Einleitung
Wie
funktioniert
eine Fernsteuerung?
Wie
funktioniert
ein ferngesteuerter Schalter?
Wie
funktioniert
ein Servo?
Wie
funktioniert
ein Motorsteller?
Was macht ein
Piezo-Kreisel?
Was macht ein
optischer Autopilot?
Was bringt
PCM?
Wie
funktioniert
ein Servo-Verstärker?
Und
was hat das alles mit PIC-Prozessoren zu tun??
Ich habe das Bauen von
Modellen
schon vor vielen Jahren aufgegeben. Nicht das mich das nicht reizen
würde,
aber man kann nicht allen machen. Dafür halte ich noch die Fahne
der
Elektronik hoch. Vielleicht kann ich ja einigen Bastlern die Nutzung
von
Eigenbauelektronik erleichtern.
Sender
Die Fernsteuerung sendet
nacheinander 8 Impulse aus und beginnt dann nach einer Pause von vorn.
Die 8 Impulse stehen für die 8 Fernsteuerkanäle K1 ...K8, die
eine normale Fernsteuerung maximal unterstützt. Die Länge der
einzelnen Impulse enthält die Kanalinformation - z.B. die Stellung
des Steuerknüppels. Jeder Impuls ist mindestens 1 Millisekunde
lang
und
höchstens 2 Millisekunden. Der Low-Teil ist dabei konstant 0,3 ms
lang. Die Länge des High Teils variert von 0,7 ms bis 1,7 ms.
Die ersten 4 Kanäle (K1 ...K4) sind den beiden Kreuzknüppeln der Fernsteuerung zugeordnet. Die Knüppelmittelstellung entspricht einer Impulslänge von 1,5 ms. Die übrigen 4 Kanäle werden, wenn überhaupt, für Schaltfunktionen benutzt. Impulslängen unter 1,5 ms entsprechen "AUS", Impulse über 1,5 ms entsprechen "EIN". Prinzipiell sind aber alle Kanäle gleichwertig.
Alle 8 Impulse zusammen
dauern
also je nach Länge der einzelnen Impulse zwischen 8 und 16 ms.
Danach
legt die Fernsteuerung eine Pause ein, die die Länge des ganzen
Protokolls
auf 20 ms auffüllt. Die Pause dauert also zwischen 4 und 12 ms.
Der
Fernsteuerempfänger kann diese große Lücke erkennen,
und
weiß nun genau, wann der 1. Impuls beginnt. (Eigentlich sind es
22,5 ms, aber auf die genaue Länge kommt es in der Praxis nicht
an. Einige Fernsteuerungen senden auch bis zu 12 Kanalpulse, und
überschreiten die 22,5ms damit ohnehin.)
Empfänger
Der Empfänger
empfängt
die oben beschriebene Impulsgruppe und verteilt die 8 Kanalimpulse nun
auf 8 separate Ausgänge. Jeder Ausgang enthält also eine
Signalleitung,
die einmal in 20 ms einen Impuls von 1 bis 2 ms Länge führt.
Dieser Impuls ist ein
High-Impuls,
dessen Länge der Gesamtlänge des zugehörigen Kanalimpuls
(Low+High Teil) entspricht.
Die
Ausgangssteckverbinder enthalten neben dem Impuls-Pin noch jeweils ein
Masse-Pin und ein Betriebsspannungs-Pin.
Auch wenn jeder Hersteller
seine eigenen Steckverbinder benutzt, sind die elektrischen Funktionen
immer gleich.
Die Grafik zeigt das typische Verhalten einer RC-Anlage mit Pulslängenmodulation, bei der der Decoder ein einfaches Schieberegister ist. Die Kanalimpulse werden nacheinander erzeugt. Bei Anlagen mit PCM können dagegen auch mehrere Ausgänge des Decoders gleichzeitig Pulse erzeugen.
bürstenlose
Motoren
Bürstenlose Motoren
müssen mit Drehstrom angesteuert werden, dessen Frequenz der
Motordrehzahl
entspricht. Der Akkumulator liefert aber nur eine Gleichspannung. Der
Motorsteller
muss hier also einen Drehstrom der gewünschten Frequenz
erzeugen
und die Drehungen des Motors beobachten, um dem Gleichlauf von Motor
und
Drehstrom zu garantieren.
Regler/Steller für
bürstenlose Motoren sind deshalb viel komplizierter aufgebaut als
Steller für Bürstenmotoren. Zum einen benötigen sie eine
Messeinrichtung, die die Drehung des Motors misst, und zum
anderen
sind für die Drehstromerzeugung 6 mal soviel Leistungstransistoren
nötig wie für einen Bürstenmotor. Da der Motorstrom
immer
2 Transistoren in Reihe durchfließt, sind die Reglerverluste beim
Regler für bürstenlose Motoren doppelt so hoch wie beim
einfachen
Regler für Motoren mit Bürsten. Dafür entfallen die
Kollektorverluste
im Motor.
Die Drehzahl des Motors hängt aber nicht nur von der Spannung, sondern auch von der Modellgeschwindigkeit und der Luftschraube ab. Deshalb kann man hier nicht von einem Motorregler reden. Ein Motorregler misst die Drehzahl und stellt sie in Abhängigkeit von den Kanalimpulsen ein. Normalerweise ist ein Motorsteller aber ausreichend.
Überlasten
Die Leistungstransistoren
von Motorstellern sind meistens nicht gekühlt. Der Motorsteller
darf deshalb nur wenige Minuten lang betrieben werden.
Natürlich steuert eigentlich der Modellpilot das Flugmodell. Der entsprechende Kanalimpuls wird vom Fernsteuerempfänger in den Piezo-Kreisel geschickt, und dort vom Kreisel manipuliert, bevor er zur Rudermaschine weitergeleitet wird. Dadurch kann der Pilot den Kreisel "übersteuern" und dem Modell eine Drehbewegung aufzwingen, die der Kreisel eigentlich dämpfen möchte. Voraussetzung für das Zusammenspiel zwischen Pilot und Kreisel ist es, dass der Kreisel nur einen vergleichsweise kleinen Einfluss hat. Er reagiert auf ziemlich große Drehmomente mit vergleichsweise kleinen Ruderkorrekturen.
Ein Piezo-Kreisel ist in Modellhubschraubern sehr hilfreich, um Drehungen um die Hochachse zu vermindern. Auch agilen Flugzeugen kann zu einem ruhigeren Flugbild verholfen werden. In Flugzeugen mit kleinen Rollraten (Transport-, Passagier- und viele Segelflugzeuge) ist der Piezo-Kreisel aber zur Untätigkeit verdammt.
Die alte Pulslängenmodulation und PCM unterscheiden sich in ihrem Verhalten bei schlechtem Empfang. Befindet sich ein Modell mit PCM-Fernsteuerung an der Grenze der Funkreichweite, oder stört ein anderer Modellbauer versehentlich die Frequenz mit seinem Sender, so bricht der Datenfluss vom Sender zum Empfänger zusammen. Schon einzelne gestörte Bits der PCM-Daten reichen aus, um mit einem PCM-Empfänger keine Kommandos mehr erkennen zu können. In so einem Fall belässt der PCM Empfänger zunächst alles beim alten und bewegt die Rudermaschinen nicht. Dauert die Funkstörung länger, steuert der PCM-Empfänger alle Servos in eine voreingestellte Notstellung - eine Art Segelstellung z.B.. Ob das dann aber den Absturz verhindern kann hängt davon ab, bei welchem Manöver die Funkstörung auftrat. Wer gerade in einem Sturzflug war, der stürzt meist weiter.
Ein Modell mit herkömmlicher Pulslängenmodulation ist bei Funkstörungen schwer unter Kontrolle zu behalten. Der Empfänger schwankt ständig zwischen dem Störsignal und den Signalen des richtigen Senders hin und her. Man hat aber immerhin noch einen gewissen Einfluss auf das zappelnde Modell und kann oft es in der Luft halten, bis die Störung vorbei ist, oder bis das Modell dicht genug am eigenen Sender ist und dieser den Störsender "übertönt".
Beide Verhaltensweisen haben Vor- und Nachteile. Die alte Pulslängenmodulation warnt bei schlechterwerdendem Empfang den Modellpiloten durch unruhige Ruder, während bei einer PCM-Anlage die Kontrolle ohne große Vorankündigung verlorengehen kann. Die im Normalbetrieb ruhigeren Ruder der PCM-Anlage helfen aber Strom zu sparen, was beim Dauersegeln ein deutlicher Vorteil ist.
