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Low Cost PWM-Steuerung selbstgemacht

Teil 1: Idee und Konzept

Meine Fahrzeuge sind mit 12V- oder 24V-GleichstromMotoren mit PermanentMagneten ausgerüstet. Zur Steuerung verwende ich die PulsWeiten Modulation (PWM) in Vollbrücken- oder H-BrückenSchaltung, sie regelt die Geschwindigkeit sehr feinfühlig, erlaubt mit minimalem Aufwand und wirklich gefahrlos von Vorwärts auf Rückwärtsfahrt umzuschalten und arbeitet beinahe verlustfrei. Nach mehreren Versuchen mit Steuerungen von Conrad und 4QD bin ich nun beim Selbermachen gelandet. Das Projekt baut auf einem ARDUINO als Impulsgeber und auf einer INFINEON-Platine als Schalter auf - ein prima Gespann!

Zur Steuerung von Bürstenmotoren und zur Pulsweiten-Modulation hats auf diesen Seiten viel zu lesen und ich nehme an, dass Sie alles verstanden haben. Wenn Sie hier einsteigen wollen, brauchen Sie wenigstens gute Löterfahrung für die Verdrahtung und etwas Selbstvertrauen im Umgang mit der Elektronik. Programmierkenntnisse sind willkommen, aber nur dann nötig, wenn Sie mein Programm ändern wollen. Die Steuerung arbeitet seit einiger Zeit problemlos auf meinem Switcher (24 Volt) und auf einer Elektro-Draisine (12 Volt). Sie beschleunigt langsam und weich und bremst bis zum Stillstand. Versuchen Sie es einfach!
Nachtrag 2018: Ein voller Erfolg!

Der Anlass zu diesem Projekt

Im Dezember 2014 kündigte Infineon eine Experimentierplatine (DC Motor Control Shield, im weiteren kurz MotorShield) mit zwei Halbbrücken-ICs an, im Februar 2015 dieses Jahres war sie dann auch erhältlich. Mit dieser Platine wird der Aufbau einer PWM-Steuerung zum Kinderspiel: Füttern Sie die kleine Platine vorn mit einem PWM-Signal und schliessen Sie hinten Ihren Motor an - fertig! Die Platine ist kompatibel zum Mikrocomputer ARDUINO. Es bietet sich also an, diesen zur Ansteuerung zu verwenden, obwohl das PWM-Signal selbstverständlich auch anders erzeugt werden kann. Das Bild zeigt die beiden Platinchen im Auslieferungszustand, links der ARDUINO, rechts das MotorShield.

Damit Sie die Katze nicht im Sack kaufen: In der Tabelle rechts finden Sie die Grenzwerte des auf dem MotorShield verbauten Bausteins. Im Dauerbetrieb können Sie bis zu zwei Ditteln dieser Grenzwerte gehen.

Wenn sich Ihre Stirn jetzt in Falten legt, bitte ich Sie um einen Moment Geduld. Ich gehe nämlich davon aus, dass in Ihrer Umgebung bereits viele «ARDUINOs» ganz unauffällig ihre Arbeit tun: Im Geschirrspüler, im Auto, im Fernsehapparat, in Ihrem Smartphone. Wir gehen heute total selbstverständlich mit hochkomplexen Apparaten um, deren Funktionsweise wir kaum verstehen. Warum sollte also in Ihrer Gartenbahn nicht auch ein ARDUINO werkeln? Ich kenne allerdings diese Berühungsängste - die unter anderem Auslöser für das ARDUINO-Projekt waren - und schlage Ihnen darum zwei verschiedene Vorgehensweisen vor.

ARDUINO und Motor Shield wie sie aus der Packung kommen

Der pragmatische Weg

Stellen Sie sich nun auf den Standpunkt, dass Sie den Arduino und das MotorShield weder verstehen können noch wollen. Betrachten Sie einfach beides als Black Box, genau wie Ihre anderen elektronischen Geräte, und folgen Sie mir auf den pragmatischen Weg. Sie kommen so für knapp € 60 zu einem Vollbrücken-Steuergerät für 24V/30A Dauerleistung. Wenn das kein Low Cost PWM ist!?

Sie brauchen keinerlei Programmierkenntnisse, denn das im ARDUINO arbeitende Programm stelle ich Ihnen zur Verfügung. Sie brauchen es nur zu laden, es arbeitet sofort los. Ich werde Sie natürlich auf einige Einstell­möglichkeiten hinweisen, die Sie aber nicht zu übernehmen brauchen. Und natürlich brauchen Sie einige Kleinteile sowie eine Lötstation mit feiner Spitze und ein Digital-Multimeter für € 10.-

Der gründliche Weg

Es ist keineswegs meine Absicht, Sie aufs Glatteis der Computer­program­mierung zu führen. In diesem kleinen Arduino-Platinchen liegt aber einige Verführungskraft - sehen Sie sich also vor! Und dieses Projekt kann durchaus Anlass dazu sein, einmal hinter die Kulissen zu schauen. Als erstes werden Sie wohl verstehen wollen, was das Programm eigentlich macht. Und dann werden Sie anfangen, es abzuändern und zu ergänzen. Denn tatsächlich ist der Arduino mit dieser PWM-Aufgabe keineswegs ausgelastet.

Wuppertaler Schwebebahn: Steuerstand, oben der Vorwärts/Rückwärts-Schalter, unten der Schneller/Langsamer-Hebel

Sie können zum Beispiel Erweiterungen schreiben, die die Akkuspannung überwachen, im Tunnel automatisch das Licht einschalten, die Geschwindigkeit Ihres Fahrzeugs messen und anzeigen oder - etwas anspruchsvoller - den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug messen und vor einem Auffahrunfall warnen. Sie werden sehen, l'appétit vient en mangeant: Der Appetit kommt mit dem Essen. Was Sie brauchen, finden Sie im Internet, vieles ist auch auf Deutsch zu lesen. Von Low Cost ist dann natürlich keine Rede mehr, denn Sie werden sich einarbeiten müssen und das kostet Zeit und Mühe. Es macht andrerseits viel Spass und die Gefahr ist gross, dass Sie zum ARDUINO-Fan mutieren.

Mein persönliches Steuerkonzept

Meine Fahrzeuge sind zum Aufsitzen da und sie werden auch so gesteuert, nämlich wie eine Strassenbahn von einem Steuerstand aus. Und genau so funktioniert auch diese PWM-Steuerung. Ein Fernsteuersender kommt nicht vor meinen Bauch, das überlasse ich den Modellfliegern und den H0ern. Das hier verwirklichte Konzept habe ich in vielen modernen Strassenbahnen gesehen, das Bild zeigt den Bedienbereich der Wuppertaler Schwebebahn: Die Kubel links ist der vorwärts-halt-rückwärts-Schalter, mit dem Knebel rechts wird schneller-langsamer gesteuert.

Genug der Vorbemerkungen, jetzt gehts auf den pragmatischen Weg