Servomotor-Tester #1: Bausatz und Messungen

Einleitung & Hintergrund

Nach langer Blogabstinenz  melde ich mich wieder zurück mit einem kleinen Beitrag über etwas Einfaches, das aber ziemlich nützlich und interessant ist: ein Modellbauservo-Tester. Hier lassen sich Theorie und Praxis lehrriech und gut untersuchen. Wollte immer schon so einen Servotester haben. Beim Pollin gibts den ganz günstig.

Ich werde den Bausatz kurz vorstellen und ein paar Messungen zu seiner Performance machen. Dann möchte ich noch dei Schaltung simulieren (das wird erst in einem 2. Beitrag passieren) und sehen, wie gut die Simulationsergebnisse mit der Realität übereinstimmen. Also eine schöne Möglichkeit an einem einfachen Projekt einiges auszuprobieren.

Schön verpackt, wie man es gewöhnt ist ;-)

Ist nix anders wie ein PWM-Generator mit 555er Chips (bzw. einem Dual 555 also ein556). Mit ein paar Widerständen einem Poti und ein paar Kondensatoren lassen sich prima PWMs damit machen - genau in dem Bereich, um einen Standardservo auf Funktionstüchtigkeit zu prüfen.

Ich verstehe immer nur PWM... Aber wie funktioniert so eine Servoansteuerung überhaupt genau. Zum Glück gibt es Wikipedia ;-):

Modellbauservos werden über eine Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert. Über die Breite der Pulse wird der Winkel, auf den der Servoarm gestellt werden soll, gesteuert. Gängig ist ein 50-Hz-Signal (20 ms Periodenlänge), welches zwischen 1 ms (linker Anschlag) und 2 ms (rechter Anschlag) auf High-Pegel und den Rest der Periodenlänge auf Low-Pegel ist. Viele Servos haben in diesem Wertebereich jedoch nicht ihre volle Bewegungsfreiheit ausgenutzt. Die Werte, bei denen der Servo ganz links bzw. rechts ist, können auch unterhalb 1 ms bzw. oberhalb 2 ms liegen. Die Periodendauer von 20 ms ist kein kritischer Wert und muss bei der Ansteuerung nicht genau eingehalten werden.

Das Ding besteht nur aus einer kleinen Platine und wenigen Teilen und ist schnell aufgebaut. Mein Sohn Julian (4 Jahre) hat natürlich gerne  dabei geholfen :-). Er durfte nach jeder Lötung die überstehenden Drahtstücke abzwicken.

Das sind tatsächlich alle Teile

Fertig aufgebaut und in Aktion

Die Aufbau- und Bedienungsanleitung inlusive Spezifikation und Schaltplan befindet sich bei Pollin als PDF zum Download. Dort finden sich folgende Angaben zu den technischen Daten:

• Betriebsspannung: 6...12 V-, verpolungsgeschützt
• Motorlaststrom max.: 2 A
• PPM Bereiche: 0,9...2,2 ms (fein), 0,4...2,8 mm (grob)
• PPM Periodenlänge: 20 ms (50 Hz)

 

 Windows 7: XP Mode Parallel Port

Das musste ich mir gleich mal auf meinem altertümlichen (aber für solche Dinge immer noch recht nützlichen) Voltcraft PSC64i Computer-Speichozsi mit Parallelportschnittstelle ansehen. Leider musste ich feststellen, dass es schon ein Wunder war, dass die dazugehörige Software unter Windows XP noch gelaufen war. Unter Windows 7 verweigert sie schlicht den Dienst. Zum Glück gibts den "Windows XP Mode" - eine virtuelle XP Maschine unter Windows 7 basierend auf Virutal PC.

Wie dem nun mal so ist - jeder Bastler kennt das, werden in der aktuellsten Version von Virtual PC leider keine Parallelports mehr unterstützt... *ggg*. Ich wollte mir keine andere virtuelle Maschine wie z.B. Virtual Box installieren - vor allem hätte ich dort auch XP von Hand installieren müssen... Also begann ich im Mighty-Web zu recherchieren - und siehe da, Virtual PC unterstützt Parallelports immer noch, nur können sie nicht mehr über die GUI aktiviert und konfiguriert werden. Aber direkt über die XML-Konfigurationsdatei der virtuellen Maschine schon. Einfach ein paar Zeilen dort reinkopieren und man hat den Parallelport :-). Glück gehabt.

Ich hab einige Zeit gebraucht, um den Parallelport in Virtual PC unter Windows 7 für den Windows XP Mode zum Laufen zu bringen. Daher zur Hilfe für andere eine Kurze Anleitung:

1. Die Virtual PC Master Konfigurationsdatei für den Windows XP Modelokalisieren: C:\Users\userxyz\AppData\Local\Microsoft\Windows Virtual PC\Virtuelle Computer\Windows XP Mode.vmc
2. Das ist ein xml-file. Im Tag <super_io> folgendes hinzufügen (und ggf. vorhandene <parallel_port> Tags ersetzen):
   

   <parallel_port>
   

   <port_shared type="boolean">false</port_shared>
   <port_type type="integer">0</port_type>

   </parallel_port>
   <parallel_port id="0">
   

   <port_name type="string">LPT1 (378h-37Fh)</port_name>
   <port_type type="integer">1</port_type>

   </parallel_port> 

Dann einfach den XP-Modus neu starten und die parallele Schnittstelle sollte zur Verfügung stehen.

Die Messungen 

 Die Oszi-Software ließ sich dann problemlos im XP-Mode installieren und läuft mit (gerade noch) akzeptabler Performance - aber sie läuft und erkennt auch das Oszi. Es lässt sich passabel damit messen. Die untenstehenden Bilder zeigen die Messergebnisse.

Zuerst hab ich mir angesehen, ob die Grundfrequenz der PWM-Ansteuerung passt. Die muss ca. 20ms sein, ist aber kein kritischer Wert: 18ms passen also. Dann hab ich die einstellbaren Wertebereich der Pulsbreiten verifiziert. In der Grobeinstellung sind es gemessene 2,75 bis 0.5ms, was im Rahmen der Toleranzen ganz gut zu den spezifizierten Werten passt. In der Feineinstellung messe ich 2,25 bis 0,88ms - auch das ist eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit der Spezifikation.

Übersichtsplot: ca. 20ms Periodendauer

Grobeinstellung max. Pulsbreite: 2,75ms

Grobeinstellung min. Pulsbreite: 0,5ms

Feineinstellung max. Pulsbreite: 2,25ms

Feineinstellung min. Pulsbreite: 0,88ms

So, dass mal fürs erste. Ich wollte diesen Beitrag noch länger machen, aber es wird einen 2. Teil geben. Ich möchte nämlich die Schaltung analysieren und auch mit verschiedenen Tools simuliere: LTSpice, www.circuitlab.com und evt. National Instruments Multisim 11. Ich möchte die Schaltung wirklich im Detail verstehen und werde meine Erkenntnisse hier mit euch teilen.

Mein Name ist Bond - DAGU Magician DG-007

Mein erster kleiner Roboter (das Tutorialprojekt von letsmakerobots.com) war ja nur mit Doppelklebeband zusammengeklebt. Sah ganz nett aus und war kompakt, aber schon damals wollte ich gerne was Stabileres, Wertiges - aber trotzdem günstig. Auf den DAGU Magician DG-007 stieß ich schon vor längerer Zeit. Kostet unter 20 Euro, kommt aus China (woher sonst...) aber es gab in Deutschland keine Bezugsquellen. Und dann stieß ich vor kurzem auf exp-tech.de als ich auf der Suche nach Komponenten von Adafruit Industries war. Endlich eine Bezugsquelle in Deutschland :-).

Natürlich musste ich ihn sofort mitbestellen. Zu viel erwartet hab ich mir aufgrund des Preises nicht. Im Netz hab ich auch durchwachsene Kritiken zum Bausatz gelesen. Der erste Eindruck war ganz gut (abgesehen vom lieblosen verschweissten durchsichtigen Billigplastikbeutel in dem der Bausatz kam. Ein mickriges Blatt Papier mit ein paar Bildern zur Montage. Kein Text - braucht man aber auch nicht. Überrascht war ich von der guten Qualität der lasergeschnittenen Acrylplatten und -teile, die noch einseitig mit Schutzpapier vom Schneiden beklebt waren. Die Räder muten etwas "plasty" an sonst ist der eindruck aber generell posistiv. Der Geruch ist recht intensiv (wahrscheinlich der Reifengummi...).

 


Die Einzelteile im Überblick

  Was ist denn alles so drin (siehe Foto):

• Boden- und Deckplatte aus Acryl
• 2 Kunststoffräder mit Gummireifen
• 2 Getriebemotoren
• 2 Odometrierädchen
• 4 Acrylhalter für die Motoren
• Metallrollball als 3. Fuß
• Batteriehalter (3x AA)
• Schrauben und Abstandshalter

Der Zusammenbau ist simpel und geht einfach von der Hand. Als erstes montiert man die Motoren an der Bodenplatte und steckt die Odometrierädchen auf den auf der Innenseite herausgeführten Achsen auf. Die Sitzen etwas lose und reichen auch nicht wirklich in die ausgeschnittenen Schlitze der Bodenplatte hinein, aber wenn man Gabellichtschranken verwendet passt das schon. Die Motoren sollten mit jeweils der gleichen Seite nach außen montiert werden.


1. Schritt: Motoren montieren

Die Bohrungen in der Bodeplatte sind für die Montage eines 4x AA Batteriehaltes vorgesehen. Also muss man für den mitgelieferten Halter entweder ein zusätzliches Loch bohren (Dremel sei dank ;-)) oder - so wie ich - nur eine Schraube zur Befestigung verwenden. Dann kommen noch die Abstandshalter und der Rollball an die vorhergesehenen Stellen. Die Abstandshalter und die Schrauben sind von guter Qualität - da hab ich bei anderen Chinaprodukten schon wesentlich schlechteres gesehen. Die Räder lassen sich gut auf die Achsen aufstecken und sitzen dort recht fest. Ein Rad sitzt ein wenig schief, da offenbar der Druckguß der Felge nicht ganz optimal gelaufen ist - naja. Ist aber noch akzeptabel, da nichts an der Bodenplatte schleift.


2. Schritt: Räder, Batteriehalter, Rollerball, Abstandshalter

Der nächste Schritt ist reichlich unspektakulär: Deckplatte drauf und passt. Und dann wir haben fertig :-).

3. Schritt: Deckplatte drauf und fertig

 

Noch ein Bildchen vom fertigen Teil

So, nun muss die neue Plattform natürlich gleich ausprobiert werden. Und was würde sich besser eignen als der idente Aufbau wie vom letsmakerobots.com Getting-Started Tutorial, das ich ja schon einmal nur mit Klebeband realisiert hatte? Noch ein Tip zum Anschluss der Motoren: da ich die Anschlüsse möglichst flexibel halten wollte, hab ich nicht direkt Kabel an die Lötösen der Motoren gelötet, sondern kleine Stifte, an die man die altbekannten und bewährten solderless Female Jumper-Wires anschließen kann. Beim Anlöten der Stift muss man den Motor aus dem Getrieb nehmen (um thermische Schäden am Kunsstoff zu vermeiden) und aufpassen, dass man die Kunstoffhalterung für den Motor nicht abreisst.



Das ist der fertige kleine Roboter ala letsmakerobots.com


Tata... jetzt ist er fertig. Dazu noch ein kleines Video. Die Software ist noch nicht auf die geänderte Geometrie der neuen Plattform und die etwas andere Übersetzung der Getriebemotoren adaptiert - aber darum ging es hier auch gar nicht.

Roboterarm – Aufbau

Am Ende meines letzten Beitrag hatte ich ja überlegt, ob es nicht toll wäre, einen Roboterarm zu bauen, der dann gegen den Mephisto Schach spielen könnte. Nach kurzer Suche im Netz habe ich dann auch einen entdeckt, der nicht viel kostet und möglicherweise geeignet wäre: Der KSR10 von Vellemann.
Inzwischen hatte ich einen bestellt. Also voller Freude Schachtel auf und reinschauen. Überraschung: es ist ein Bausatz im besten Sinne des Wortes – das Teil kommt in Form mehrerer Tütchen mit Plastikteilen, Motoren, Zahnrädern, Schrauben etc.:

Die Anleitung ist ganz brauchbar. An einigen Stellen muss man ein bisschen aufpassen - z.B.beim Zusammenbau der Motor/Getriebe-Module, denn diese sind keineswegs alle identisch, wie es auf den ersten Blick scheint. Und auch die zig verschiedenen Typen von Schräubchen muss man genau ansehen, damit man nichts durcheinander bringt. Also nicht gerade was für Anfänger, aber wenn man keine 2 linken Hände hat und schon mal irgendwas gebaut hat, dann ist es auch kein Problem. Viel zu sagen gibt es zum Aufbau eigentlich nicht, deshalb hier einfach kommentarlos diverse Bilder der verschiedenen Bauphasen:

Und wie bei jedem guten Puzzle ist auch hier natürlich ein Teil übrig geblieben:

x-mal die Bauanleitung durchsucht, wo das blöde Ding hingehört hätte – nix! Grumpf! Aber dann die Erleuchtung: 

Uff – also bin ich doch nicht zu blöd einer Bauanleitung zu folgen... So - das hat Spaß gemacht! Zu einem Funktionstest komme ich heute nicht mehr. Das gibt's dann in der nächsten Folge. Allerdings wird es wohl nichts damit, den Arm für das Schachbrett zu nutzen, denn dazu ist der gute kleine Robbi einfach nicht groß genug:

 

So - nun freue ich mich schon darauf, etwas mit dem Roboterarm zu spielen. Als nächstes steht dann wohl die Ansteuerung mit Mikrocontroller oder Computer an, auch wenn ich mir das USB-Interface nicht dazu gekauft habe, dürfte das wohl nicht allzu schwierig werden.

PS: habe ich schon mal erwähnt, dass das Interface zum Platzieren von Bildern in dieser Blogger-Software eine Vollkatastrophe ist? Gut, das ich HTML kann...

Lichtschranke die 2te

So – wie versprochen werde ich mir nun mal die Funktionsweise der KEMO Lichtschranke genauer ansehen. Hier erstmal die Früchte meiner Arbeit in ganzer Pracht:




Sender

Die Schaltung sieht simpel aus: Drei Transistoren, die sich wohl gegenseitig beeinflussen. So aus dem Bauch heraus vermutlich einfach irgendein simpler Oszillator. Und bevor ich mir das Hirn heißdenke schauen wir uns das erstmal in der Praxis an. Schon mit bloßem Auge kann man sehen, daß die IR LEDs ein klein wenig sichtbares Licht abgeben, wenn man 9V auf die Schaltung gibt. Die Digitalkamera ist offenbar richtig IR empfindlich und so sieht man die LEDs hübsch aufleuchten:



Also messen wir doch mal das Signal von Masse gegen einen LED-Pin:


OK – also ein Rechteckgenerator mäßiger Qualität. Soweit keine große Überraschung. Nochmal Blick auf die Schaltung und ein wenig Nachlesen zeigt: Das ist wohl eine astabile Kippschaltung aka Multivibrator (da war mein uralter Beuth mal richtig nützlich). An dieser Stelle ist mir der Sender langweilig geworden.

Empfänger

Hier fällt erstmal der IC ins Auge: U2531B. Hm – nie gehört. Also Tante Google fragen und so bin ich auf ein Datenblatt gestoßen, daß aussieht, als stamme es aus der Zeit unserer Urväter und mir verrät, daß es sich hier um einen integrierten Verstärker für IR Fernbedienungen handelt, den die vor Aeonen von Jahren pleite gegangene Telefunken hergestellt hat. Der Rest der Schaltung scheint wenig aufregend. Also mal das Oszi dran und schauen, was sich auf Pin 3 (PCM) so tut. Wenn ich richtig liege, sollte hier ja das Übertragene Signal rauskommen:


Au weia – das könnte Julian vermutlich schöner zeichnen! Aber immerhin scheint es ein Signal zu sein. Nur warum hat es fast die doppelte Frequenz des Senders? Hm – vielleicht liegt es daran, daß der Sender nicht wirklich direkt auf den Empfänger ausgerichtet ist, sondern einfach irgendwo auf dem Schreibtisch rumliegt? Das Ding scheint nämlich ganz schön Sendepower zu haben, denn ich kann die Lichtschranke auf kurze Distanz nicht mit meiner Hand unterbrechen, sondern muß die Lichtquelle abschalten, oder unter den Tisch halten.
Aber zurück zum empfangenen Signal, diesmal sauber ausgerichtet:


Ah – so soll das aussehen! Hatte ich da vorher eine Reflexion an der Wand oder sowas mit im Bild?

Habe noch etwas herum experimentiert, um das zu Klären. An eine Reflexion glaube ich nicht mehr, da das Phänomen auch auftritt, wenn man die Linse drauf macht und dann die Ausrichtung nicht exakt stimmt. Vielleicht schwingt da irgendwas selber mit? Oder hat es evtl. was mit dieser ominösen Schaltung mit dem FT1 zu tun? Jedenfalls wird das Output Signal doppelgipflig bis komplett verdoppelt, sobald man nicht direkt zielt, sondern von der Seite einstrahlt. Verstehe ich gerade nicht, aber das könnten man ja mal zusammen weiter erforschen...

PS: Nun ist mir zwar grob klar, wie die Lichtschranke funktioniert, aber den Sinn dieses "Seitenstrahlers" FT1 hab ich immer noch nicht kapiert. Warum in aller Welt sollte eine "Infrarot-Grundbeleuchtung" eine "Reichweitenreduzierung bei völliger Dunkelheit" verhindern???

Advent, Advent ein Lichtlein brennt - jedenfalls an der Lichtschrankenschaltung

Zu Weihnachten dachte sich ein Freund "Was schenke ich nur diesem verschrobenen Philipp?" und nach langem Grübeln hat er sich für einen Elektronikbausatz entschieden. Schonmal gut ;-)

Entschieden hat er sich dann für die Infrarot Lichtschranke von Kemo (B213). Und dem habe ich mich nun mal gewidmet. Sollte eigentlich ein Klacks sein, denn es ist ja nur simple Lötarbeit zu tun – dachte ich jedenfalls. Die Anleitung schien klar genug, wenngleich sie insofern enttäuschend ist, als sie zwar den Aufbau ermöglicht, aber leider kein Wort über die Funktionsweise der Schaltung verliert. Das beiliegende Original hat übrigens auch eine vernünftige Bestückungsliste – keine Ahnung, warum die im PDF fehlt. Hier ist sie:


Also schnell den Lötkolben angeheizt und die beiden Platinen bestückt und verlötet. Null Problemo für jemanden mit Lötzinn im Blut. Und so ging alles flott voran, bis ich mein Werk durch Einlöten von IRED1 und FT1 krönen wollte. Ist ja ganz einfach – steht ja alles auf der Platine. Aber welches der beiden verbliebenen Bauteile ist nun welches? Hm – in der Bauanleitung findet sich ja ein Bild der Sendediode:

Und in der Tat gibt es auch ein Bauteil, das in etwa so aussieht – das müsste also IRED1 sein. Nur wierum soll es in die Platine? Anhand des Aufdrucks konnte ich es jedenfalls nicht eruieren. Hm – also mal die Schaltung und Platine näher ansehen. Man kann erkennen, daß der "obere" Pin zum IC geht und der andere offenbar an die Massefläche. Letzterer sollte also die Kathode sein. Lötet man das aber so ein "schaut" die kleine Linse weg von FT1 und hin zum IC. Hm – ob das richtig ist? Vermutlich soll die Linse doch eher nach vorn schauen, dachte ich mir. Also Pins um 90 Grad biegen, so daß das Ding nach oben "schaut". Sieht besser aus, nur kann man nun leider FT1 nicht mehr einlöten, weil es zu eng zugeht auf dem Board. Also doch ungebogen einlöten. Sieht hübsch aus, aber leider geht die Schaltung dann nicht – grumpf!

Verfluchte Sch.... was soll das denn? Bei genauer Betrachtung der Anleitung kann man dann sehen, daß die Anordnung der beiden Bauteile auf der Abbildung der aufgebauten Schaltung exakt andersrum ist: das viereckige Ding ist dort außen angeordnet und schaut das andere Element an. Irgendwo in den unendlichen Weiten des WWW habe ich dann auch eine andere Variante der Anleitung gefunden, die diese Vermutung stützt: dort ist auch die Kennzeichnung der Platine so, daß das eckige Ding nach außen gehört. Also hab ich es dann so aufgebaut und man glaubt es kaum, aber nun funktioniert alles.

Mit etwas Nachdenken dann die Erkenntnis: das ist die Empfängerplatine – nicht der Sender. Also ist diese "Sendediode" wohl FT1 und das andere die IR Empfangsdiode. Schade nur, daß die Anleitung sich zur genauen Funktion dieser Anordnung nur nebulös äußert: irgendwas mit Reichweitenreduzierung bei Nacht, aber wirklich klar ist das nicht. Wie die Schaltung funktioniert schaue ich mir dann in der nächsten Folge an und dann wird hoffentlich auch dieses Rätsel gelüftet. Zuguterletzt muß ich zugeben, daß genaue Lektüre der Anleitung tatsächlich eine Erklärung zum Einlöten enthalten hätte – aber wer liest schon einen Abschnitt mit der wenig vielversprechenden Überschrift "Aufbauanweisung"? ;-)

Wenn ich die Sache richtig sehe, liegt die Wurzel des Übels darin, daß es keine gute Idee ist, ein Bauteil FT1 zu nennen, wenn es sich um eine IR Empfangsdiode handelt und gleichzeitig daneben ein Fototransistor verbaut wird, den man kreativerweise IRED1 nennt. Da hat doch der Praktikant die Bauteilbenennung gemacht!