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"Überlegungen"

Problemstellung

Zuerst wurden alle Komponenten in den Wagen eingebaut (bis auf den Motor und die dazugehörige Steuerung) und über Relaissteuerungen“ verbunden. Wenn man nun eine Einstellung ändern wollte, oder zum Beispiel eine Nachlaufzeit für die Säule einbauen wollte, hätte man entsprechende Relais in die Analoge Steuerung integrieren müssen. Dies hätte jedes mal einen enormen Aufwand zu folge, da man alle Kabel neu verlegen müsste, die Platzverhältnisse anpassen müsste, was jedes Mal ein öffnen des sehr eng bemessenen „Technikfachs“ zur Folge hätte. Außerdem kam noch der Motor und die benötigte Ansteuerung von diesem hinzu.

Daher rührte dann die Idee mit der SPS. Hat man diese einmal in das System integriert, ist es relativ einfach über einen Laptop und mithilfe der passenden Software auf das System zuzugreifen und die gewünschten Änderungen vorzunehmen.

 
Untersuchung für die benötigte SPS

-Anzahl und Arte der Eingänge:

Um die Anzahl der benötigten Eingänge zu ermitteln, wurden alle Bauteile und Schalter bzw. Taster aufgelistet um einen Überblick zu bekommen. Außerdem mussten die Eingänge mit 12V DC an steuerbar sein, da sonst die 12V DC vom Bordnetz nicht dafür verwendet werden könnten.

-Anzahl und Art der Ausgänge:

Auch hier wurden alle Geräte auf einer Liste zusammengetragen, so dass inclusive der „PWM-Spannungsteiler-Steuerung“ für den Motor 22 Ausgäng nötig waren.

-Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgung der SPS müsste ca. 10V DC bis ca. 15V DC betragen, um diese direkt am 12V Netz zu betreiben und kleinere Spannungsschwankungen ausgleichen zu können.

-Gewählte SPS

Die gewählte SPS ist eine Mitsubishi FX1N 60MR. Diese besitzt genügend Ein- und Ausgänge und ist mit 12V DC zu betreiben

 
Bauteile
 
Der Motor

Dimensionierung des Motors

Zuerst suchte ich nach vergleichbaren Modellen des Wagens (Gewicht, Größe, Reifenart) im Internet, um einen ungefähren Leistungsbereich des Motors festlegen zu können. Danach Informierte ich mich beim TÜV darüber, ab wann ein „Fahrzeug“ zugelassen werden muss, bzw. ab wann eine Sondergenehmigung für eine Zulassung im Straßenverkehr ausgestellt werden muss. Dort wurde mir dann mitgeteilt das „Fahrzeuge“ bis 6km/h generell eintragungsfrei sind.

Also musste ich den Motor und die Übersetzung so dimensionieren, dass dieser die Geschwindigkeit von 6 km/h nicht übersteigt

Berechnung Geschwindigkeit des Wagens pro Sekunde (bei 6km/h):

6km/h = 6000m/h

6000m/h : 3600 = 1,667m/s

Berechnung der Umdrehungen an der Achse pro Sekunde (um auf ca. 6km/h Geschwindigkeit zu kommen):

390mm (Durchmesser des Rades) x 3,1416 (Pi) = 1225mm = 1,225m/s

1,667m/s : 1,225m/s = 1,36U/s

Berechnung der Umdrehungen pro Minute an der Welle des Motors:

1,36U/s x 60 = 81,6 U/min

Wahl des Motors:

Nach diesen Berechnungen suchte ich einen passenden Motor. Meine Wahl fiel auf einen 700Watt 24V DC Motor mit 2400U/min die über ein Winkelsternradgetriebe und einem Übersetzungsverhältnis von 1:9,833 auf 244U/min umgesetzt wird. Da 244U/min noch immer zu viel waren, musste ich noch eine weitere Übersetzung zwischen Getriebe und Achse anbringen.

Diese berechnete sich wie folgt:

(Ausgang des Getriebes) 244U/min : (Umdrehungen an der Achse) 81U/min=3,01

d.h. es musste erneut eine Übersetzung von 1:3,01 stattfinden, die dann mithilfe von 2 Zahnrädern, die mit einer Kette verbunden sind, realisiert wurde.
 

Netzteil

Anforderung:

Da es viele Arten von Netzteilen gibt musste ich überlegen welches am geeignetsten wäre um die Spannung von 230V AC auf die 12V DC Bordspannung runter zu transformieren bzw. zu regeln. Drei wichtige Faktoren dabei waren das Gewicht, die Leistung und die Kosten.Transformatoren:

Zuerst verschaffte ich mir einen Überblick über verschiedene Transformatorentypen. Ein großer Nachteil von allen Transformatoren ist das Gewicht, da die Spule genau wie der Eisenkern bei Strömen um die 60A ziemlich groß sein müssen und daher auch schwer. Außerdem wird das Sortiment mit steigender Stromstärke auch immer kleiner und teurer.

Alternative:

Also überlegte ich was für alternativen noch bestehen. Günstige Netzteile, die einen hohen Strom liefern können, kannte ich bisher nur aus der Computer Technik. Diese so genannten ATX-Netzteile werden per PWM geregelt und haben dadurch ein sehr geringes Gewicht. Die etwas höhere Restwelligkeit bei diesen Netzteilen ist für meine Anwendungszwecke nicht so wichtig. Also beschaffte ich mir so ein ATX-Netzteil. Da dieses aber Stabile 12V DC liefert, zur Versorgung aber 13,8V DC (vgl. KFZBordspannung) besser wären, überlegte ich wie ich das Netzteil so modifizieren könnte, das dies diese 1,8V „mehr“ liefert.

Modifizierung des Netzteils:

Zuerst überprüfte ich den Aufbau des Netzteils und lud mir Schaltpläne der auf der Platine befindlichen ICs runter um deren Funktion zu verstehen. Danach lötete ich an dem ersten IC an Pin 3 ein 1k Poti an und verband dies mit Masse. Durch diesen neu gebauten Spannungsteiler konnte ich nun die Referenzspannung die am IC ankommt über das Poti mehr oder weniger auf Masse ziehen. Dadurch sank die Referenzspannung und die Steuerung verlängert die Pulsdauer, was eine höhere Ausgangsspannung des Netzteils zur Folge hat.

Dadurch war es mir möglich die Ausgangsspannung an zu heben, allerdings nur bis 13,1 V das es in dem Netzteil noch den WT7510 gibt, der zur Spannungsüberwachung dient.

Dadurch war es mir möglich die Ausgangsspannung an zu heben, allerdings nur bis 13,1 V das es in dem Netzteil noch den WT7510 gibt, der zur Spannungsüberwachung dient.

 

Damit ich die Spannung also über 13,1V anheben konnte, setzte ich einen kleinen 50Ohm Widerstand zwischen den Schaltausgang FPL_N und Masse, so dass die Spannung an den anderen Bauteilen, wenn der Ausgangdurchschaltet, auf Masse gezogen wird und keine 5V beträgt, die das Netzteil abschalten würden. Danach konnte ich die Spannung Problemlos sogar auf über 16V erhöhen und hatte damit ein Regelbares Netzteil, das sogar Spitzenströme von 80A liefern kann.

 


 

Lüfter des Generators

Da der Generator von einem Holzgehäuse umschlossen ist welches innen durch Polyester Schaumplatten Schallisoliert ist, muss dafür gesorgt werden, dass dieser im Betrieb nicht zu heiß wird. Dies konnte nur durch ausreichende Belüftung erreicht werden. Da die meisten 12V DC Lüfter die vorhanden waren, einen zu geringen Luftstrom haben, und noch zwei 230V AC Lüfter vorhanden waren, wurden diese verbaut. Da die Lüfter einen andere Spannung benötigen, wird diese mithilfe eines DC-AC Wechselrichters hochtransformiert und durch diesen mit annähernden Sinuswellen und 230V versorgt. Eingeschaltet wird diese Steuerung durch einen 60°C Bi-Metalschalter, der ebenfalls in dem Gehäuse untergebracht ist. Die Hysterese dieses Schalters beträgt ca. 10°C, so dass dieser bei 50°C wieder abschaltet. Außerdem sind diese Lüfter nicht durch die SPS abschaltbar, da sonst die Brandgefahr zu groß wäre (Generator läuft, Generator heiß, dann komplette Abschaltung ->Wärmestau!).

 


Computer mit Netzteil

Das ITX Mainboard im oberen Fach wird von einem M1 Netzteil versorgt. Das besondere an dem Netzteil ist der enorme Spannungsbereich. Ab 8V DC (kurzzeitig sogar 6 V) bis ca. 18V DC ist diese spannungsstabil und hat mehrere durch Jumper Steckbare Funktionen wie Hard off, Time delay off mit einstellbaren Zeiten oder Soft off nach entfernen der „12V Zündungsleitung“.

 


RFID- und Controlpanel

Das RFID- und Controlpanel besteht aus einem RFID Lese- und Schreibegerät mit Folien Tastatur und den Schaltern und Tastern die den Wagen steuern sollen. Auf der rechten Seite befindet sich noch die Buchse mit der dazugehörigen Leitung zur Netzeinspeisung.

 


Steuerung über die SPS

 

Funktionen:

Hauptschalter: Der Hauptschalter kann nur dann eingeschaltet werden, wenn vorher ein Passender RFID Ausweis vor das Lesegerät gehalten wurde. Die Spanungsversorgung und alle anderen Funktionen sind dann freigeschaltet. Wird der Hauptschalter danach nochmal betätigt, wird die Spannungsversorgung wieder abgeschaltet.

Rollstop: Der Rollstop hingegen kann nur deaktiviert werden wenn vorher ein passender RFID Chip diese Funktion freigeschaltet hat. Wird dieser aktiviert schaltet die SPS die Motorsteuerung ab und schließt den Motor kurz.

Megafon: Über diese Funktion lässt sich das eingebaute Megafon steuern. Nachdem der obere Schalter aktiviert wurde, kann man mit den zwei Kippschaltern die darunter liegen einstellen ob eine Sirene ertönen soll, oder die Sprache über das Mikrofon verstärkt werden soll.

Säule: Der Schalter Säule steuert die Zapffunktion. Ist dieser aktiviert wird der Druck im Getränke-Tank auf den eingestellten Druck gebracht. Außerdem befüllt sich die Säule über die Sensorik dann selber. Der kleine Taster darunter dient der manuellen Nachfüllung der Säule.

Car PC: Dieser Schalter aktiviert den Car PC, über den auch die Musik gesteuert wird, sowie die Endstufen. Der Kippschalter der darunter liegt kann auf AUX gestellt werden. Dadurch werden die Endstufen auch bei nicht betätigtem Car PC Schalter aktiv.

Generator: Wenn der Generatorbetrieb genutzt werden soll muss dieser Schalter aktiv sein. Deaktiviert man diesen, schaltet sich der Generator aus. Die darunterliegenden Taster dienen der Umschaltung zwischen Generator- und Netzbetrieb.

Motor: Über den Schalter Motor wird die Steuerung des Motors aktiv. Nur wenn die Steuerung eingeschaltet ist, kann der Wagen über den Motor fortbewegt werden.

 


PWM Ansteuerung

Da die SPS keine Analogausgänge besitzt aber ein 0-5V Signal die PWM regeln muss, wurden sechs Relaisausgänge mit Widerständen versehen, so dass sich ein regelbarer Spannungsteiler ergab. Das SPS Programm wurde nun so gestaltet das beim Hochrampen der Geschwindigkeit immer ein Widerstand mehr zu den anderen Parallel geschaltet wurde. Dadurch sinkt die Spannung immer weiter ab, die die Pulsweite steuert. Mit sinkender Spannung am Eingang des IC Moduliert dieser immer längere 1 Pulse. Diese werden dann an, über an den Motor angeschlossene MOSFETS übertragen und regeln so die Leistungszufuhr zu diesem.

 


Absicherung

Da der Motor mit 12V versorgt wird und 700Watt stark ist und deshalb sehr große Ströme auftreten können, musste dieser genau wie die Einspeisung der in Reihe geschalteten 12V Akkus der Motorsteuerung geschützt werden. Da die Steuerung aber im Wagen verbaut ist und es sehr schwer ist, an diese wieder heran zu kommen, musste ein Sicherungstyp gewählt werden der sich im Fall der Fälle auch selber „reseten“ kann. Darum wurden an diesen beiden Punkten PTCs, sogenannte Kaltleiter verbaut.

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