusebits beim Holgerregler eingestellt.
     
     
     
Regler aus China
 
TowerPro 25A   So kommt der TowerPro w25A ins Haus.

Ob er nun Toward Pro oder TowerPro heißt macht keinen Unterschied.

Ausgerüstet mit einem ATmega8 und einem 16 MHz Resonator und (hoffentlich) schnellen FETs
     
TowerPro 25A   Der TowerPro w25A Brushless Speed Controller

Die beiden BEC Spannungsregler und die dazu gehörenden Kondensatoren sind schon entfernt.

Die technischen Daten sind:

Amp rating: 25A (max 33A burst)
Voltage: 3 Cell
BEC Current: 1.5A
Battery: 2-3Cell Lipo / 5-12Cell NiMH
Size: 24x45x10mm
Weight: 24.5g
     
TowerPro 25A   Die Rückseite ohne den Alukühlkörper
     
Towerpro 25A   Die Umbauanleitung:

Das Foto zeigt die Vorderseite des auf UART-Ansteuerung umgebauten Reglers.

rot ist die UART-Ansteuerung auf Pin 30
blau ist die neue Ansteuerung der Leistungs-FETs von Pin 23 des ATmega8

Das BEC, die beiden 5V Regler, brauchen wir nicht. Sie sind ausgebaut um Gewicht zu sparen.
     
Towerpro 25A   Die Rückseite mit den LeistungsFETs

Die Spulendrähte werden zum Schluß mit 5min Kleber fixiert.

die linken 9 FETs sind FDS6679 P-Channel


die rechten 6 FETs sind TPC8017 N-Channel
Low drain-source ON resistance: RDS (ON) = 5.1 mΩ (typ.)
     
ATMega8 Pinbelegung   Die Pinbelegung des ATMega8

grün, rot und blau sind die nötigen Verbindungen zum Programmieradapter
(z.B. Sercon) für das Flashen des Chips.

der orange Pin 30 ist der UART-Eingang des Reglers.
     
TowerPro 25A Regler   Die Schaltung des TowerPro 25A Reglers.
     
Towerpro 25A   Der gesamte Reglersatz
     
Towerpro 25A   Hier noch einmal mit Rippenkühlkörpern von Reichelt
Die Kühlkörper sind mit Wärmeleitkleber aufgeklebt.

Sie sind prima mit einem Heißluftfön bei 400 Grad wieder lösbar ohne etwas zu beschädigen.
     
     
TowerPro_30A   Ein TowerPro 30A Regler Clon
     
TowerPro_30A   Das volle Programm. Alle Bänke bestückt.

P-Channel High Speed U-MOSII TPC8106 mit RDS(On) 14mOhm und

N-Channel HEXFET IRF7811A mit RDS(On) 12mOhm
     
TowerPro Clon 30A   Der bereits auf UART Ansteuerung umgebaute TowerPro 30A Regler Clon.
     
TowerPro Clon 30A   Und die Rückseite mit dem Rippenkühlkörper
     
TowerPro Clon 30A   Der Reglersatz von vorne.
     
TowerPro Clon 30A   Und von hinten.
     
     
TowerPro 50A   Schon recht edel: Der TowerPro n50A Brushless Speed Controller

Er soll auch den "aktiven Freilauf" unterstützen

Für mich wichtig: Dieser Regler kann mit einem 4s Akku betrieben werden.
Das bedeutet: Mehr Leistung bei weniger Strom.

Daten:

Amp rating: 50A
Burst Rate (15sec): 57A
Voltage: 13-25v (4-6 cell Lipo)
Size: 35x45x10mm
Weight: 34g
     
TowerPro 50A   Und die Rückseite mit den Leistungs-FETs

Alle Transistoren sind N-FETs im D2PAK Gehäuse
     
TowerPro 50A Schaltung   Das Schaltbild des TowerPro 50A Reglers.

Er benutzt drei IR2103 Treiber
Das ist ein Half Bridge Driver, Separate High and Low Side Inputs, Inverting Low Side Input

Das sollte bei der Auswahl der passenden Software beachtet werden.
     
TowerPro 50A   Der umgebaute 50A Regler.

Wieder der gleiche Trick:

Pin 30 des ATMega8 wird zur UART-Ansteuerung benutzt,
Pin 23 steuert das Treiber-IC an.
     
TowerPro 50A   Der umgebaute 50A Reglersatz für den ARMO.
     
TowerPro 50A   Die unveränderte Rückseite
     
     
Dragonfly 60A   Ein Dragonfly 60A Regler.

Er hat große Ähnlichkeit mit dem Towerpro 50A Regler.

Oben/mitte ist ein MAX662CSA.

Das ist ein geregelter +12V, 30mA output, chargepump DC-DC converter.
Er sorgt dafür, dass die Fets auch bei geringer Akkuspannung voll durchgesteuert werden können.

Links drei FET-Treiber vom Typ IR2101S
Das ist ein High and Low Side Driver, Noninverting Inputs
Damit ist er zum ROXXY720 Softwarekompatibel
     
     
Linie
     
     
Das Programmieren:    
     
Ponyprog   Ponyprog starten

im I/O Port Setup Serial, SI Prog API und den entsprechenden COM-Port einstellen

Controllertyp AVR micro und ATmega8 einstellen
das passende .hex File auswählen
die Fuses programmieren
den ATmega8 programmieren

Ich mache zum Schluß noch ein Read bei den Fuse-Bits um die richtige Einstellung zu überprüfen
     
TowerPro Fuses   Einstellung der Fuse-Bits für den ATMega8
     
     
     
     
 
     
     
     
to be continued...