sNQ Layouts
Nachdem wir mittlerweile eine erkleckliche Anzahl an Anfragen nach den kompletten Unterlagen für den Nachbau eines sNQ erhalten haben, haben wir uns - nach reiflicher Überlegung - entschlossen, die Design-Unterlagen (das Layout) für den sNQ bereits jetzt, also noch im Prototyp-Stadium, an die “Fangemeinde” zu übergeben.
Dadurch wird unser Plan, eine zuverlässige Alternative zu den aus alten TandemZ Hubschraubern ausgebauten Motoren zu finden, bevor wir sozusagen in voller Breite in die Öffentlichkeit treten, etwas ausgehebelt, aber wir sind der Meinung, dass wir den Interessenten jetzt lange genug den Mund wässrig gemacht haben :-)
Die passende Software ist hier zu finden.
Bei Nachbau aber bitte immer im Hinterkopf behalten, dass es sich beim sNQ im gegenwärtigen Stadium um einen Prototypen handelt, bei dem einzelne Aufgaben gegebenenfalls suboptimal gelöst sind und wir noch immer an Verbesserungen arbeiten. Es kann also in Zukunft weitere Versionen des sNQ geben, die besser oder zumindest anders sind als die aktuelle Version. Insbesondere wird das wohl für die verwendeten Motoren gelten müssen.
Des Weiteren möchten wir ausdrücklich darauf hinweisen, dass einzelne Bauteile (nach Murphy gehört der MPU6050 als teuerstes Bauteil natürlich dazu) nur mit gehöriger
Erfahrung im SMD-Löten von Hand auf die Platine gebannt werden können. Im Layout wurde versucht, dieser Tatsache Rechnung zu tragen indem die Pads etwas größer
ausgelegt wurden, als das Standarddesign das vorsieht. Trotzdem besteht die Gefahr, den Baustein bei unsachgemäßer Behandlung beim Löten zu zerstören.
Der Nachbau ist definitiv nichts für Leute, die nicht wissen, welches das heiße Ende des Lötkolbens ist. Aber selbst SMD-Lötfüchse brauchen eine ruhige Hand und werden bis an
die Grenzen der Auflösung ihrer Augen gefordert. Die Verwendung einer Leuchtlupe kann in diesem Zusammenhang nicht als Zeichen von Schwäche ausgelegt werden.
So, genug geunkt, es kommt rüber, dass das Ganze keine Lötübung ist... :-)
Wir reden hier immer über den sNQ. Genau genommen gibt es “Den sNQ” nicht. Es existieren zur Zeit vier unterschiedliche Prototyp-Layouts, in die wir verschiedene Ideen zu Funktionen der Schaltung und zwei unterschiedlich große Setups (Realisierung von unterschiedlichen Abmessungen) gepackt haben.
Den ersten großen Unterschied muss man nicht beschreiben, den sieht man auf den ersten Blick:
Das obere Bild zeigt die Grundform des sNQ mit langen Auslegern, die mit den gewählten Propellern maximale diagonale Abmessungen von 14 cm erreicht. Die zugehörigen Designunterlagen zum Download.
Unten ist das Ergebnis eines intensiven Brainstormings zu sehen, das wir abgehalten haben, als es darum ging, eine noch kleinere Variante auf die Beine zu stellen. Die Idee, dazu einfach die Ausleger entsprechend zu kürzen, war schnell gefunden, aber da wir nicht sicher waren, ob das geänderte Design mit den kurzen Auslegern wirklich funktioniert, haben wir beide Varianten kurzerhand in ein Layout gegossen.
Will man einen Stretcho bauen (so nennen wir die Variante mit den langen Auslegern), werden die auf halber Höhe an den Auslegern angeflanschten Halbringe abgesägt oder gefeilt und es ist im Prinzip kein Unterschied mehr zur Version mit den langen Auslegern zu sehen.
Will man einen Shorty bauen (das ist die Variante mit kurzen Auslegern, die eine Maximalausdehnung von 12 cm ergeben), werden die Teile außerhalb der Inneren Kreise abgesägt und der Steg in der Mitte des Rings mit einem 5,95 mm Bohrer ausgebohrt oder gefräst... Ok, ich habe weder einen Bohrer mit dem angegebenen Durchmesser noch eine Fräse, also habe ich einen 5,9 mm Bohrer verwendet um das Loch vorzubohren und den Rest mit der Rundfeile soweit nachgearbeitet, dass die Motoren sich saugend einsetzen lassen.
Damit die Motoren geklemmt werden, muss den Kreisen die Möglichkeit gegeben werden, federnd auszuweichen. Das haben wir auf zwei verschiednen Wegen realisiert. Der Stretcho hat außen eingesägte Motorhalteringe, beim Shorty habe ich mir eine andere Lösung
einfallen lassen, die mir persönlich besser gefällt, weil sie uns der Notwendigkeit enthebt, einen Anschluss der Positions-LEDs mit einem dünnen Draht anzuschließen.
Hierzu wird am Ring beginnend ein ca. 5 mm langer Schlitz mittig in den Ausleger gesägt. Diese Version der Motorklemmung kann natürlich auch beim Stretcho verwendet werden.
Die Designunterlagen der Doppelring-Variante zum Download.
Die zweite Variation, die in den Layouts untergebracht wurde, ist subtiler und drängt sich nicht sofort auf.
Der offensichtliche Unterschied - lange bzw. Kombi-Ausleger - ist natürlich auch hier vorhanden, aber man richte das Hauptaugenmerk auf den linken, oberen Quadranten der
Platine... Hier ist bei dieser Variante der monolithische Levelshifter von Maxim durch eine Schaltung mit zwei FETs ersetzt worden. Die Schaltung stammt aus einer Application Note
von NXP (ehemals Philips) und leistet das Gleiche wie der MAX3372 im zuerst abgebildeten Design..
Der Unterschied: Die verwendeten FETs sind ganz unkompliziert käuflich z.B. bei Reichelt
zu erwerben, während der Maxim-Baustein eher kriminalistisches Gespür erfordert, um in seinen Besitz zu gelangen.
Die Designunterlagen für die FET-Levelschifter-Variante.
Zu beachten bei der oben abgebildeten Variante:
Diese Variante haben wir relativ früh nicht weiter verfolgt, da durch geringe Modifikationen
an der unten abgebildeten Variante (entfernen der Ringabschnitte) das gleiche Ergebnis zu erreichen ist. Deshalb sind die Ringe am Ende der Ausleger nicht mit Radien an den
Ausleger angeformt, es ist also möglich, dass durch den mechanischen Stress beim Einsetzen des Motors eines der Enden abbricht.
Wir empfehlen also dringend die Verwendung des nachfolgenden Designs, wenn der FET-Levelshifter realisiert werden soll.
Ein kleiner Unterschied darüber hinaus besteht noch in der Anzahl der auf Pads geführten Digitalausgänge.
Die Variante mit dem MAX3372 bietet zwei Ausgänge, die FET-Variante nur einen, weil der
Platz für den zweiten Ausgang nicht reichte. Diese Ausgänge werden für die Ansteuerung der Positions-LEDs an den Auslegerenden genutzt, in der Software dient diese Möglichkeit
der getrennten Ansteuerung Signalisierungszwecken.
Die Designunterlagen der FET-Levelshifter-Variante mit Doppelauslegern.
Vielleicht noch ein erklärendes Wort zu der Versionierung:
Die überall zu lesende Version V3.1.5 deutet nicht die 3. Major Version des sNQ-Designs an, sondern hat ihre Wurzeln in dem zuvor erstellten Design IMUguide V3, dessen Namen und Versionierung ich für die Prototypen fortgeführt habe, solange der Name für den Shrediquette Nano Quadrocopter
- sNQ noch nicht fest stand.
Die erste Version offizieller Unterlagen wird natürlich bei 1 starten ;-)
Die Geschichte des Shorty (die durch sägen und bohren aus der Doppelring-Ausleger -Variante abgeleitete Variante) ist ja nie zu Ende geschrieben worden, durch die relativ große Überlappung der Propeller mit der Platine und dem daraus resultierenden, geringen Auftrieb, ist er nie richtig geflogen.
Um die Ausleger trotz kleinerem Motorabstand lang genug zu machen, so dass die Rotoren und die Platine nicht überlappen, habe ich zu einem Trick gegriffen und einfach die
Grundplatine um 45 Grad gedreht und dabei die prinzipielle Anordnung der Bauelemente unangetastet gelassen --- Sprich: Alles komplett neu geroutet.
Ergebnis: Die Boardfläche ist fast identisch und die Ausleger sind gleich lang wie beim Stretcho. Da hier erstmals Brushless-Motoren eingesetzt werden sollten nennt sich diese Version sNQ V2 BL. Der Anschluss der ESCs ist hier noch suboptimal gelöst, es werden
vorhandene Durchkontaktierungen und Pads der FETs verwendet um die Anschlüsse zu kontaktieren.
Der Stecker für den Empfänger ist an das hintere Ende gewandert und hat zusätzliche Kontakte bekommen, um den Betrieb mit dem Deltang 2,4 GHz-Empfänger zu erlauben. Im Bild sind die Propellerkreise eingezeichnet um den Effekt der 45°-Drehung zu visualisieren. Die Spannweite dieser Version ist 12,5 cm, der Achsabstand beträgt diagonal 81 mm.
Die Layout-Unterlagen für den sNQ V2 BL im Eagle V5.2-Format.
Aus Langeweile ;-) habe ich noch ein doppelseitiges Layout entworfen, das ich aber nicht aufgebaut und verifiziert habe. Interessant ist hier der Umriss der Platine. Um die
Spannweite noch weiter zu minimieren als beim sNQ V2 BL, habe ich runde Konturen erzeugt, die der Propellerbahn folgen.
Erfolg dieser Maßnahme: Der diagonale Achsabstand beträgt nur noch 73 mm :-)
Da hierdurch die zur Verfügung stehende Fläche kleiner wurde, bin ich auf die Unterseite ausgewichen und habe dort den StepUp-Converter sowie die 3,3 V-Erzeugung platziert.
Auch hier wurde der Deltang-Empfänger vorgesehen. Das Design ist explizit für den Betrieb mit Brushless-Motoren ausgelegt, weshalb die Einbauplätze für die Motorschalter (FETs) entfallen sind. Dafür wurde die Versorgung und die Ansteuerung der vier ESCs vorgesehen, man sieht die jeweils drei in einer Reihe angeordneten Pads am Fußpunkt der Ausleger. Die ESCs werden unterhalb der Ausleger senkrecht angebracht, wie hier zu sehen.
Die Layout-Unterlagen dieser Version im Eagle V5.2-Format.
Da ich bekennender Einseitigentflechter bin, habe ich das oben vorgestellte doppelseitige Layout nie fertigen, die Idee der Verkleinerung durch Aufnehmen der Propellerkontur aber nicht ungenutzt im Orkus verschwinden lassen wollen. In Folge zwingend, dass ich ein einseitiges Layout für diese Platine erstellt habe, das gleichzeitig den Übergang auf die nächste Prozessorgeneration und reinen 3,3 V-Betrieb realisiert.
Hier werkelt ein XMega32 als zentrale Steuerungseinheit, holt sich seine Sensordaten über I²C ohne Levelshifter direkt vom MPU6050 oder MPU6000 und steuert die BL-Motoren über ESCs an.
Um dem neuen Prozessor Rechnung zu tragen hab ich diese Version xNQ genannt, Sven möge mir verzeihen ;-)
(Cllick für Darstellung mit Bemaßung)
Die Platinenmaße entsprechen 1:1 dem oben gezeigten, doppelseitigen Vorläufer. Durch die Verwendung des XMega32 hat sich aber die Anzahl der aktiven Bauelemente auf nur drei reduziert, was das einseitige Layout überhaupt erst denkbar erscheinen ließ, denn man sieht deutlich, dass der XMega als 44-Pinner um Einiges mehr Platz benötigt als der AtMega mit nur 32 Pins.
Hilfreich erwies sich hier die Auslagerung des MPU60x0 (eines der drei erwähnten aktiven Bauelemente) auf eine eigene Platine. Diese Maßnahme erlaubt die mechanische Entkopplung des Sensors von den Motoren. Ich hoffe, mein Platinenhersteller MME verflucht mich nicht wegen der Abmessungen der Sensorplatine (9,2 x 9,1 mm). Mit etwas Pech verschwinden die Platinen beim Konturenfräsen in der Staubabsaugung...
Die Abmessungen dieses Designs in Zahlen:
- größte Spannweite - 118 mm
- größte Breite - 97 mm
- Achsabstand diagonal - 73 mm
- Achsabstand horizontal und vertikal - 52 mm
- Länge Grundboard - 46 mm
- Breite Grundboard - 41 mm
- Rotordurchmesser - 45 mm
Einige Angaben habe ich bildlich dargestellt.
Durch das reine 3,3 V-Design entfallen sowohl der StepUp-Converter als auch die Levelshifter zwischen MPU und µC. Ebenfalls als unnötig hat sich ein externer Quarz für den XMega32 erwiesen, der interne 32 MHz Oszillator läuft stabil genug für die verschiedenen Kommunikationsschnittstellen.
Geschuldet der einseitigen Entflechtung müssen hier wieder einige Verbindungen mittels Draht realisiert werden. Das gilt für die Stromversorgung der ESCs (nur Plus direkt vom Akku, Masse ist über Leiterbahnen angebunden), deren Steuersignale vom XMega sowie die Signale der Positions-LEDs auf den Auslegern (auch hier nur Plus, die Masse ist geroutet). Das Datensignal vom Empfänger wird ebenfalls über eine Drahtverbindung zum XMega geführt.
Die Layout-Unterlagen im Eagle V5.2-Format.
Nachtrag (01/2014)
Beim Festlegen des Spannungsteilers für die Akkuspannungsüberwachung ist mir ein Denkfehler unterlaufen.
Ich nahm ursprünglich an, dass ich die stabilisierte Versorgungsspannung von 3,3 V als Referenz für die Spannungsmessung verwenden kann. Im Datenblatt wird aber darauf
hingewiesen, dass das keine gute Idee ist, weshalb ich als interne Referenz VCC/1,6 ausgewählt habe. Damit ist die Referenzspannung nur noch 2,0625 V.
Mit dem von mir festgelegten symmetrischen Spannungsteiler (10k / 10k) halbiert sich die Eingangsspannung des Analogeingangs dann bei z.B. 4,3 V auf 2,15 V, was eindeutig über der Referenzsspannung und damit über der maximal messbaren Eingangsspannung liegt.
Ich habe deshalb den oberen Widerstand des Spannungsteilers (R3 im Schaltbild) von 10k auf 12k vergrößert.
Die Änderungen sind in den Layout-Unterlagen berücksichtigt, die Schaltbild-Version ist jetzt V1.1, das Layout ist unverändert.
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