Elektronik
Übersicht
Die elektronische Steuerung von Lightning Cat XR2 wurde speziell für dieses
Projekt entwickelt und verwendet keine fertigen Komponenten. Folgende Grafik
verdeutlicht den Aufbau des Systems:
Stromversorgung
Neben der "normalen" 12V Autobatterie, verwendet Lightning Cat XR2 zwei
zusätzliche in Reihe geschaltete Autobatterien mit 12V, 36Ah zur Stromversorgung
der Steuerung.
Bei der Realisierung der Stromversorgung haben wir strikt zwischen der
normalen Auto-Stromversorgung und der Stromversorgung für die Steuerung
getrennt, um alle möglichen Störungen durch die Auto-Elektrik zu verhindern.
Bussystem
Für die Bitübertragungsschicht auf den Übertragungswegen zwischen den
einzelnen Controllern gibt es zwei konkrete Implementierungen:
- Low-Cost-Variante
Hier wird eine Standard-RS232C-Verbindung mit 9-poligen Sub-D
Steckverbindern verwendet.
Die Controller sind dann über USB/Seriell-Adaptern an einem USB-Hub
angeschlossen, der wiederum mit dem MCP-Rechner verbunden ist.
- Hochwertige Variante
Diese deutlich kostenintensivere Verbindung verwendet die differentielle
RS422 Schnittstelle im Vollduplexmodus. Um mehrere Controller mit dem
MCP-Rechner zu verbinden, wird ein spezieller Schicht 2 Switch verwendet.
Dieser Switch ist in einem Xilinx Spartan-3 FPGA implementiert.
In XR2 verwenden wir aus Kostengründen die 1. Variante.
Die 2. Variante existiert nur als Simulationsmodell, bietet allerdings
verschiedene offensichtliche Vorteile in Hinsicht auf Stör- und
Ausfallsicherheit.
Andere Bussysteme oder Protokolle (CAN, Ethernet) sind aufgrund ihrer, in
diesem Fall unnötigen Komplexität und Anforderungen an die Controller, nicht
geeignet.
Switchboard
Das Switchboard ist ein einfaches Relaisboard mit 8 potentialfreien Ausgängen
je maximal 10A.
Wir benutzen diese Komponenten um Blinker, Beleuchtung und Hupe zu schalten.
Motorcontroller
Dieser existiert in drei verschiedenen Varianten, wobei die Hardware immer
gleich bleibt und nur die Software sich geringfügig unterscheidet.
Die Positionserfassung des jeweiligen Motors erfolgt über
Präzisionspotentiometer die an den internen ADC des ATMega8 Controllers
angeschlossen sind. Der ADC hat eine Auflösung von 10 Bit.
Über das Steuerprogramm können verschiedene Konfigurationswerte kalibriert
werden: Erlaubter Aktionsbereich des kontrollierten Motors, Positionstoleranz
und eine sogenannte "Softrange". Wenn die Zielposition von der aktuellen
Position weniger als die "Softrange" Angabe abweicht, wird der Motor in einem
kontrollierten PWM-Modus betrieben um die Position genauer anfahren zu können.
Außerhalb dieses Bereichs wird der Motor immer mit voller Leistung gefahren.
Ein Motorcontroller kann zur Leistungssteigerung bis zu zwei Motortreiber
bedienen.
Verschiedene Sicherungsmaßnahmen (dreistufiges Watchdogsystem, Endschalter,
Stromüberwachung) sorgen für einen möglichst sicheren Betrieb der verschiedenen
Schlüsselsysteme von Lightning Cat XR2.
Motortreiber
Der Treiber beinhaltet die Leistungstransistoren für die einzelnen Motoren.
Leistungsteil und Steuereingang sind selbstverständlich durch
Optokoppler galvanisch voneinander getrennt.
Es lassen sich Motoren mit maximal 10A Dauerstrom bei 24V steuern. Eine
kurzzeitige Belastung bis 15A ist möglich.
Neben Richtungswechsel ist selbstverständlich eine PWM-Modulation mit einer
Frequenz von bis zu 100 kHz möglich.
Datenübertragung
Im Nahbereich verwendet Lightning Cat XR2, aus Gründen der Einfachheit,
Wireless LAN (IEEE 802.11g) zur Übertragung von Steuerbefehlen und Telemetriedaten.
Die Reichtweite ist damit auf etwa 250-300m (Sichtverbindung) begrenzt.
Für größere Entferungen können ISM-Band Transceiver
verwendet werden. Hiermit kann eine Entfernung von bis zu 4km überbrückt
werden.
Unter normalen Umständen übersteigt die Datentransferrate der
Steuerverbindung je Richtung (Uplink/Downlink) nicht die 6 KBit/s (750 B/s) Grenze.
Ein einfacher Wechsel zwischen den verschiedenen Übertragungs-Modi ist im
laufenden Betrieb ohne Unterbrechung durch Verwendung sog. Transport-Treiber
möglich.