Projekt - Roboternetz

Projekt Pollux
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Projektarbeit
Pollux
Inhalt
Inhalt .......................................................................................................................................... 1
1. Projektidee ............................................................................................................................. 2
2. Problemanalyse...................................................................................................................... 3
2.1 Mainboard ......................................................................................................................... 3
2.2 Zusatzprints ...................................................................................................................... 3
2.3 Montage............................................................................................................................ 3
2.4 Vorgehen .......................................................................................................................... 3
3. Budget .................................................................................................................................... 4
4. Bauteile .................................................................................................................................. 5
4.1 Motoren ............................................................................................................................ 5
7. Selbstbewertung...................................................................... Error! Bookmark not defined.
07.04.2017
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Oliver Bründler
Projekt Pollux
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1. Projektidee
Die Idee des Projektes ist es, einen Roboter zu entwickeln. Dieser soll so änderbar wie möglich
sein. Das heisst, es soll möglich sein zusätzliche Prints, Sensoren, Motoren, etc.
anzuschliessen.
Das Herz des Robotters, die so genannte C-Control, bilden ein Mikrocontroller (Cygnal
C8051F020) und ein programmierbarer Logikbaustein. Der Controller ist für den
Programmablauf verantwortlich und kann vom Benutzer programmiert werden. Deshalb werde
ich das JTAG-Interface auf der Leiterplatte einbauen. Die programmierbare Logik ist ebenfalls
Benutzerprogrammierbar und soll einige Schaltungen enthalten, welche sonst den uC unnötig
belasten würden. Standardmässig soll die Logik eine H-Bridge-Ansteuerung enthalten.
Für die Stromversorgung soll ein Akkupak sorgen. Die Spannung hängt natürlich vom Motor ab.
Wenn der Akku leer ist soll die Spannungsversorgung auf zwei Klemmen umgeschaltet werden
können, damit man auch dann weiter programmieren und testen kann. Die Spannungen 3.3V
(Controller) soll direkt auf der Hauptplatine erzeugt und auch zusätzlich zur Akkuspannung für
andere Prints zur Verfügung gestellt werden. Andere Speisespannungen müssen auf den
Zusatzprints erzeugt werden.
Auf der Hauptplatine werden zusätzlich 8 LEDs und 8 Schalter angebracht. Sie sollen
beispielsweise zu Wahl des Programms oder zur Eingabe von Parametern sowie zur Ausgabe
von Debug-Informationen verwendet werden können.
Damit das System leicht Änderbar wird, werden alle notwendigen Signale des Controllers und
des PLDs auf Molex-Stecker ausgegeben (bzw. von ihnen eingelesen). So kann der Benutzer
leicht neue Prints anschliessen.
Mechanisch wird der Print auf einer Aluplatte befestigt. Diese enthält ebenfalls Löcher für die
Befestigung von Sensoren und Motoren und eine Halterung für die Akkupakete.
Die verschiedenen Platinen werden in einem Sandwich-System aufeinander aufgesteckt. Dabei
sind die gleichen Signale immer an den gleichen Pins. So kann jeder von jedem Zusatzprint auf
alle nötigen Signale zugegriffen werden.
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Oliver Bründler
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2. Problemanalyse
2.1 Mainboard
Auf dem Mainboard gibt es zwei verschiedene Versorgungsspannungen (3.3V und
Akkuspannung) da die 3.3V von der Akkuspannung heruntergeregelt werden müssen, entsteht
eine grosse Verlustleistung am Regler. Dies ist nicht wünschenswert, weil so unnötig Leistung
verbraucht wird und weil die Regler so gekühlt werden müssen. Eine etwas bessere, aber
aufwendigere Lösung wären getaktete Regler. Zum Beispiel in der LM2676 Familie gibt es
getaktete Regler für 3.3V. Die Wahl der Regler hängt natürlich von den Bauteilen ab, welche die
jeweilige Versorgungsspannung belasten (v.A. Motoren).
Beim Clock stellt sich vor allem die Frage der Genauigkeit. Die etwas ungenauere aber dafür
sehr einfache Lösung wäre, denn internen Oszillator des Controllers zu verwenden und diesen
für die Taktung des PLDs auf einen Pin auszugeben. Die etwas aufwändigere Lösung wäre
einen Quarz zu verwenden.
Da die der Controller und das PLD über Molexkabel verbunden werden, muss dieser Print
immer zu oberst aufgesteckt werden. Somit stellt sich natürlich die frage, ob die
Spannungsversorgung separiert und fix als unterster Print montiert werden soll, oder ob der
unterste Print austauschbar montiert werden soll.
Das MAX 7128SLC84-15 ist als Logikbaustein sicher eine Möglichkeit, weil wir es im Puffer
haben. Wenn dieses zu klein sein sollte, ist abzuklären, ob ein anderes CPLD (Altera und Xilinx
haben eine grosse Auswahl) oder sogar ein FPGA (z.B. Flex 10k) zu bevorzugen ist.
2.2 Zusatzprints
Die Zusatzprints werden via Steckerleiste auf dem Mainboard befestigt und kontaktiert. Auf
jedem Zusatzprint soll über Jumper zwischen einer Standard-Pinbelegung oder einer
Variantenverdrahtung gewählt werden können.
2.3 Montage
Das ganze System soll auf einer ovalen Aluplatte aufgebaut werden. Diese enthält:
 Montagemöglichkeit für das Print-Paket
 Befestigung für die/den Akku(s)
 Befestigungsmöglichkeiten für Sensoren
 Zwei durch Elektromotoren angetriebene Räder
 Eine drehbares Stützrad
2.4 Vorgehen
Ich werde als erstes die Mechanischen Bauteile (Motoren usw.) aussuchen. Danach werde ich
die elektromechanischen Bauteile wie Steckerleisten aussuchen und dann den Mainprint
entwerfen.
Das Chassis werde ich erst danach zeichnen, weil ich zur Zeichnung des Chassis die grösse
des Prints und die Abmessungen der Motoren brauche.
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Oliver Bründler
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3. Budget
Das Budget beträgt 300Fr. Darin nicht enthalten sind alle Bauteile, welche schon im Puffer sind
oder welche nicht speziell für dieses Projekt angeschafft werden müssen (z.B. FETs,
Widerstände, Aluplatte für Chassis usw.).
Motoren
Akku
Ladegerät
CPLD
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2
1
1
1
x
x
x
x
25.00 Fr.
35.00 Fr.
10.00 Fr.
80.00 Fr
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=
=
=
=
50.00 Fr.
35.00 Fr.
10.00 Fr
80.00 Fr.
Oliver Bründler
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4. Bauteile Chassis
4.1 Motoren
Um mit dem Motor eine vernünftige Kraft auch die Räder bringen zu können ist ein Getriebe
notwendig. Folgende Bauteile kommen in Frage:

VARIO-GETRIEBE 927D
Spannung:
12 V
Drehmoment:
ca. 60 Ncm
Strom:
0.3 A
Lieferant:
MFA Como Drills
Preis:
ca. 18 Fr.

VARIO-GETRIEBE 917D
Spannung:
3V
Drehmoment:
ca. 25 Ncm
Strom:
0.96 A
Lieferant:
Conrad
Preis:
12.95 Fr.

GEARBOX 918D 250:1 RE 280
Spannung:
3V
Drehmoment:
ca. 50 Ncm
Strom:
0.85 A
Lieferant:
MFA Como Drills
Preis:
ca. 21 Fr.
Ich entscheide mich für die GEARBOX 918D 250 RE 280 weil sie ein gutes Drehmoment und
einen grossen Wirkungsgrad hat. Positiv ins Gewicht fällt auch die Betriebsspannung von 3V.
Sie ermöglicht es, mit einem Relativ einfachen Akkupaket auszukommen (z.B. 7.2V).
Ein weiterer Vorteil liegt im Metallgetriebe. Das Metallgetriebe der Gearbox ist der
Kunststoffgetriebe des Vario-Getriebes in Standfestigkeit weitaus überlegen.
Ich werde die 3.3V Spannungsversorgung des benutzen. Da diese dann stark belastet wird,
muss ich einen getakteten Regler oder einen DC/DC Wandler benutzen.
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4.2 Akku
Die Stromversorgung soll über einen Akku gewährleistet werden. Dieser Muss eine Spannung
von ca. 4.8V haben (3.6 sind zu wenig, da der Regler auch noch etwas Spannung braucht) und
eine möglichst grosse Kapazität (mehr als 2Ah) haben. Folgende Produkte kommen in frage:

NICD EZ M. LF SUB-C 2400 MAH (4 in Serie)
Spannung:
4.8 V
Lieferant:
Conrad
Kapazität:
2400 mAh
3300 mAh
Preis:
19.80 Fr.
35.80 Fr.

AKKU NIMH-3000 SC-ZELLE (4 in Serie)
Spannung:
4.8 V
Lieferant:
Conrad
Kapazität:
3000 mAh
Preis:
51.80 Fr.

NIMH EMPF.-AKKU
Spannung:
Lieferant:
Kapazität:
Preis:
4.8V
Conrad
3300 mAh
34.95 Fr.
Ich entscheide mich für das NIMH EMPF.-AKKU. So habe ich die Richtige Spannung und
eine grosse Kapazität. Ich werde den Stecker durch einen Tamiya Plug ersetzen. Durch die
4.8V Spannung können Servos direkt am Akku angehängt werden.
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4.3 Akku Ladegerät
Das Akku Ladegerät muss nicht speziell schnell sein. Hier ist der Preis wichtiger. Ebenfalls ein
wichtiger Faktor ist, dass das Ladegerät einen 4.8V Ausgang hat. Alle Ladezeiten sind auf den
in 4.2 genannten Akku bezogen. Folgende Produkte kommen in frage:

STECKERLADER Für POWER-PACKS
Ladezeit:
ca. 16 h
Lieferant:
Conrad
Preis:
9.95 Fr.

LADEGERÄT MINI TAMIYA PLUG
Ladezeit:
ca. 8 h
Lieferant:
Conrad
Preis:
19.95 Fr.
Ich entscheide mich für den STECKERLADER Für POWER-PACKS weil er günstiger ist und die
Ladezeit zweitrangig ist. Während der Test- und Programmierungsphase wird der Roboter
sowieso über ein Netzgerät gespeist. Somit ist der Akku erst Notwendig wenn der Roboter
mobil sein soll.
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5. Bauteile C-Control
5.1 Controller
Wie bereits früher beschrieben werde ich einen Cygnal C8051F020 im TQFP100 wählen, da wir
den Controller-Kurs in der Roche auf diesem Controller durchführen. Da Pollux als
Ausbildungsprojekt genutzt werden soll, ist es wichtig, dass nicht jeder Benutzer einen neuen
Prozessor erlernen muss. Ebenfalls positiv ins Gewicht fällt, dass wir diesen Controller an Lager
haben. Die 3.3V Versorgungsspannung entspricht dem heutigen Standard.
Der C8051F020 besitzt mehrere Analog Ein- und Ausgänge, unterstützt alle wichtigen Busse
(z.B. I2C ist sehr wichtig, das viele Sensoren I2C Kompatibel sind), 8 Digital-Ports und weitere
nützliche Funktionen.
5.2 PLD
Zuerst wollte ich ein Altera Max II EPM 570 einsetzen. Da dieses Device aber erst im Januar
erhältlich ist war ich gezwungen eine Alternative zu suchen.
Leider gibt es kein CPLD von Altera in dieser Grössenordnung. Einen anderen Hersteller ziehe
ich nicht in betracht, da wir zu Altera Bausteinen sehr gute Software haben und ich auch schon
einige Erfahrung mit ihnen habe. Deshalb muss ich eine andere Lösung suchen.
Das FPGA Flex 10k10A is genügen gross, hat eine 3.3V Versorgungsspannung, ist relativ
günstig und kann einfach über einen Konfigurationsbaustein (EPC1441) konfiguriert werden.
Deshalb habe ich mich für dieses Device entschieden.
Beim Gehäuse zog ich das TQFP144 dem TQFP100 vor, da ich so etwa 40 User-Pins mehr zur
Verfügung habe. Dies ist deshalb wichtig, weil auch Anzeigen über das FPGA angesteuert
werden müssen und weil so, falls das 10k10A für eine Anwendung zu klein sein sollte, einfach
das 10k30A eingelötet werden kann, ohne Layout Änderungen. Dieses ist nämlich im gleichen
Gehäuse erhältlich.
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5.3 Spannungsregler 3.3V
Der Spannungsregler muss mit 4.8V Eingangsspannung funktionieren. Da die Leistungsteile
(z.B. Motoren) ihre eigene Spannungsregelung auf den Zusatzprints haben, muss der Regler
nicht für besonders grosse Ströme ausgelegt sein. Es sollen Allerdings etwa 2A für kleine
Zusatzteile (Servos, Sensoren, Taster, Anzeige, usw.) von diesem Regler abgezapft werden
können. Deshalb sollte er für 3A ausgelegt sein.
Folgende Bauteile kommen in Frage:



LM2576T-3.3
Ausgangsstrom:
Min. Eingangsspannung:
Effizienz:
Lieferant:
Preis:
3A
4V
75%
Distrelec
5.50 Fr.
LM2596-3.3
Ausgangsstrom:
Min. Eingangsspannung:
Effizienz:
Lieferant:
Preis:
3A
4.5 V
73%
Farnell
9.90 Fr.
TPS54316PWP
Ausgangsstrom:
Min. Eingangsspannung:
Effizienz:
Lieferant:
Preis:
3A
4V
92%
Farnell
9.60 Fr.
Trotz dem etwas höheren Preis entscheide ich mich für den TPS54316PWP weil er eine sehr
hohe Effizienz hat. So kann ich mir einen grossen Kühlkörper sparen (was die Mehrkosten
kompensiert) und kann etwas Strom sparen.
Zur Beschaltung des Reglers werden zusätzlich folgende Bauteile benötigt:
 Hier Bauteile eintagen
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Oliver Bründler