Shrediquette NQ V2 BL

Die erste Generation des sNQ mit seinen zwei Varianten Stretcho und Shorty verwendet als Antrieb Bürstenmotoren, wie sie in Silverlit Flugmodellen unterschiedlicher Ausführung verwendet werden.

Leider stellte sich heraus, dass diese Motoren nicht standfest genug sind. Bereits nach wenigen Flugminuten passierte es, dass die Leistung eines Motors nachlässt und die Flugeigenschaften des sNQ entsprechend schlecht werden. Das ist nicht bei jedem Motor passiert, aber doch oft genug, so dass wir beschlossen haben, uns nach Alternativen umzusehen.

Von unseren großen Tricoptern kennen wir bürstenlose Motoren, so genannte BLs, die die beschriebenen Phänomene nicht kennen, also suchten wir Alternativen zu den kleinen Bürstenmotoren im Feld der Bürstenlosen.

Da der sNQ so klein bleiben sollte, wie wir ihn ursprünglich ersonnen haben, kam eine Vergrößerung der Abmessungen, um “normale” BLs zu tragen, nicht in Frage.

Zum Glück gibt es Hersteller, die sich des Problems schon in vorauseilendem Gehorsam angenommen haben. Man findet im Internet bei verschiedenen Händlern BLs mit nur 10 mm Durchmesser und 2 Gramm Gewicht. Adäquate ESCs (Electronic Speed Controller, elektronisch kommutierende Drehstromerzeuger) sind ebenfalls zu finden, passender Weise für den Betrieb an einer einzelnen LiPo-Zelle ausgelegt, also genau die Kombination, die für die Umstellung des sNQ-Konzepts auf BLs in Frage kommt.

Das ursprüngliche Layout des sNQ, wie es für den Shorty und den Stretcho verwendet wurde, kam für diese neue Variante nicht in Frage, denn die maximalen Abmessungen sollten auf keinen Fall größer als beim Stretcho werden, eher noch kleiner als beim Shorty.

Das Layout für den sNQ V2 wurde wieder universell ausgeführt, d.h. es wurden sowohl die FETs für den Betrieb mit Bürstenmotoren über PWM-Ansteuerung als auch Anschlussmöglichkeiten für die ESCs berücksichtigt. Da sich der Weg mit den Bürstenmotoren aber als Sackgasse herausgestellt hat, wurden die Aufnahmen für die Motoren am Ende der Ausleger direkt und ausschließlich für die oben erwähnten 10 mm BLs ausgelegt, hier sitzt jetzt also ein 3,5 mm durchmessendes Loch.

Die Notwendigkeit, eine Version 2 des sNQ zu erstellen, ergab sich ursprünglich aus der Tatsache, dass der sNQ Shorty nicht flugfähig war, geschuldet der Überdeckung der Propellerkreise mit den Ecken der Grundplatine. Deshalb ist das Layout des sNQ V2 um 45° gedreht entflochten, so dass die Länge der Ausleger fast identisch zu der der Stretcho-Variante ist, die Fläche der Grundplatine ebenso, aber trotzdem die Abmessungen nur geringfügig gegenüber denen des Shorty gewachsen sind. Der Bewegungssensor MPU6000 konnte auch hier wieder exakt in der Mitte der Platine platziert werden. Ansonsten entspricht das Design im Wesentlichen dem des sNQ V1, es wurde lediglich die Verwendung des Rx31-Empfängers von Deltang anstelle des Coral-D vorgesehen, da die ausschließliche Steuerung per Infrarot zu sehr einschränkt und der Rx31 DSM2 kompatibel ist, also auch mit einem gegebenenfalls bereits vorhandenen Spektrum Sender zusammen arbeitet.

Die Platinen wurden wieder bei MME bestellt, der Geschäftsführer Achim Medinger erkennt unsere Aufträge inzwischen am Umriss der Platine :-)
Parallel wurden die neuen Komponenten bestellt, den erwähnten BL Motor findet man bei HobbyKing in China oder für etwas mehr Geld auch hier in Deutschland. Gleiches gilt für den notwendigen ESC.
Die meisten Bauteile waren ohnehin schon SMD-Bauteile der Größe 0603, das gilt jetzt auch für die verbauten LEDs. Weiterhin wurde das neue Layout auf möglichst wenig Freiluftverdrahtung für die Positions-LEDs und die Motoren hin optimiert.

Da die Motoren gegenüber dem Stretcho ein Stück zusammen gerutscht sind, ist zwischen den Propellern nicht mehr viel Platz. Folglich muss auch der Platzierung der Stecker für die Kommunikation zur GUI sowie für Akku und Empfänger Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Das Ergebnis der Überarbeitung sieht so aus:

Man sieht durch die angedeuteten Propellerkreise sehr schön, dass hohe Bauteile, die am Rand platziert werden müssen - das sind im Wesentlichen die Stecker - auf den Mittellinien sitzen müssen um nicht mit den Propellern ins Gehege zu kommen.

Im wirklichen Leben ergibt sich dann diese Ansicht:

Der Stecker für den Akku sitzt wieder vorn in der Mitte, links der Kommunikationsanschluss zur GUI und hinten, in Flugrichtung ausgerichtet, der Stecker für den Empfänger, der wahlweise den bekannten IR-Empfänger aus den Silverlit Modellen oder den Rx31 von Deltang aufnimmt. Der Resetschalter für die Initialprogrammierung (und die erneute Programmierung, wenn nach einer desaströsen Programmänderung die Kontaktaufnahme zur GUI nicht klappt) hat diesmal ebenfalls seinen Platz gefunden. Die Vorwiderstände für die Positions-LEDs sitzen jetzt auf den Auslegern und die Pads für die Verbindung der Motoranschlüsse sind bereits fertig gebohrt.
Die Bestückplätze für die FETs der Motortreiber sind natürlich frei geblieben, da der V2 mit BLs befeuert werden soll. Die ESCs werden im ersten Ansatz direkt mit den Ausgängen des Mega328p verbunden.
Dazu später noch ein wichtiger Hinweis.

Der aufmerksame Betrachter wird bemerken, dass die Bohrungen an den Enden der Ausleger bei den beiden Abbildungen oben unterschiedliche Durchmesser haben. Ursprünglich war geplant, alternativ zu den BLs auch Bürstenmotoren mit 7 mm Außendurchmesser einzusetzen. Leider hat sich heraus gestellt, dass diese Motoren zwar sehr schön laufen, aber nicht genug Pepp haben - das liegt an der gekauften Version. Es gibt die 7mm Didel-Motoren durchaus auch in passender Leistungsklasse. Auf jeden Fall wurde die Variante mit 7 mm Löchern in den Auslegern fallen gelassen und nur die Variante mit 3,5 mm Löchern aufgebaut und in Betrieb genommen.

Nachtrag
Dennoch hat dieses Layout noch eine späte Daseinsberichtigung erfahren.

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Nach erfolgreicher Bestückung der Platine, Montage der ESCs unterhalb der Ausleger und Befestigung der Motoren mittels der neuen Klemmung, ging es an die Umstellung des Steuerprogramms. Wir müssen jetzt nicht mehr pulsweiten modulierte Signale erzeugen, sondern ESCs ansteuern, die für die Steuerung durch PPM codierte Signale vorgesehen sind. Die Umwandlung der vom Hauptcontroller des sNQ errechneten Steuersignale  über eine zwischengeschaltete Platine, wie wir das von der Shrediquette - Williams Original - her kennen, kommt aus Gewichts- und Platzgründen nicht in Frage. Die verwendeten Micro-ESCs entsprechen auch keinem bekannten Design, so dass die unkomplizierte Umstellung von PPM auf z.B. I²C-Kommunikation durch Umprogrammierung ebenfalls nicht in Frage kommt. Bleibt noch, die notwendigen PPM-Signale mit dem Hauptcontroller selbst zu erzeugen :-)

Dass dieses Ansinnen nicht prinzipiell unmöglich ist, beweist seit einiger Zeit die MWC-Fraktion (MWC - Multi-Wii Quadrocopter).

Ich habe eine Quick&Dirty-Lösung aus dem Ärmel geschüttelt um schnell mit der Inbetriebnahme des sNQ V2 BL voran zu kommen und konnte damit die Motoren zum Leben erwecken. Jetzt stellte sich allerdings heraus, dass die Antriebe nicht frei von Unwuchten sind.

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Nachtrag
Ab hier driftete die Micro-Quadrocopter-Story leider in eine vollkommen andere Richtung ab, was mich - rückblickend - in der Weiterentwicklung des sNQ ein dreiviertel Jahr kosten sollte...

Mit der Geschichte der Micro-Quadrocopter geht es hier weiter.

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Der erste Ansatz, die Propeller auf der magnetischen Propellerwaage auszuwuchten, hat leider nur zum Teil gefruchtet.

Die Silverlit-Propeller mit der Magnet-Waage zu verheiraten stellt in erster Instanz vor Probleme. Die bei der Waage mitgelieferte Achse hat einen Durchmesser von 3 mm, die Propeller ein Loch von 0,9 mm. Zum Glück habe ich in meinem Fundus einen 0,9 mm Bohrer gefunden, der ferromagnetisch ist und sich zwischen die Magnete hängen lässt. Dass der Bohrer eine Schneide anstelle einer Spitze hat - wenn auch bei diesem Durchmesser der Unterschied nicht mehr allzu groß ist - merkt man an zwei “Rastpunkten”, an denen der Propeller immer wieder anhält. Man muss den linken Magneten so weit annähern, dass der Bohrer gerade so nicht nach links springt, dann ist der Druck auf der rechten Spitze (Schneide) gering genug, dass man mit mehreren Versuchen den Mittelwert verwenden kann. Auf diese Weise kann man die Propeller auswuchten.

Die Motoren weisen aber ebenfalls unterschiedlich starke Unwucht auf, was nicht verwundern darf, findet man doch keine Anzeichen von Auswuchtmaßnahmen an den Motoren. Die Annahme, die Motoren könnten als Massenware vollkommen ausgewuchtet hergestellt werden, ist blauäugig. Immerhin sind zwölf Neodym Magnete gleichmäßig auf dem inneren Umfang der Rotorglocke zu platzieren - was je nach Motor mehr oder weniger gut gelungen ist - und mit Zweikomponentenkleber zu fixieren. Keine guten Voraussetzungen für eine gleichmäßige Massenverteilung.
Hat man Pech, dann ist zusätzlich die Achse nicht zentrisch in der Glocke befestigt und “eiert” beim Drehen des Motors.

Die Motoren müssen also ausgewuchtet werden.

Was benötigt man dazu?
Der Rotor muss irgendwie, möglichst reibungsfrei, drehbar gelagert werden und es muss eine Möglichkeit gefunden werden, die Unwucht zu erkennen. Eine Magnetwaage kommt wegen der im Rotor eingebauten Magnete eher nicht in Frage, die würden sich sicher gegenseitig stören. Eine wie auch immer geartete, andere Lagerung erscheint nicht genügend reibungsfrei.

Zeitsprung: Ich erinnere mich, dass meine Autoräder “früher” auf einer Auswuchtmaschine ausgewuchtet wurden, bei der ein Stroboskop dazu diente, die Stellung des Rades für den Monteur sichtbar zu machen, in der das Auswuchtgewicht an einer definierten Stelle festgemacht werden muss. Idealer Weise hat die Maschine auch gleich noch die Größe des notwendigen Gewichtes angezeigt.

Projiziert man diese Idee der Auswuchtmaschine auf die hier gestellte Aufgabe, kann man eine Liste von Randbedingungen erstellen, die erfüllt sein müssen, um zumindest die Stelle eines notwendigen Auswuchtgewichtes an unserem Brushless Motor zu finden.

Eine Auswuchtmaschine für einen Micro-BL muss haben:

• Eine Halterung für das zu wuchtende Teil, den BL-Motor
• Einen Aufnehmer für Beschleunigungen in mindestens eine Richtung senkrecht zur Drehachse des Motors
• Eine - möglichst steife - mechanische Kopplung zwischen Motor und Sensor
• Eine (Drehzahl-) Steuerung für die Motoren über ESCs
• Eine LED als Stroboskop, gesteuert mit den Sensordaten
• Optional eine Visualisierung der diskreten Sensordaten
• Einstellmöglichkeiten für verschiedene Parameter der Messeinrichtung

Bis auf die Strobo-LED sind alle anderen Voraussetzungen an einem sNQ V2 BL in nahezu idealer Weise bereits im Grundaufbau gegeben :-)
Man benötigt also nur noch ein passendes Programm für den µC des sNQ, um der Unwucht auf die Schliche zu kommen.

Ok, die Strobo-LED ist noch zu definieren. Da das Ganze reversibel auslegt werden soll - ich verwende ja das Original zur Suche nach den Unwuchten - muss die LED an einem der vorhandenen Steckkontakte des sNQ ihren Anschluss finden. Ideal geeignet ist der Empfänger-Steckplatz, hier gibt es 5 V und Masse sowie die Signalleitung, die diesmal nicht die Informationen aus dem Empfänger in den µC sondern die Ansteuerung für die LED aus dem µC in die andere Richtung führt.

Ich nehme vorweg, dass mein erster Ansatz mit direkter Ansteuerung der LED durch den Ausgang des Atmel nicht funktionierte. Ich habe deshalb eine Verstärkerstufe in Form eines FET dazwischen geschaltet und den Strom begrenzenden Widerstand mit 10 Ω sehr klein gewählt, damit sich mit den zu erwartenden, schmalen Impulsen ein ausreichende Helligkeit der LED ergibt.

Außerdem war die erste Auswahl der LED etwas missglückt. Spontan habe ich mich für eine superhelle, weiße LED entschieden, weil die mich am Ehesten an das Radauswuchtstroboskop aus meinen frühen Autotagen erinnert hat. Leider ergab diese Kombination keine scharfen Abbilder des sich drehenden Motors. Ich habe geschlossen, dass die bei weißen LEDs verwendeten Leuchtstoffe eine zu große Anstiegs- und Abfallverzögerung haben und damit scharfe Lichtimpulse nicht erzeugen können.

Der Umstieg auf eine rote LED räumt dieses Problem aus dem Weg und da ich den Vorwiderstand gleich belassen habe, ist deren mittlere Helligkeit bei gegebener Impulsbreite zusätzlich höher, da die Brennspannung nur etwa halb so groß wie bei einer weißen LED ist.
Die Impulse für die LED lassen sich im Übrigen durchaus auf z.B. 5 µs verlängern, ohne dass das Abbild der sich drehenden Glocke großartig verschwimmt. Die gewonnene Helligkeit wiegt diesen Effekt mehr als auf.

So, jetzt aber gesagt, getan... hier die beschriebene Erweiterung:

Der dicke schwarze Stecker enthält den Vorwiderstand für die LED, einen Blockkondensator mit 22 µF sowie eine Miniplatine mit dem FET IRLM2502 und einem 10k Widerstand zwischen Gate und Masse, um unbeabsichtigtes Einschalten der LED zu verhindern.

Die große LED im Vordergrund an den Drähten baumelnd ist die Strobo-LED.

Links im Hintergrund, die beiden blauen LEDs sind die Spannungsbegrenzer auf den Kommunikationsleitungen zwischen sNQ und Rechner. Die Begrenzung ist hier nicht notwendig, da der µC des sNQ V2 mit 5 V betrieben wird, aber ich habe mich daran gewöhnt, zu sehen, wenn Daten über die Leitung huschen, also bleibt der Begrenzer drin :-)

Hinweis
Die vier blauen LEDs auf der Platine des sNQ dienen der Spannungsbegrenzung der Pegel auf den PPM-Signalleitungen vom µC zu den mit 3,7 V betriebenen ESCs.
Diese Begrenzung ist unbedingt vorzusehen, wenn die Versorgungsspannung der ESCs schaltbar ist. Die Beaufschlagung der ESC-Signaleingänge mit 5 V-Signalen während der ESC keine Versorgungsspannung hat, führt zu dessen Zerstörung.

Im Einsatz wird die Strobo-LED bei dämmriger Beleuchtung im Zimmer mit der Hand in einem per Versuch zu bestimmenden Winkel über den Motor gehalten, so dass möglichst viel Licht von der spiegelnden Oberfläche des Außenläufers reflektiert wird. Ein auf der Glocke aufgebrachter schwarzer Strich wird bei Unwucht immer an der gleichen Stelle erscheinen. Diese Stelle (den Winkel zur Flugrichtung) merkt man sich und schaltet den Motor wieder aus. Da der im Programm verwendete Sensor die Bewegung des sNQ in Y -Richtung, also quer zur Flugrichtung, auswertet, muss zum Auswuchten in dieser gefundenen Stellung ein Gewicht links oder rechts an der Motorglocke angebracht werden.

Jetzt kommt noch ein bisschen Mathematik ins Spiel, denn zwischen die Erkennung der Unwucht durch den Sensor und das Auslösen des LED-Blitzes hat der Erfinder die Laufzeit des Programms geschoben, in der sich der Motor weiter dreht. Die Laufzeit wird einmalig mit dem Oszilloskop ermittelt. Dazu wird im Programm ein freier Ausgangspin des Mega328p direkt nach Auslesen der Sensorwerte ein- und direkt vor Einschalten der Strobo-LED wieder ausgeschaltet. Die Länge des auf dem Oszilloskop sichtbaren Impulses entspricht der gesuchten Programmlaufzeit.

Um mit der ermittelten Programmlaufzeit den Drehwinkel zu ermitteln, um den man den Motor vor dem Platzieren des Gewichts gegenüber der gefundenen Stellung zurück drehen muss, muss zusätzlich die Drehzahl zum Zeitpunkt der Messung bekannt sein.

Dazu kann man ein Oszilloskop bemühen und eine der Motorphasen des ESC ausmessen. Ein anderen Weg geht über die zusätzliche Hardware, die wir schon für die Erkennung der Unwucht am sNQ angebracht haben.

Wir verwenden erneut den Stroboskopeffekt, geben aber diesmal die Frequenz (in kleinen Schritten einstellbar) vor um über die Lichtblitze ein stehendes Bild des sich drehenden Motors zu erhalten. Über die ermittelte Frequenz erhält man die Drehzahl und kann den Winkel errechnen, um den man den Motor zurück drehen muss.

An dem Motor rechts unten erkennt man den Edding-Strich sowie das Stückchen Klebeband, mit dem der Unwucht dieses Motors zu Leibe gerückt wurde.

Die Erzeugung der Stroboskop-Blitze zur Drehzahlbestimmung ist ebenfalls im Programm realisiert und kann zur Laufzeit per Komm-Schnittstelle über den Rechner umgeschaltet werden.

Zuletzt wurde das Programm um die quantitative Erfassung der Unwucht erweitert. Man bekommt angezeigt, ob das applizierte Gewicht (in erster Instanz ein Stückchen Gewebe-Klebeband) die Unwucht verringert oder vergrößert hat.

Die Bestimmung der Lage des anzubringenden Gewichts hat sich als etwas ungenau erwiesen, man kann also durch geringe Variation der Lage des Aufklebers auf der Glocke eine Verbesserung herbei führen, angezeigt durch die Größe der Unwucht, bevor man sich der Bestimmung der notwendigen Masse widmet.

Nach einigen Tagen intensiver Beschäftigung mit Bascom und meinem sNQ V2 BL Prototypen (und nach wertvollen Tipps und Hinweisen aus dem RoboterNetz-Forum, Vielen Dank Matthias!) läuft mein Unwuchtlokalisierungshilfsmittel und es kann mit dem Auswuchten begonnen werden. Da ich weiter an der Verbesserung des Programms arbeite, kann es sein, dass sich die hier veröffentlichte Version noch ändert.

Der Code für den µC, der den sNQ vom Flugzeug zur Auswuchtmaschine mutieren lässt, kann hier geladen werden. Das ZIP-File enthält die BASCOM-Source und die HEX-Datei zum direkten Download auf den sNQ.

Die Anleitung, wie mit der Maschinerie zu verfahren ist, liegt bei.
<ToDo. Bis dahin bitte mit den Kommentaren im Sourcecode vorlieb nehmen>

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Nachtrag
Ich habe es nicht geschafft, mit dieser Konstruktion die Motoren auszuwuchten.

Nach einem Hinweis im Mikrokopter-Forum werde ich aber dennoch versuchen, die Hextroniks Motoren zur Zusammenarbeit zu bewegen. Der Trick scheint darin zu liegen, die Motoren nicht ohne, sondern zusammen mit den Propellern auszuwuchten. Man wird sehen...

Nachtrag
Ich habe später einen weiteren Ansatz zum Auswuchten meiner Brushless Motoren verfolgt und eine Auswuchtmaschine gebaut.