Elektronik_Header_3LŘftersteuerung mit ESP-01

 

E-Roller

Im Fr├╝hjahr 2014 hat Sohnemann in einer Vorlesung an der Hochschule Pforzheim die Idee aufgenommen, einen normalen, auf dem Markt erh├Ąltlichen Cityroller auf Elektroantrieb umzubauen. Der Professor hat seine Version eines solchen Umbaus mit in die Vorlesung gebracht, um zu zeigen was mit einfachen Mitteln m├Âglich ist. Hintergedanke der Hochschull├Âsung ist die Realisierung einer StVO-konformen Umsetzung, so dass der Roller im ├Âffentlichen Stra├čenverkehr eingesetzt werden kann und darf. Dabei sollte die Steuerung mit preiswert erh├Ąltlichen Teilen aus dem Modellbau realisierbar sein.

Konkret wird der Roller des Professors mit einem Heli-Controller betrieben, der im sogenannten Governor-Mode arbeitet. In diesem Modus wird eine Maximaldrehzahl fest voreingestellt, die der Controller eigenst├Ąndig unter allen zul├Ąssigen Belastungen einh├Ąlt. In der Anlaufphase wird der Motor in dieser Betriebsweise langsam hochgefahren, nachdem der Controller den Befehl zum Start erhalten hat. Der Startbefehl l├Ąsst sich ├╝ber einen Taster ausl├Âsen, so dass die Steuerung des Rollers mit diesem Setup denkbar einfach gehalten ist. Gebremst wird mit dem original vorhandenen Schutzblech, das mit dem Fu├č auf den Hinterreifen gedr├╝ckt wird.


Bez├╝glich des Betriebs eines solchen, auf Elektroantrieb umgebauten Rollers sind umfangreiche Vorschriften seitens StVO (Stra├čenverkehrsordnung), StVG (Stra├čenverkehrsgesetz), StVZO (Stra├čenverkehrszulassungsordnung) und FZV (Fahrzeugzulassungsverordnung) zu beachten. Au├čerdem besteht Versicherungspflicht.

Die Kurzfassung: Der Betrieb des in Eigenregie auf Elektroantrieb umgebauten Rollers im ├Âffentlichen Stra├čenverkehr ist verboten. Bei Nichtbeachtung ist mit Bu├čgeld und Strafe zu rechnen.

Nach dem Umbau auf Elektroantrieb - genaugenommen nach jeglicher ├änderung am Original - darf der Roller also ausschlie├člich auf Privatgrund betrieben werden. Hier ist jeder Nachbauwillige gehalten, sich im Vorfeld kundig zu machen und sich entsprechend zu verhalten. Dies gesagt, geht es jetzt an die technische Umsetzung.


Der Roller wurde bereits mehrfach von Studenten nachgebaut - was aus der Idee in unserem Hause geworden ist, stelle ich hier vor.

Grundstock f├╝r den Umbau ist der Big Wheel Air 205 von Hudora. Der Roller hat luftgef├╝llte Gummireifen auf Vier-Speichen-Alufelgen die die Montage des Antriebszahnrades am Hinterrad mittels vier Stahlschrauben relativ einfach machen. Die Wahl eines Rollers mit luftgef├╝llten Reifen ist alleine dem Komfort geschuldet, Roller mit Vollgummireifen sind sicher ebenfalls geeignet.Hudora Big Wheel Air 205 out of the box

Die elektrischen Betriebsmittel sind Teile aus dem umfangreichen und vergleichsweise preiswerten Programm von HobbyKing, allerdings sind die Lieferungen aus China traditionell recht lange unterwegs. Lieferzeiten um die 6 Wochen und mehr sind keine Seltenheit und bei den hier in Frage kommenden Teilen geht die Lieferung ziemlich sicher durch den Zoll, werden also letztendlich nochmal teurer. Man sollte also pr├╝fen, ob die gew├╝nschten Teile nicht im German oder European Warehouse von HobbyKing erh├Ąltlich sind, hier entf├Ąllt die zollrechtliche Behandlung und die Lieferzeiten sind deutlich k├╝rzer. Die Vorteile erkauft man sich nat├╝rlich mit h├Âheren Katalog-Preisen.

Der Antriebsstrang wird mit Teilen aus dem Werkzeugmaschinenbau aufgebaut, konkret sind das ein Kettenrad mit 57 Z├Ąhnen und ein Ritzel, verbunden mit einer passenden Kette. Durch den linearen Zusammenhang zwischen Betriebsspannung, Kv-Wert des Brushless-Motors und ├ťbersetzung des Kettenantriebs ist es m├Âglich, im Vorfeld die notwendige Z├Ąhnezahl des Ritzels zu bestimmen, nachdem die Versorgungsspannung des Antriebs festgelegt war. Der einschr├Ąnkende Parameter f├╝r die Wahl des Kettenrades ist dessen Au├čendurchmesser. Dieser sollte etwas kleiner als der Durchmesser der Felge sein.

Hier in loser Folge ein paar Ansichten verschiedener Baustufen des Rollers.

Das Kettenrad wird mit vier Schrauben parallel zur Felge mit ├╝ber die Schrauben einstellbarem Abstand befestigt:

Hinterrad

Das innere Loch des Kettenrades muss mit einem Stufenbohrer soweit aufgebohrt werden, dass die Achse der Felge hindurch passt:Hinterrad mit Kettenrad

Die Kette l├Ąuft in dem schmalen Spalt zwischen Hinterrad und Achstr├Ąger:

Hinterrad montiert

Der Abstand zwischen Felge und Kettenrad wird mit Muttern so eingestellt, dass die Kette mittig zwischen Achstr├Ąger und Reifen l├Ąuft und nirgendwo schleift. Nat├╝rlich muss das Kettenblatt absolut parallel zur Felge montiert sein, was etwas knifflig ist, da die Muttern durch die kleinen ├ľffnungen in der Alufelge nur schlecht erreichbar sind. Alle Schrauben und Muttern werden vor der endg├╝ltigen Montage mit Schraubensicherungslack gegen L├Âsen gesichert.

Die Motorachse muss passend gek├╝rzt werden, auf Grund der H├Ąrtung der Achse ein anstrengendes Unterfangen, falls das mit einer Hands├Ąge durchgef├╝hrt werden muss. Der Innendurchmesser des Ritzels war zu klein, musste also ebenfalls zuerst auf den Achsdurchmesser aufgebohrt werden. Um das Ritzel auf der Achse mit einem Splint zu sichern m├╝ssen beide Teile durchbohrt werden. Wir haben zur Sicherung eine sogenannte Spannh├╝lse in passender L├Ąnge verwendet.

Motorhalterung

Motorhalterung

Motorhalterung, Blick von vorne auf die Halterung und die Kette

Motor montiert

Motor und Antrieb

Heck des Rollers mit Motor


Der Roller wird mit zwei in Serie geschalteten 5 Ah LiPo-Akkus mit je 3 Zellen betrieben, was eine Spannung unter Last von ca. 22 V bei voll geladenen Akkus ergibt. Mit der Kennzahl 149 Kv des Motors ergibt sich eine H├Âchstdrehzahl von 3300 U/min was mit der gegebenen Z├Ąhnezahl von 10 des Ritzels und 57 des Kettenrads nach ein wenig Mathematik in einer Abrollgeschwindigkeit von 747477 mm/min am Hinterrad resultiert. Damit w├╝rde der Roller also bei Vollgas ca. 44 km/h schnell fahren. 7 km/h sind f├╝r ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug zul├Ąssig. Da eine ├änderung der ├ťbersetzung auf Grund der mechanischen Gegebenheiten nicht m├Âglich ist, muss die erreichbare H├Âchstdrehzahl in der elektronischen Steuerung begrenzt werden.
Das kann, wie oben beschrieben, durch den Betrieb des Heli-Controllers im Governor-Mode erreicht werden.

Wir wollten allerdings eine stufenlos einstellbare Geschwindigkeit realisieren, dazu sp├Ąter mehr.

F├╝r erste Tests wurden die Akkus und der Heli-Controller an geeigneter Stelle mit Tape befestigt.

Versuchsaufbau

Die Signale f├╝r den Heli-Controller wurden dabei mit einer normalen Fernsteuerung erzeugt, was grenzenloses Vertrauen zwischen Fahrer auf dem Roller und Pilot am Gashebel (an der Fernsteuerung) voraussetzt :-)


Die von uns bevorzugte Methode ist eine stufenlose Einstellung der Drehzahl mittels Daumen-Gashebel, wie das z.B. bei einigen E-Bikes realisiert ist.

Daumen-Gashebel, Hauptschalter + Tacho

Der neben dem Tacho sichtbare Microschalter ist nicht in der Lage, den Erregerstrom f├╝r das Power-Relais zu liefern, er schaltet nur einen FET auf der Controller-Platine. Der selbe FET wird vom Controller gesteuert um den Sleeptimer zu realisieren.

Da wir einen normalen Heli-Controller verwenden, kann dessen Drehzahl durch PPM -Signale, wie sie von handels├╝blichen Fernsteuerungen abgegeben werden, eingestellt werden. Solche Signale k├Ânnen z.B. mit einem einfachen, sogenannten Servo-Tester erzeugt werden, der mit einem Gleichspannungssignal, einzustellen mit einem Poti, angesteuert wird. Alternativ zum Selbstbau einer Lagerung f├╝r ein Poti und einem Hebel zu dessen Bet├Ątigung verwenden wir besser einen k├Ąuflich erh├Ąltlichen Daumen-Gashebel, der einfach auf dem Lenker befestigt werden kann und das Steuersignal f├╝r den Speed-Controller mittels Hallsensor verlust- und verschlei├čfrei erzeugt. Alternativ sind heute (Stand 02/2016) auch komplette Gas-Drehgriffe f├╝r Pedelecs erh├Ąltlich.

Wie bereits beschrieben verlangt der Heli-Controller ein PPM-Signal, der Daumen-Gashebel gibt aber eine einstellbare Gleichspannung ab.

Um das System so variabel wie m├Âglich zu gestalten, haben wir uns entschlossen, einen Atmel Micro-Controller des Typs AtMega8 zu verwenden, der auf einer speziell entworfenen Platine mit Anschl├╝ssen f├╝r alle m├Âglichen Erweiterungen platziert wird. Dieser Microcontroller wird mit BASCOM programmiert, wertet per Programm die vom Daumen-Gashebel erzeugte Gleichspannung aus und erzeugt passende PPM-Signale f├╝r den Heli-Controller. Hier ein Bild der zuletzt eingesetzten Version 3 der RollerControl Steuerung:

RollerControl V3

Da das Layout einseitig entflochten ist, m├╝ssen zwei Signale mit Dr├Ąhten verbunden werden.


Der nicht best├╝ckte Vierfach-Stecker oberhalb des Microcontrollers f├╝hrt den Hardware -I┬▓C-Anschluss des Microcontrollers nach au├čen. Er kann zum Anschluss eines I┬▓C-Displays genutzt werden. Ebenso denkbar ist der Einsatz eines 6DOF Bewegungssensors mit I┬▓C-Anschluss. Damit w├Ąre z.B. m├Âglich ein drohendes Wheelie abzufangen (passende Reduzierung der Antriebsleistung) oder das Gef├Ąhrt eventuell doch STVZO gerecht zu machen (die Geschwindigkeit wird nicht mit dem Daumen-Gashebel sondern mittels Absto├čen mit dem Fu├č am Boden eingestellt, so bereits realisiert beim Smart Ped von FlyKly. Damit k├Ânnte zumindest die Versicherungspflicht entfallen).


Nachdem die Grundfunktionalit├Ąt - Erzeugung eines PPM-Signals proportional zur angelegten Gleichspannung - implementiert war, kamen nach und nach Goodies hinzu, die den Betrieb des Rollers angenehm und einfach machen. So wurde z.B. eine Beschleunigungsrampe implementiert, die das Anfahren unkritisch werden l├Ąsst, zieht doch der Motor mit ca. 1 PS am Hinterrad. Wird diese Kraft schlagartig auf den Antriebsstrang losgelassen, ist die Beanspruchung der Kette viel zu hoch, nicht zu vergessen, dass der Roller im Zweifelsfall ein Wheelie macht und den Fahrer abwirft. Au├čerdem hat sich als notwendig erwiesen, das Eingangssignal vom Daumen-Gashebel zu gl├Ątten, da beim Fahren jede Unebenheit dazu f├╝hrt, dass der Daumen mit dem Hebel wackelt, was zu einem sehr unruhigen Fahrstil f├╝hrt.

Als unbedingt notwendig erwiesen hat sich im weiteren Betrieb der Einbau eines Sleeptimers. Die verwendeten LiPo-Akkus vergeben eine zu tiefe Entladung nicht, es kann sogar passieren, dass der Akku in Flammen aufgeht, wenn er tiefentladen wird, eine zu tiefe Entladung gilt es also unbedingt zu verhindern.

Die Verwendung eines Microcontrollers f├╝r die Steuerung macht das recht einfach. Vergisst man nach dem Fahren, den manuellen Schalter auszuschalten, l├Ąuft ein 3 Minuten Timer ab, wenn in dieser Zeit nicht wieder Gas gegeben wird. Sowohl Schalter als auch Timer schalten das komplette System ├╝ber ein Hochlastrelais vollkommen ab, es flie├čen keine Reststr├Âme, die den Akku ├╝ber l├Ąngere Zeitr├Ąume dennoch tiefentladen k├Ânnten.

Controller und Relais

Relais und Controller sitzen gesch├╝tzt im Rahmen unterhalb der Trittfl├Ąche:

Relais und Controller sitzen gesch├╝tzt im Rahmen unterhalb der Trittfl├Ąche

Die Akkus sind unterhalb und vor dem Trittbrett mit Tape befestigt und mit einem Alu -Winkel gegen Verrutschen gesicher, das Trittbrett bleibt so auf ganzer Fl├Ąche frei f├╝r die F├╝├če:

Akkus am Rahmen

F├╝r den Betrieb bei N├Ąsse und allgemein zum Schutz gegen Schmutz ist der Hohlraum unterhalb des Trittbretts komplett mit Tape abgedichtet.

Elektronik abgedichtet

Im Bild oben ist der Roller bereits mit zwei S├Ątzen Akkus ausger├╝stet um die Reichweite zu erh├Âhen. Die Akkus sind in 2S2P verschaltet, also jeweils zwei Akkus in Serie und diese beiden Seriellschaltungen dann parallel. Der zweite Satz Akkus ist oberhalb des Trittbretts montiert.

Ein Fahrradtacho (passend einstellbar f├╝r den geringen Radumfang des Rollers), ein Scheinwerfer und ein R├╝cklicht vervollst├Ąndigen die elektrische Ausstattung des Rollers:

Tacho

Scheinwerfer

R├╝cklicht          (Click auf das Bild f├╝r Detailaufnahmen des R├╝cklichts)

 

Das Frontlicht erwies sich als zu schwach, weshalb hier nochmal nachger├╝stet wurde:

Scheinwerfer V2

Da diese Power-LED die Fahrbahn taghell ausleuchtet, wurde ein Dimmer vorgeschaltet, der in einem kleinen Kunststoffk├Ąstchen Platz findet:

Dimmer f├╝r den LED-Scheinwerfer

Wie beim Muster des Professors wurde unser Roller anfangs ebenfalls mit dem Schutzblech auf dem Hinterrad abgebremst. Um den ohnehin durch den kr├Ąftigen Motor arg heran genommenen Hinterreifen nicht auch noch mit dem Bremsen zu belasten, haben wir den ersten Heli-Controller durch eine Version ersetzt, die Bremsen durch Rekuperation - R├╝ckspeisung von elektrischer Energie in den Akku, gewonnen aus der mechanischen Bewegungsenergie ├╝ber die Generatorfunktion des Motors im Schiebebetrieb - erm├Âglicht.

Angedacht war, die Bremswirkung mit dem Daumen-Gashebel dosierbar zu machen, das wird von dem verwendeten Heli-Controller aber leider nicht unterst├╝tzt. Folglich hat der Roller nur eine Bremstaste, die die Bremse sofort und maximal stark aktiviert. Man belastet also tunlichst das Hinterrad durch Gewichtsverlagerung, bevor die Bremse bet├Ątigt wird.

Bremstaste


Das in BASCOM geschriebene Programm f├╝r die Steuerung des Rollers im momentanen Setup wird als Sourcecode zur Verf├╝gung gestellt. Das aus der BASCOM Source erzeugte Compilat liegt knapp ├╝ber der Grenze von 2 kByte, l├Ąsst sich also mit der Freeware -Version von BASCOM nicht mehr erzeugen. Durch geschickte Optimierungen ist aber sicher eine passende Reduzierung des Codes erreichbar, der geneigte Nachbauer ist hier selbst gefordert.

Update
Sporadisch bleib die Bremsfunktion des ESC aktiviert, auch nachdem die Bremstaste gel├Âst wurde. Dieses Verhalten wurde behoben indem nach dem L├Âsen der Bremstaste ein sehr kurzer “Gas-Sto├č” ausgegeben wird. Dadurch n├Ąhert sich der PPM-Wert f├╝r den ESC wieder “von oben”, so als ob nur das Gas weggenommen worden w├Ąre. Das ge├Ąnderte Programm zum Download.


Die EAGLE Dateien der Microcontroller-Platine RollerControl V3 liegen ebenfalls zum Download bereit. Hier das Schaltbild der Steuerung:

Schaltplan RollerControl V3 - Click f├╝r volle Aufl├Âsung             (Click auf das Bild f├╝r gr├Â├čere Darstellung)

 

So sieht die Schaltung mit EAGLE 3D gerendert aus:

RollerControl V3

Bei Fragen zu technischen Einzelheiten, die in unserem Bericht nicht enthalten aber wichtig f├╝r das Gelingen sind, bitte einfach eine Mail schreiben.


So, jetzt bleibt uns nur noch ├╝brig viel Spa├č bei einem eventuellen Nachbau zu w├╝nschen :-)

Und auf die Gefahr hin zu nerven, nochmal der Hinweis, dass der Betrieb des umgebauten Rollers im ├Âffentlichen Stra├čenverkehr verboten ist!


Nachtrag

Schutzblech verl├Ąngert

Nach den ersten paar Hundert Kilometern bei Wind und Wetter zeigen sich erste Verschlei├čerscheinungen am Motor, hervorgerufen durch Piloten, die ihren Schuh zu weit nach hinten positioniert haben. Sch├Ân zu erkennen die Schleifspuren am Umfang des Rotors. Der Motor steckt das ├╝brigens besser weg als der Schuh ;-)

Auch sch├Ân zu sehen das von der Kette abgeschleuderte Fett an der Felge.

Bei N├Ąsse schleudert das Hinterrad Dreck bis auf den R├╝cken des Fahrers, weshalb eine Verl├Ąngerung aus Tape am Schutzblech angebracht wurde.


Erfahrungen im Winter
Es stellte sich heraus, dass die Impulserzeugung nicht stabil genug l├Ąuft. Ein neuer Controller muss her.

 


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