Problemformulierung

Problem

Aufgrund umweltbewusstem und zukunftsorientiertem Denken, sowie erhöhter
Treibstoffkosten möchte ein Schiffsbau-Unternehmen ein Elektroboot auf den Markt
bringen, das kraftstofffrei mit Hilfe von Solarzellen mit Energie versorgt wird. 
Während die Konstruktion bereits an dem Design des Bootes arbeitet, soll von 
der Elektroabteilung parallel die Steuerung entwickelt werden.
Hierbei hat man sich entschlossen, die Ansteuerung der Schiffsschraube mit Hilfe
eines Mikrocontrollers zu realisieren. Zur Präsentation des fertigen Programms vor
der Geschäftsführung soll ein kleiner dimensioniertes Modell ( 4,5 V Gleichstrommotor) 
entwickelt werden.

Ziel

Ein Gleichstrommotor (4,5 V) soll mit Hilfe des MCB900-Mikrokontrollers über das 
LPC900-Experimentierboard angesteuert werden. Er soll sowohl im Rechts- als auch 
im  Linkslauf betrieben werden können. Die Drehrichtungsumschaltung darf erst bei 
Stillstand des Rotors erfolgen.

Anforderungen

   - Links- und Rechtslauf

   - Reversieren über „Stopp“

   - Zustandserkennung über einen Generator

   - Verriegelung Hardware/ Software

Lösungsstrategie

   - Motoransteuerung über eine H-Brücke mit Hilfe von Transistoren

   - Bestimmung der Portbelegung

   - Datenblätter der einzelnen Bauteile sammeln

Lösungsvorschläge - schriftlich

Die vier Anforderungen der Problemformulierung können wie folgt angegangen werden:

Links- und Rechtslauf:

Links- und Rechtslauf werden über separate Taster angewählt (alle Taster sollten über eine Entprellung verfügen).
Wird der Taster „Linkslauf“ gleichzeitig mit der Taste „Motor stopp“, bzw. der Taster „Rechtslauf“ gleichzeitig mit der Taste „Motor stopp“ betätigt, so wird der Motor angehalten, um keine Personen zu gefährden (vorrangiges Ausschalten).
Wird während des Linkslaufs die Taste „Rechtslauf“ betätigt, bleibt der Motor im Linkslauf-betrieb. Das gleiche gilt auch für den umgekehrten Fall.

Reversieren über Stopp:

Um den Motor abzuschalten, ist wiederum ein Taster notwendig.
Eine Drehrichtungsumkehr wird nur ermöglicht, wenn der Motor zuvor ausgeschaltet und der Stillstand des Motors festgestellt wurde. Wird schon eine Drehrichtung angewählt, während der Motor noch in Bewegung ist, so erleuchtet eine Diode, die besagt, dass noch bis zum Stillstand des Motors gewartet werden muss, um die neue Drehrichtung auszuwählen (etwa: „Warten, bis Motor still steht!“).
Dies geschieht aufgrund des erhöhten Sicherheitsaspektes, um keine Personen zu gefährden.

Zustandserkennung über einen Generator:

Die Bewegung des Motors kann über einen Tachogenerator, angekoppelt an die Motorwelle, erfasst und ausgewertet werden. Dieser Tachogenerator erzeugt bei laufendem Motor eine Spannung. Die Höhe der Spannung ist jedoch in diesem Fall irrelevant, da für die Drehrichtungsumkehr nur wichtig ist, ob sich der Motor überhaupt bewegt.
Das heißt: Gibt der Tachogenerator keine Spannung mehr ab (also: 0 Volt), so erkennt
unser Programm, dass sich der Motor im Stillstand befindet, und es kann eine Drehrichtung über einen Taster angewählt werden.

Verriegelung Hardware / Software:

Wegen der zu hohen Stromaufnahme des Motors kann dieser über einen Optokoppler mit dahinter geschalteten Transistoren (vom Board aus gesehen) mit dem Board verbunden werden. Der Optokoppler hat auch den Vorteil, dass er galvanisch zwischen Board und Motor trennt.
Da der Motor außerhalb des Boards mit einer H-Brücke angesteuert wird, die zur Steuerung ihrer Transistoren drei Anschlüsse benötigt, bietet es sich in diesem Fall an, einen Vierfach-Optokoppler anzuwenden, so dass noch ein OK zum Anschluss des Austasters zur Verfügung steht.

Für unsere Motoransteuerung genügt als schriftlicher Lösungsvorschlag diese Beschreibung.
Für ein größeres Problem, das z. B. später im Auftrag einer Firma gelöst werden muss, sollte ein Pflichtenheft erstellt werden. Hierzu gibt es einen hilfreichen Link mit Downloadmöglichkeiten für Vorlagen am Ende dieser Seite.

Simulation und Test

Hower / Schneider ; 11.11.2005

Das Ziel der Simulation ist eine kostengünstige, schnelle und effektive Art der Planung. Mit Hilfe eines entsprechenden Simulationsprogramms werden elektronische Schaltungen mit Bauteilen bestückt, deren physikalische Eigenschaften mit den realen Bauteilen übereinstimmen. Eine Simulation benötigt weder teure Hardware, noch einen aufwendigen Versuchsaufbau. Darüber hinaus spart es wichtige Entwicklungszeit.

Die von uns verwendete Simulations-Software PSpice Schematics ist eine Studentenversion und bietet viele vorteilhafte Funktionen:

• eine umfangreiche Bauteil- Bibliothek
• ein Gitternetz um die Schaltung auszurichten
• einen Symbol- Editor zum Erstellen eigener Bauteile
• Simulation mit Angabe sämtlicher Teilspannungen und Teilströme
• usw.

Der Motor sollte ursprünglich mit 5V betrieben werden. Da eine PWM bei dieser geringen Spannung nur begrenzt  möglich war ( Stillstand des Motors), wurde die Betriebsspannung auf 12V erhöht. Diese Änderung verlangte einige Umbaumaßnahmen in der H-Brücke. Um in der Motorspannung variabel (4,5-36V) zu sein, arbeiten wir mit einem Motortreiber IC, das über zwei fertige H-Brücken verfügt (Typ: L293D). Diese Ansteuerung wird bei Roboter-Bastlern am häufigsten genutzt.

schriftlicher Lösungsvorschlag:
Vorlagen für Pflichtenheft
www.pflichtenheft.de