Bauanleitung X-UFO-Kreiselplatine „Rollnick“ V1.0

Bauanleitung X-UFO-Kreiselplatine „Rollnick“ V1.0
1.) Was kann diese Platine ?
So ziemlich jeder X-UFO Besitzer ist genervt von einem Phänomen: Bei schnellen
Richtungsänderungen oder beim abrupten Stoppen kippt das Ufo plötzlich und stürzt unhaltbar ab.
Grund dafür ist die Ausführung des mechanischen Kreisels als sogenannter „schwerer Kreisel“. Durch
die Aufhängung des Kreisels oberhalb des Schwerpunkts richtet er sich vor dem Start und auch
während des Flugs waagrecht aus und hält das X-UFO in dieser Lage. Leider übertragen sich so auch
Beschleunigungskräfte auf den Kreisel. Zudem hat der Kreisel einen mechanischen Anschlag bei
einer gewissen Schräglage. Spätestens dann, wenn er dort anschlägt, beginnt der Kreisel zu
präzedieren und das Ufo stürzt ab. Bei heftigeren Abstürzen springt dabei der Kreisel aus seiner
Aufhängung und ist defekt.
Daher haben einige Bastler schon bald eine Lösung mit Piezokreiselelementen ersonnen. Man kann
einen mechanischen Kreisel als Basis nehmen und mit Piezoelementen und einigen nachträglich
angebrachten Bauteilen modifizieren. Um einen sauberen mechanischen Aufbau zu erhalten und
keinen Originalkreisel zerstören zu müssen, habe ich die hier beschriebene Platine entwickelt. Zudem
eröffnet sie die Möglichkeit, die Schaltung etwas zu optimieren.
2.) Wie funktioniert das und was ist der Unterschied zum mechanischen Kreisel?
Warum kann man überhaupt den mechanischen Kreisel gegen ein Piezoelement ersetzen ? Der
mechanische Kreisel ist ein Positionssensor. Er gibt die Information über die beiden Winkel der Rollund Nickachse. Die X-UFO Platine regelt dann durch Drehzahländerung der Motoren Abweichungen
von der Horizontalen aus. Ein „Piezogyro“ ist ein Drehratensensor . Er liefert ein Ausgangssignal, das
proportional zur Drehgeschindigkeit (Winkelgrad pro Sekunde) ist. Daß es trotz der Verschiedenheit
der Signale funktioniert den Kreisel durch Piezoelemente zu ersetzen, liegt daran, daß die originale
Kreiselplatine das Positionssignal elektronisch differenziert und somit auch ein Geschwindigkeitssignal
erzeugt . Die Geschwindigkeit läßt eine Störung der Lage früher erkennen, als die Abweichung des
Winkels. Der Regelkreis kann einer Störung frühzeitiger entgegenwirken. Zusätzlich wird aber noch
das zur Lage proportionale Signal beigemischt. Man spricht von einem PD-Regler (ProportionalDifferential). Der Piezo-Kreisel liefert dagegen nur eine der Signalkomponenten des mechanischen
Kreisels, sozusagen die D-Komponente. Die zur Lage proportionale Komponente fehlt. Das hat zur
Konsequenz, daß das Piezo-X-UFO zwar schnelle Störungen der Lage durch Luftströmungen
wirksam unterdrückt, aber keine Information über die absolute Lage gegenüber dem Erdboden hat.
Eine einmal eingenommene Schräglage wird nicht mehr ausgeregelt. Man muß alle durch
Steuerbewegungen eingeleiteten Lageänderungen durch Gegensteuern ausgleichen. Das macht das
Fliegen mit dieser einfachen Piezokreiselschaltung schwieriger (hubschrauberähnlicher) als mit dem
mechanischen Kreisel. Dafür sind dynamischere Manöver möglich, ohne daß das UFO spontan
„flippt“.
3.) Die Schaltung
Stückliste , Bestellnummer und Preise (ohne MWSt.) bei Conrad Electronic:
Bauteil
Typ
Lieferant und Bestellnummer
Platinenmaterial
Epoxyd 0,5mm doppels.
Conrad electronic Best.Nr. 536245-29
K1
2mm Pfostenleiste 2-reih. Conrad electronic Best.Nr. 739219-29
IC2
OP.Verst. TS272 SO8
Conrad electronic Best.Nr. 155642-62
IC1
EEPROM 24C04 SO8
Conrad electronic Best.Nr. 155488-29
C1,C2
Elko 470µF/16V radial
Conrad electronic Best.Nr. 445373
C3,C4
10nF SMD 0805
Conrad electronic Best.Nr. 445403-29
C6
10µF/16V Tantalperle
Conrad electronic Best.Nr. 481726-29
C5
10µF 10V SMD
Conrad electronic best.Nr. 502005-29
R2/R3
Mikro-Trimmpoti 100K
Conrad Best.Nr. 422479-62 o.a.
R1,R4,R5,R8
SMD-Widerstände 1206
Conrad oder Reichelt etc ...
3V-Piezoelemente
NEC/TOKIN CG-L33
Ausgebaut aus Kreisel-Schrott
Preis
2,61
1,37
0,31
0,56
0,07
0,07
1,02
0,25
0,15
0,06
Die Schaltung verwendet Piezoelemente CG-L33 mit 3V Betriebsspannung. Auch der Typ CG-L43
sollte geeignet sein (von mir nicht erprobt). Das Ausgangssignal wird über einen Koppelkondensator
C2 dem Verstärker zugeführt. Dieser Koppelkondensator ist ein notwendiges Übel, um die
Gleichspannungskomponente am Ausgang der Piezogyros zu entfernen. Diese hat eine
Temperaturdrift, die ohne die DC-Trennung bei Temperaturänderungen von wenigen Grad dazu führt,
daß das X-UFO seitlich wegdriftet. Was ist übel an dem Kondensator ? Er bildet zusammen mit dem
Trimmer R2 einen RC-Hochpass, der niedrigfrequente Signale nicht passieren lässt. Damit können
sehr langsame Winkeländerungen nicht ausgeregelt werden.
Um diese Frequenzgrenze
herabzusetzen, verwende ich anstelle des originalen LM 385 einen Operationsverstärker TS272 mit
höherem Eingangswiderstand. Dadurch können die verstärkungsbestimmenden Widerstände R6/R2
höher ausfallen und bei gleichem Kondensator fällt die untere Grenzfrequenz tiefer aus, das UFO
schwebt stabiler. Kondensatoren ab 220µF sind geeignet .
Sieht man von der Temperaturdrift ab, so liefert der Ausgang des Piezoelements in Ruhe die gleiche
Spannunng wie der Referenzausgang des Elements, nämlich 1,3Volt. Ich führe diese
Referenzspannung dem nichtinvertierenden Eingang der Operationsverstärker zu. Damit ist auch der
Ruhepegel am Ausgang zur UFO-Schaltung auf diese 1,3V festgelegt. Die 1,3 Volt Ruhepegel
herrschen auch am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Damit ist der
Koppelkondensator in Ruhe ohne Spannungsdifferenz an beiden Eingängen und muß sich nach dem
Einschalten nicht erst aufladen (eine kleine Spannungsdifferenz kann sich durch die Temperaturdrift
des Piezoelements ergeben). Dies ist ein Unterschied zum aus dem X-Ufo Forum bekannten
(„Plottermod“). Eine längere Wartezeit vor dem ersten Abheben zum Aufladen der
Koppelkondensatoren entfällt. Neben diesem Analog-Teil muß die Platine natürlich noch das
Konfigurations-EEPROM 24C04 beinhalten.
Anschlußbelegung populärer 3V-Piezoelemente von NEC/TOKIN, Auszug aus den Datenblättern. Sicht auf die
Anschlüsse von unten! Die Anschlussbelegung ist kompatibel, aber der Abstand der Anschlüsse ist beim CGL-43
etwas weiter (zusätzliche Bohrlöcher nötig !) . Vorsicht, Verpolung führt zu Schäden an Piezoelementen und
UFO !!!
4.) Die Platine
Um das Layout einfach zu halten wurde eine doppelseitige Platine entwickelt. Das hört sich zunächst
mal schrecklich an für den darin nicht erfahrenen Bastler, ist aber halb so wild. Dadurch entfallen
lästige Drahtbrücken und es geht nicht so eng zu auf der Platine. Eine Durchkontaktierung mit Draht
ist nur an wenigen Stellen erforderlich und ergibt sich teilweise schon durch die Bauteil-Anschlüsse.
Um das Ganze leicht zu halten und wegen der für eine 1,5mm Platine fast zu kurzen Lötstifte des
Steckers, verwende ich 0,5mm Epoxy-Platinenmaterial.
Auf der Oberseite sitzen die „massiveren“ Bauteile wie
Piezoelemente
und
Elkos.
Die
drei
nötigen
Durchkontaktierungen sind mit hellblauen Kreisen markiert. An
den beiden angegebenen Testpunkten muß ein Ruhepegel
von 1,3 V herrschen.
Auf der Unterseite sitzt die Verstärker-Elektronik. Die 3mm
LED dient nur als mechanischer Stützpunkt, und greift in ein
Bohrloch der Grundplatine ein. Die Drahtbrücke wird auf der
Oberseite verlötet.
Auf der Oberseite befinden sich im wesentlichen das Konfigurations-EEPROM und die PiezoElemente sowie die Empfindlichkeitsregler. Die Unterseite trägt den Operationsverstärker und einige
Widerstände/Kondensatoren.
Die beiden Layouts für Ober- und Unterseite werden mit Laserdrucker auf Transparentpapier
ausgedruckt. Das Layout für die Oberseite ist gespiegelt, damit beim Belichten die Toner-Seite auf der
Platine liegt und es nicht zu „Unterlichtungen“ kommt. Die beiden Blätter werden so daß sich alle
Bohrlöcher möglichst decken, an einem Rand zusammengeklebt. Dann klebt man noch einen kleinen
Kartonstreifen in der Stärke der Platine als Anschlag neben den Rand des Layouts. So kann man die
Platine definiert positionieren. Wohl dem, der ein doppelseitiges Belichtungsgerät hat. Aber auch mit
einer Lampe und vorsichtigem Umdrehen (der Anschlag hilft gegen Verrutschen) geht es. Nach dem
Ätzen werden alle Löcher mit 0,8 mm gebohrt. Die Löcher für die Trimmer muß man eventuell noch
aufbohren. Die fertige Platine sollte man mit etwas Lötlack einsprühen, damit sie besser Zinn
annimmt.
5.) Zusammenbau
Man beginnt die Bestückung mit den Durchkontaktierungen. An den markierten Positionen muß
jeweils ein kurzes Stück Draht auf Ober-und Unterseite verlötet werden. Die Drahtbrücke wird auf der
Unterseite bestückt und auf der Oberseite verlötet. Danach kommen die Widerstände, SMDKondensatoren und IC´s. Die SMD-Teile werden bestückt, indem man erst ein Lötpad verzinnt und
das Bauteil in der richtigen Position darauf ausrichtet und anlötet. Dann werden die restlichen
Anschlüsse verlötet. Zum Schluß kommen der Stecker und der bedrahtete 10µF Tantalkondensator
C6 auf der Oberseite. Die Anschlüsse des Tantalkondensators werden oben und unten verlötet und
ergeben so eine Durchkontaktierung. Zum Schluß werden die Piezoelemente eingelötet. Dabei gibt
der Ring auf der Platine die Lage der Orientierungsnase (des CG-L33) zwischen den PiezoAnschlüssen an. Schließlich ist noch eine 3mm LED auf der Platinenunterseite vorgesehen. Die LED
ist nirgendwo angeschlossen, sie ist nur ein mechanisches Stützelement. Sie greift in eine der
Bohrungen zur Kreiselbefestigung auf der UFO-Grundplatine ein.
Die Kreiselplatine passt problemlos ins X-UFO und liegt sehr
flach auf der Grundplatine. Rechts unten am Rand der Platine
sitzt der Transistor 2SB772, der durch Kurzschlüsse gefährdet
ist.
Die Unterseite mit Operationsverstärker und Stecker, rechts
unten befindet sich die LED als mechanischer Stützpunkt. Die
dünne Platine wiegt fertig bestückt nur 5 Gramm gegenüber
den 14 Gramm eines mechanischen Kreisels.
6.) Inbetriebnahme
6.1 Test und Fehlersuche
Vor dem Einbau der Platine sollte man zwischen Gnd und 3Volt sowie Gnd und 5 Volt am Stecker
zum X-UFO mit einem Ohmmeter prüfen, daß keine Kurzschlüsse vorliegen. Der mechanische
Kreisel des X-UFO wird nach Lösen der drei Halteschrauben auf der Unterseite der Platine
abgesteckt. Beim Einsetzen der Piezo-Platine darauf achten, daß sie nicht versetzt in den Stecker am
X-Ufo gesteckt wird. Auch dadurch entstände ein Kurzschluß (ich spreche aus Erfahrung). Die beiden
Trimmer sollten auf Mittelstellung gebracht werden was ein guter Ausgangspunkt für die Einstellung
ist. Nach dem Einschalten des Ufo sollte man den Ruhepegel an den Ausgängen messen. Die beiden
Durchkontaktierungen der Ausgangssignale können als Testpunkte benutzt werden. Der Ruhepegel
muß 1,3 Volt betragen. Abweichungen sollten spätestens eine Minute nach dem ersten Einschalten
unter 0,1V betragen. Bei größeren Abweichungen ist entweder ein Fehler im Aufbau oder die
Koppelkondensatoren haben einen zu großen Leckstrom (gegen andern Typ austauschen). Auch ein
Defekt des Piezoelements kann die Ursache sein. Zur Kontrolle die Spannung am Referenzausgang
nachmessen (1,3V).
Bei der Fehlersuche können die UFO-LEDs helfen: Wenn das UFO nach dem Einschalten einige
Sekunden blinkt und dann dauerleuchtet, ist das EEPROM nicht richtig programmiert oder nicht
richtig eingebaut. Wenn nur noch eine rote LED vorne leuchtet, hat man den SpannungsreglerTransistor 2SB772 durch Kurzschluß abgeschossen (falsches Einstecken der Platine) . Ein BD236 hat
sich als Ersatz bei mir bewährt.
6.2 EEPROM programmieren
Das auf der Platine enthaltene EEPROM muß eine Kopie der Daten aus dem mechanischen Kreisel
erhalten. Wer ein EPROM-Programmiergerät hat, kann sich ein Adapterkabel vom Kreiselstecker auf
den Sockel eines 24C04 im DIP-Gehäuse herstellen. Damit liest man den Originalkreisel aus und
programmiert den Inhalt in den Piezokreisel. Aber auch das Ufo selbst kann die Programmieraufgabe
übernehmen:
ACHTUNG: Riskante Operation am Ufo, konzentriert arbeiten !
Das Ufo wird ganz normal mit nicht angeschraubtem mechanischem Kreisel eingeschaltet. Nach dem
Hochlauf den mechanischen Kreisel bei eingeschaltetem Ufo abziehen. Die Piezoplatine einsetzen
und dabei peinlich darauf achten, daß sie nicht versetzt eingesteckt wird. Das Ufo hinlegen,
etwas ruhen lassen und eine Kreiselkalibrierung durchführen. Dazu beide Tasten „AUX1“ und „AUX2“
am UFO-Sender gedrückt halten und Sender einschalten. Das UFO hört auf zu blinken und schreibt
die Einstellungen in das EEPROM der Kreiselplatine. Der Vorgang ist beendet, wenn das Ufo wieder
anfängt zu blinken. Den Sender muß man, um steuern zu können, danach neu einschalten.
Nachteil der Methode: Es werden nicht die Grundeinstellungen „factory defaults“ in der oberen Hälfte
des EEPROM geschrieben. Diese stellen eine Art Sicherheitskopie dar, mit der man das Ufo neu
initialisieren kann, wenn die Arbeitskopie verdorben ist. Mit einem so kopierten EEPROM darf man
also keinen Reset auf „factory defaults“ durchführen.
6.3 Einstellen des Kreisels
Nun kann man das Ufo zum ersten Mal abheben. Bei Mittelstellung der Trimmer R2/R3 sollte es
zumindest nicht gleich mal kippen. Es kann sein, daß es zur Seite wegzieht. In diesem Fall das Ufo
eine Minute waagrecht stehen lassen und die Kreiselkalibrierung wiederholen. Nun müsste es
eigentlich nicht sehr viel schwieriger als mit dem mechanischen Kreisel zu schweben sein. Man muß
gegenüber dem mech.-Kreisel etwas mehr Korrekturen geben, bevor sich zuviel Schräglage aufbaut.
Wenn die Stabilisierung stärker werden soll, Trimmer im Uhrzeigersinn auf mehr Verstärkung drehen.
Der optimale Punkt ist kurz vor dem Einsetzen der Reglerschwingungen. Wenn das Ufo anfängt,
schnell periodisch zu wippen, Trimmer für die betroffene Achse wieder etwas zurückdrehen. Die
optimalen Einstellungen für beide Achsen sind recht ähnlich. Wenn das Ufo befriedigend fliegt, am
Besten nochmal eine Kreiselkalibrierung durchführen, da sich beim Einstellen geringfügig die
Ruhespannung ändern kann.
7.) Abschließende Bemerkungen
Mit einem Piezokreisel wird man nach vorsichtigen Anfängen das X-Ufo schnell in größere
Schräglage bringen, als das mit einem mechanischen Kreisel möglich ist. Dabei muß man bedenken,
daß die Schubkraft des Antriebs bei Schräglage in eine Auftriebs- und eine Vortriebskomponente
zerfällt. Mit zunehmender Schräglage verringert sich bei gleicher Motorleistung die
Auftriebskomponente. Daher muß man mit zunehmender Schräglage den Schub erhöhen. Ab einer
gewissen Schräglage abhängig vom Fluggewicht (Akku), reicht der Auftrieb nicht mehr, das Ufo sackt
durch und landet unsanft.
Zum Schluß sage ich Dank an alle, die im X-Ufo Forum ständig Ihr Wissen zur Verfügung stellen.
Deswegen stelle ich diese Bauanleitung ebenfalls ohne Nutzungseinschränkung zur freien Verfügung.
Jürgen Putzger, 3.03.2007
[email protected]