BLDC Prüfstand (4) – Elektronik Konzept
Um das Elektronik Konzept des Prüfstandes besser zu verstehen, könnten folgende Links recht hilfreich sein:
Die Platine bzw. die Platinen
Ich habe mir ein modulares Design überlegt, dass mehrere Mikrocontroller und Mess-PCB, die man einfach austauschen kann, einsetzt. Im Falle, dass manche Grundanforderungen nicht erreicht werden können, ist ein partielles Redesign möglich, sprich man braucht nur die Mess-Platine updaten, anpassen und oder austauschen. Nach der Vorstellung des Platinen Konzeptes wird dies ein wenig klarer sein 😉
Die grundliegende Idee ist es eine Controller-Platine zu haben und mehrere (bis zu drei) Messplatinen.
Da bei dem BLDC Prüfstand recht hohe Ströme und Leistungen über diverse PCBs geführt werden, ist besonderes Augenmerk auf ein gutes Layout zu werfen! Leiterbahnendicke, Querschnitt, Kühlung, … Mehr dazu folgt in zukünftigen detaillierteren Beiträgen zu den einzelnen Platinen.
Die Controller-Platine – Elektronik Konzept
Die Controller-Platine soll die gesamte Steuerung, Datenerfassung und Kommunikation zum PC managen. Das „Herz“ dieser Platine, in der alle Signale und Busse zusammengeführt werden, ist ein ESP32 Mikrocontroller. Warum ein ESP32? – Er ist günstig, unterstützt das Arduino Framework und ist ein Mikrocontroller mit sehr vielen Features (WLAN, Bluetooth, Dual-core, >100MHz Taktfrequenz, … ).
Damit die angesprochene Modularität gegeben ist, wird die Strommessung über Einschub (Slot) Mess-Platinen gemacht. Sie können im Falle eines Defekts einfach gewechselt werden, oder sollten die verwendeten Stromsensoren, Schalter, ADCs, …. nicht die gewünschte Performance liefern, können sie einfach neu entworfen und gewechselt werden. Eventuell werden unterschiedliche Einschub-Karten für unterschiedliche Messbereiche benötigt werden, es ist immer gut ein Konzept vorzusehen, dass eine Anpassung vereinfacht bzw. ermöglicht.
Diese sehr vereinfachte Ansicht zeigt, dass die Hauptplatine einen ESP32 als Schaltzentrale verwendet, der über mehrere Trigger (vereinfachte Darstellung, und über einen I2C Bus zu den Einschubsockeln verbunden ist.
Die Idee ist es, am XT90 in den gewünschten Akku anzuschließen, am XT90 Out wird die Versorgung dann weiter an eine gewünschte ESC weitergeleitet. Zwischen dieser Verbindung befindet sich eine parallele Strommessung. Der Strom kann dann mit high Power-FETs an- bzw. abgeschalten und sogar in gewünschte Messkarten geleitet werden.
Um die finale Leistung messen zu können, bzw. etwaige Spannungseinbrüche zu detektieren kann die Akkuspannung auch mithilfe eines externen ADCs zurückgemessen werden. Warum ein externer ADC? Kurze und einfache Antwort: der interne ADC des ESP32 scheint ein recht schlechtes, nichtlineares Verhalten zu haben. Wer mehr darüber lesen will kann hier mehr darüber erfahren oder kann mit der Google Suche richtig tief in das Thema eintauchen.
Um eine Verbindung zu den in dem Prüfstand befindlichen Sensoren zu haben, werden natürlich auch passende Anschlüsse auf der Hauptplatine untergebracht. Dabei sind Sensoren zum Messen von: Schubkraft, rpm, Luftgeschwindigkeit aber auch die Steuerung der ESC gemeint.
Das Controller-Board wird lediglich mit 12V versorgt, die weitere Versorgungsaufbereitung wird auf der Controller-Platine direkt generiert-> 5V und 3.3V. Diese Spannungen werden wiederum von den Mess-Platinen weiterverwendet.
Natürlich befinden sich auch noch diverse Levelshifter, Status Leds und Messpunkte auf der Platine, die aber in der Übersicht natürlich nicht eingezeichnet sind.
Ein detaillierterer Bericht zu den Platinen und deren Design (KiCad 6) folgt natürlich auch noch.
Die Mess-Platine – Elektronik Konzept
Die Messplatine wird hauptsächlich genutzt, um den Strom zu messen, das ist die Hauptaufgabe. Da sehr hohe Ströme über diese Platinen fließen wird und diese Platinen Steckbar sein werden, muss für einen ausreichenden Kontakt gesorgt werden. Die Verbindung zu der Hauptplatine würde über sogenannte „Edge-Connector“ gemacht – das sind ähnliche Sockel, wie man sie von einem PC Mainboard (PCI, PCI-Express, …) kennt, nur mit breiteren, stärkeren Pins, die auch parallel geschalten den nötigen Strom transportieren können.
Im Falle des Prüfstandes wird ein 44-Pin connector verwendet (Link)- 10 Pins für Versorgung und Signale und die restlichen 34 Pins für den Strom. 17 Pins Eingang – 17 Pins Ausgang, sind bei einem max. Strom von 50A pro Platine -> ~3A pro Pin.
Die Mess-Platine ist recht einfach aufgebaut, ein sehr günstiger Mikrocontroller (Raspberry Pi Pico – ~4€), ein ADC zum Auslesen des Stromsensors, ein FET (mit FET Treiber) zum Abschalten des Stromes, ein paar Status LEDs.
Ein kleines Detail was auf den ersten Blick eventuell nicht sofort ersichtlich ist, ist die Ansteuerung des FET. Der switch-driver wird nicht vom RPI Pico sondern direkt vom ESP32 angesteuert. Das hat den Vorteil, dass perfekt über die unterschiedlichen Platinen synchronisiert werden kann und, dass der RPI Pico nur zur Messdatenerfassung verwendet wird.
Ist z.B. ein FET nicht passend dimensioniert, oder ein anderer ADC / Stromsensor notwendig, muss nur ein „kleines“ bzw. günstiges PCB geändert werden. Dieses kann dann wieder in die Hauptplatine gesteckt und verwendet werden.
Da diese Platine bis zu drei Mal parallel in der Hauptplatine verwendet wird – wird großes Augenmerk darauf gelegt, dass sie zu 100% austauschbar sind, soll heißen – alle haben dieselbe Firmware und liefern über den I2C Bus dieselben Daten (Interface, Format). Aus diesem Grund wird die I2C Adresse auch nicht auf der Mess-Platine, sondern auf der Hauptplatine fix für den Sockel kodiert.
Die nächsten Schritte ?
- Design der Controller Platine
- Design der Mess-Platine
- PCB Layout
- Software der Mikrocontroller
- ….
Es wird nicht langweilig, man darf sich auf News freuen !
