Hier die einfachste Lösung mit Parallel-Schaltung eines Kondensators: Fig. 1. Huckepack-Einlöten von je einem 1uF SMD-Kondensator für Nick und Roll

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1 Analyse und Messung der optimierten Gyro-Elektronik UFO Doctor, March 24 th, Zusammenfassung Der SwissGyro arbeitet bis zu Winkeln von +/- 60 Grad. Das X-UFO Main Board ist aber für Winkel von maximal +/- 15 Grad konzipiert. Durch Biegen der SwissGyro- Sensoren können Flugwinkel von ca. +/- 30 Grad erreicht werden, aber mit gewissen Einschränkung der dynamischen Stabilität. Durch Serie-Schalten eines Widerstandes oder Parallel-Schalten eines Kondensators im Gyro-Board kann die Lage-Empfindlichkeit und die Winkel-Geschwindigkeits- Empfindlichkeit individuell eingestellt werden. Damit ist das Fliegen gegen leichten Wind ohne Einschränkung der dynamischen Stabilität möglich. Hier die einfachste Lösung mit Parallel-Schaltung eines Kondensators: Fig. 1. Huckepack-Einlöten von je einem 1uF SMD-Kondensator für Nick und Roll 2. Ausgangslage Die Gyro-Elektronik wurde ursprünglich für den Original-Silverlit-Kreisel entwickelt. Dieser Kreisel kann (bevor er umflippt) Winkel bis ca. 20 Grad verarbeiten. Die Gyro-Elektronik verarbeitet diese Signal zu: - Winkelsignalen (ca. 20mV/Grad) - Winkelgeschwindigkeits-Signalen (ca. 5mV/(G/sec)) und gibt das kombinierte Signal (für Nick und Roll) weiter an die X-UFO-Elektronik Die ersten Untersuchungen dazu wurden bereits im 2006 durchgeführt: 1

2 Frequenzgang-Messung und Simulation am Original Kreisel Filter UFO Doctor, Feb. 11th, 2006, zu sehen im XUFO-Forum oder auf der Homepage: Beim SwissGyro, der Winkel bis zu ca. 60 Grad verarbeitet, kann man die Sensoren um ca.15 Grad nach oben biegen, um Fluglagen bis ca. 30 Grad zu erreichen. Je nach Anwendung (X-UFO mit oder ohne Rahmen, gemütliches oder dynamisches Fliegen ist das individuelle Einstellen der Empfindlichkeit für Winkel- und Winkelgeschwindigkeit erwünscht. In diesem Bericht werden dazu zwei Methoden mit Simulationen und Messresultaten vorgestellt: - Abschwächung des DC-Gains durch Vergrössern eines Widerstandes - Verstärkung des AC-Gain durch Vergrösserung eines Kondensators 3. Schaltungsanalyse des Gyro Boards Zurzeit gibt es gratis ein Schaltungs-Simulations-Programm von Linear Technology. Aber in der Library fehlt der in der Gyro-Elektronik verwendete IC LM358. Wie dieses Programm verwendet wird, und wie ICs anderer Hersteller in die Library einfach und sicher eingebunden werden können, wird hier ausführlich beschrieben: Anleitung LTspice - Library unter Windows 7 UFO Doctor, March 10th, Tspice_Library%20unter%20Windows%207.pdf 3.1. Schaltschema Fig. 2. Gyro-Originalschema: C2,C7=680nF; C3,C4,C5,C6,C9,C10=10nF; C8=100nF Sensor-Empfindlichkeit: 20mV/Grad (Quelle: 2

3 3.2. Vereinfachte Schaltung zur Simulation mit LTspice Fig. 3. Erklärung der Schaltung mit invertierendem Verstärker (hier nur Nick-Kanals) Der Hallsensor liefert ein Winkelsignal von 20mV/Grad mit einem Offset von 1.55V. Der Tiefpass 1 (R1,C3) dämpft Störungen aus mech. Vibrationen ab ca. 1.5kHz. Der Verstärker (das negative Vorzeichen wird hier ausgelassen) hat zwei Aufgaben: - Weitergabe des Winkelsignals ohne Verstärkung, DC Gain: R5/R3 - Differenzierung des Winkelsignals zur Erzeugung des Winkel- Geschwindigkeits-Signal, AC Gain: Proportional zu Frequenz und C2/R5 Der Tiefpass 2 (R5,C4) dämpft Störungen ab ca. 41 Hz Der Tiefpass 3 (R9,C5) ist ein Anti-Aliasing Filter und dämpft ab ca. 1.6 khz 3.3. Überprüfung der Tiefpässe Fig. 4. C2 wurde hier desaktiviert. Nach Simulation liegen die -3dB Grenzfrequenzen bei: Tiefpass 1 und Tiefpass 3: ca.1.6khz; Tiefpass 2: ca. 41 Hz (Stimmt mit der Berechnung -3dB fgrenz = 1/(2 frc) überein) 3

4 3.4. Simulation der DC-Verstärkung Fig. 5. Alle Kapazitäten wurden hier mit 1pF desaktiviert, um die Tiefpass- und Hochpass-Wirkungen auszuschalten. Mit einem Sensor-Signal von +/- 200mV entsteht ein Ausgangssignal von rund +/- 200 mv. Damit beträgt die Winkelempfindlichkeit wieder ca. 20mV/Grad Simulation der AC-Verstärkung Fig. 6. Hier wurde R3 mit 100 MEG desaktiviert. Mit einem Input-Rampen-Signal mit 200mV/100msec resultiert nach einer Einwirkungsdauer von mehr als 50 msec ein Ausgangssignal von 530mV. Damit beträgt die max. Winkelgeschwindigkeits-Empfindlichkeit 5.3mV/(Grad/sec) Bei Rampen-Signale von nur 16 msec Einwirkungsdauer (siehe Cursor) reduziert sich die Winkelgeschwindigkeits-Empfindlichkeit auf 70 % oder -3 db Zum Vergleich: der TOKIN Gyro CG-16D hat nach Datenblatt eine Sensitivity von 1.1mV/(G/sec) und der ADXRS613 Gyro 12.5mV/(G/sec) 4

5 3.6. Simulation des Frequenzgangs Fig. 7. Frequenzgang der Original-Gyro-Elektronik Input 50mV, Output max. 1.2V bei ca. 30 Hz, entspricht einem max. Gain von 24. Bei 10 Hz beträgt der Gain ca. 14 und die Amplitude 0.7V Ein 50mV Inputsignal entspricht einem Winkel von 2.5 Grad: Ein Zittern mit 30 Hz mit einer Amplitude von 3 Grad führt also zu einer vollen Aussteuerung! 3.7. Simulation der gesamten Schaltung Fig. 8. Antwort auf Trapez-Rampensingal Amplitude: +/-200mV (entspricht +/-10 Grad) Rampenanstieg: 400mV/200mesc (entspricht 100 Grad/sec) Output: DC +/- 200mV und AC +/-530mV 5

6 4. Verringerung des DC-Gains Um bei gleicher Winkel-Geschwindigkeits-Verstärkung die Winkel-Empfindlichkeit zu reduzieren (damit das X-UFO grössere Schräglagen einnehmen kann), wird hier R3 verdoppelt. Der winzige SMD Widerstand muss dazu ausgelötet und durch einen baugleichen Widerstand ersetzt werden, was etwas heikel ist Simulationen mit doppelt so grossem Widerstand R3 Fig. 9. DC Gain mit R3: 390k und 780k AC-Gain und Tiefpässe desaktiviert, alle Kapazitäten reduziert auf 1pF Wie erwartet reduziert sich der DC Gain bei R3=780k um die Hälfte 4.2. Simulation der gesamten Schaltung für R3: 390k und 780k Fig. 10. DC Gain mit R3 eingestellt: 390k und 780. Der AC-Gain bleibt unverändert, der DC Gain reduziert sich auf die Hälfte 6

7 4.3. Flugversuche Flugversuche wurden bereits in Sept durchgeführt, siehe dazu Fig. 11. DC Gain Control mit externem Widerstands-Steckmodul (rechts) wählbar Durch Umstecken des Widerstand-Moduls für R3 und R4 konnten so drei unterschiedliche DC-Gains eingestellt werden. Dies hat sehr gut funktioniert, aber weil mit Hochbiegen der Sensoren auch gute Flugerfahrungen resultierten, wurde dieser Lösungsweg nicht mehr weiter verfolgt. Bei weiteren Flugversuchen ohne Rahmen (geringere Windlast) und später mit Giersensor (wegen unterschiedlichen Motoren) waren die Flugresultate zufriedenstellend. 7

8 5. Simulation mit C2 Vergrösserung Das Huckepack-Auflöten eines grossen SMD-Kondensator ist einfacher als das Auslöten und Ersetzen eines winzigen SMD Widerstandes. Hier wird nun gezeigt, dass die Vergrösserung von C2 und Reduzierung der Eingangssignale (Sensoren nach oben biegen) die besser Alternative ist: Fig.12. Erhöhung der Winkelgeschwindigkeits-Empfindlichkeit durch Vergrössern von C2: Mit den Werten C= 680nF, 1360nF und 1680nF ergeben sich folgende Winkelgeschwindigkeits-Empfindlichkeiten von 5.3, 10.3 und 11.8 mv/(grad/sec) Fig.13. Frequenzgang der Gyro-Elektronik mit C= 680nF, 1360nF und 1680nF Input 0.05 V, AC 10Hz: 13.3; 24.2; 26.4 Gemäss Simulation sind also beide Schaltungen gleichwertig. Aus der Analogtechnik ist aber bekannt, dass bei der Differenzierung von störungsbehafteten Eingangssignalen (z.b. Überlagerung von Motor-Vibrationen, Lagerspiel, Variation Abstand Hallsensor zu Magnet) starke Störungen auftreten. Deshalb sind zwingend praktische Versuche notwendig! 8

9 5.1. Resultate aus Experimenten mit C2-Vergösserung Experiment am Nick-Kanal Links: X-UFO fixiert Rechts: Messung folgender Signale mit 20mV/Div, 2msec/Div: Oben: Input Sensor Mitte: Eingang C2 Unten: Output Gyro-Board Schalter mit 1uF parallel zu C2 Vollgas, C2 = 680nF Vollgas, C2 = 1680nF Fig. 14. Externe zusätzliche 1uF- Kapazität, parallel zu C2 für Nick-Kanal: Diskussion: Es entstehen keine zusätzliche Störungen! 5.2. Messung des Frequenzganges Out Vpp Messungen mit 3 Kapazitätswerten Frequenz Hz 680nF 1360nF 1680nF Tab.1. Input: 100mVpp mit DC-Offset 1.55V. Parameter C2: Variation 680nF (Original) bis 1680nF. Die Messungen stimmen mit der Simulation von Fig.13. gut überein. 9

10 6. Schlussfolgerung 1. Die Vergrösserung der C2/C7 Kondensatoren verstärkt die dynamische Flugregelung. 2. Diese Änderung (Einlöten einer Huckepack SMD Kapazität) ist einfach zu realisieren. 3. Danach können beim SwissGyro die Hall-Sensoren bis ca. 20 Grad nach oben gebogen werden, um Flugwinkel bis ca. +/-30 Grad zu erreichen. Alternative Die Flugparameter des X-UFO sind im EEPROM des Gyro Boards abgelegt. Die Software dazu ist aber nicht öffentlich zugängig. Beim Quadrocopter-Treffen 2009 in Rheinbach habe die beiden X-UFO Erfinder Daniel und Klaus freundlicherweise die EEPROM-Parameter des Original Gyro Board für eine nacktes X-UFO mit SwissGyro und Giersensor genauer abgepasst, damit flog das X-UFO nochmals besser. Wer ein nacktes X-UFO mit SwissGyro und Giersensor mit diesem optimierten Datensatz betreiben möchte, kann diesen aus der Memberzone herunterladen und mit einem Programmiergerät auf sein EEPROM im Gyro Board selber brennen. 10