Die Elektronik des Aufzugs

Einführung

Platine mit Logikschaltung für den Aufzug

Im Beitrag →Aufzugsmechanik wird die Mechanik zum Spur 1-Aufzug vorgestellt. Die Elektronik ist hier Thema. Sie versieht schon seit einigen Jahren ihren zuverlässigen Dienst.

Schaltplan-Download

→hier geht’s zum Schaltplan (pdf)

Prozessor

Wie bereits erwähnt, wird der Aufzug vom einem programmierbaren Mikroprozessor gesteuert. Zum Einsatz kommt ein AVR von Mikrochip: ein Atmel AVR Mega8 (→Link). Dieses IC weist mit 28 Pins genügend Anschlüsse auf und ist preiswert. Neben den zahreichen Digitalfunktionen bzw. Ein- und Ausgängen wird auch ein Analogeingang benötigt. Betrieben wird der AVR mit 20MHz. Das ist für die zeitkritische Auswertung des →DCC-Signals günstig. Die Zeitbasis ist ein entsprechendes Quarz Y1 (für Y1 und die folgenden Bezeichnungen siehe Schaltplan). C1, C2 stützen wie üblich das saubere Schwingverhalten.
Wie beim Betrieb mit Quarz meistens erforderlich, müssen die Fuse-Bits auf “ext. Crystal” stehen und das “Divide by 8” muss deselektiert sein.

Spannungsversorgung

Die Schaltung wird an 12V betrieben, das ist auch die Spannung für den Aufzugs- bzw. Schlittenmotor. Der Prozessor und die gesamte Logik laufen mit 5V. U3, ein 7805, erzeugt die 5V-Spannung. C14, C15 gegen die Schwingneigung des 7805, und C16, C17 zur Stabilisierung bilden den Rest der Stromversorgung. Ein Schaltnetzteil für 12V mit 150W sollte für den Aufzug mehr als ausreichen. Da ich noch andere Verbraucher versorge, habe ich ein 500W-Netzteil im Betrieb. Der Motor zieht max. ca. 10 Ampere. Daher ist auch auf gut dimensionierte Zuleitungen zu achten.

ISP

Zur Programmierung des AVR wird der ISP genutzt (→Link). Der ISP-Connector J2 verbindet die sechs Kontakte mit den üblichen Pins, welche nicht weiter belegt sind: MISO, MOSI, SCK und RESET. Zusätzlich sind GND und +5V anzuschließen. Darüber hinaus ist der Reset-Eingang mit R7 und C3 beschaltet, damit im normalen Betrieb High-Pegel anliegt.

Entstörung

Zum sicheren Betrieb des AVR ist außer der sauberen 5V-Versorgung mindestens ein Entstörkondensator erforderlich. Diese Aufgabe übernimmt C4. Er muss nah an den Stromversorgungs-Pins des AVR platziert werden.

Funktionsgruppen

Status-LEDs

Zwei Status-Leds signalisieren den Betriebszustand:

  • Grüne LED: D3 über R6
  • Rote LED: D2 über R5

Im Standby sind beide LEDs aus. Ist die Positionsregelung aktiv, leuchtet die grüne LED. Sie blinkt kurz, wenn ein DCC-Stellbefehl erkannt wurde.
Die rote LED zeigt im Fehlerfall einen Blinktakt, welcher Fehler anliegt. Das manuelle Quittieren eines Fehlers und der Neustart des Prozessors werden ebenfalls über kurze Blinkzyklen auf beiden LEDs bestätigt.

DCC-Input

DCC-Signalwandlung mit Optokoppler

Das DCC-Signal vom Gleis wird decodiert, um den Aufzug wie eine normale Weiche ansteuern zu können. Dafür muss allerdings die Gleisspannung auf einen mikroprozessorverträglichen Logikpegel gewandelt werden. Zur Entstörung der gesamten Anlage war mir eine galvanische Trennung wichtig. Daher kommt als Kern des DCC-Input ein Optokoppler vom Typ 4N25 o.ä. zum Einsatz.
R1-R4 und D1 bilden die weitere Beschaltung. Insbesondere ist R2 wichtig, da die passende Schärfe bzw. Flankensteilheit des Optokopplers darüber eingestellt wird. Das DCC-Signal liegt schließlich als 5V-Logikpegel am INT0-Eingang (PD2) des AVR an und ist bereit zur Verarbeitung.

Eingang Positionsmessung

Analogsignal vom Potentiometer zur Analog-Digital-Wandlung (ADC0, Pin 23)

Bereits beschrieben ist der Einsatz eines 10-Gang-Potentiometers als Wegsensor (→Beitrag Aufzug). Dieses ist durch Poti RV1 im Schaltplan abgebildet. Der Schleifer des Potis ist mit C0 bzw. ADC0, einem Analogeingang verbunden. So kann die analoge Spannung des Schleifers von 0-5V vom AVR digitalisiert werden. L1, C5 & C6 dienen zur Stützung der 5V-Analogspannung, die auch an Pin 20 (AVCC) anliegt. C13 stützt wiederum die AVR-interne Referenzspannung. So ist der Analogteil recht sauber vom restlichen 5V-Netz getrennt und selbst eine längere Zuleitung vom Potiabgriff zum AVR führt nicht zu HF-Störungen. Letzteres hatte ich anfangs befürchtet, da mit dem groß dimensionierten Motor hohe Ströme fließen und eine erhöhte PWM-Taktfrequenz gewählt wurde. Diese Faktoren bergen immer das Risiko von Störungen. Aber mit der gewählten Entkopplung läuft alles einwandfrei. Erleichternd kommt hinzu, das die Position nur mit einer geringen Dynamik von ca. 100Hz abgetastet wird. Notfalls wäre hier eine häufigere Abfrage mit anschließender Gleitwertermittlung eine Gegenmaßnahme gewesen.

Digitaleingänge

Zwei Taster zur manuellen Bedienung sind vorhanden:

  • Manuell runter SW1
  • Manuell hoch SW2

Im Automatik-Betrieb wird durch eine kurze Betätigung von SW1 oder SW2 der Stellvorgang ausgelöst und der Schlitten fährt in die gewünschte Position. Das ist auch während des Verfahrens möglich, falls man es sich anders überlegt hat. Im Nothalt-Betrieb kann der Motor durch dauerhafte Betätigung (Totmanntaster) langsam und ungeregelt verfahren werden.

Zwei Taster für die Automatik sind vorhanden:

  • Schlitten Endposition oben SW3
  • Schlitten Endposition unten SW4

Für jede Endposition ist ein Taster angebracht. Das Auslösen signalisiert der Software, dass die gewünschte Position erreicht ist und die Regelung /Motoransteuerung abgeschaltet werden kann.

Nothalt-Taster (Emergency-Stop/E-Stop):

  • Manueller Nothalt SW7
  • Schlitten Nothalt oben SW5
  • Schlitten Nothalt unten SW6

Alle drei Taster haben die gleiche Funktion: Im Notfall den Schlitten zum sofortigen Stillstand zu bringen. Daher sind alle Taster parallel auf einen Eingang geführt. Zwei Taster sind kurz vor den mechanischen Endanschlägen angebracht. Sollte einer der Endpositions-Taster versagen, gibt es diese zusätzliche Sicherheitsebene. Darüber hinaus gibt es auch einen manuellen Nothalt-Taster für den Fall des Falles. Ganz ehrlich: diesen habe ich noch nie benutzen müssen.

USB-Ausgang

Pin 3 (USB Tx) ist zusammen mit Masse an Verbinder J5 herausgeführt. Das erlaubt das Anschließen eines FTDI-Kabels (→Link), um vom AVR ausgegebene Daten am PC-Bildschirm ausgeben zu können. Das ist für Entwicklung und Inbetriebnahmezwecke unverzichtbar, aber für den regulären Betrieb nicht erforderlich.

Rückmeldekanäle

Rückmeldung über zwei Reedrelais

Zwei digitale Ausgänge des AVRs steuern jeweils ein Relais an, welches zur Positionsrückmeldung gedacht ist. Über die beiden Reedrelais K1 & K2 wird eine galvanische Trennung zur Rückmeldeelektronik erreicht. An den Schaltkontakten K1: Pin 1 & 7 bzw. K2: Pin 1 & 7 kann ein beliebiger Rückmeldebaustein angeschlossen werden.

Beispielhaftes “S88-Interface”

Im Schaltplan ist beispielhaft der Anschluss an einen “S88-Rückmelder” skizziert: J4 mit R7 und R8 bilden eine Integration, wie ich sie auch bei mir realisiert habe. Kontakt 2 und 3 an J4 sind die Rückmeldereingänge, die von einem (nicht gezeigten) Rückmeldebaustein ausgelesen werden. R7 bzw. R8 als Pull-Downs sorgen für S88-Massepegel, wenn der Schlitten keine definierte Position hat (Digitalausgänge low, K1 und K2 nicht aktiv). Hat der Schlitten die obere Endposition erreicht, löst K2 aus und Kontakt 3 geht auf S88-5V-Pegel. Das kann von der Rückmeldeelektronik ausgewertet werden. Analog verhält es sich für die untere Schlittenposition mit K1 und Kontakt 2. Da der Schlitten genau zwei Endpositionen hat und dementsprechend zwei Rückmeldekanäle, kann der Aufzug insgesamt wie eine normale Weiche mit Rückmeldern in eine Steuerungsautomatik (Rocrail, TrainController etc) eingebunden werden. So wird dann zuverlässig vermieden, dass der Zug losfährt, bevor der Aufzug bzw. die virtuelle Weiche eine saubere Endposition erreicht hat.

Motoransteuerung (PWM-Signale)

Die Hardware-Oszillatoren, die die zwei PWMs (→Link) generieren, liegen an den Ports B1 & B2 (Pin 15 & 16). Als Grundfrequenz der PWM ist ein Wert von 19,5kHz gewählt worden. Das ist eine vergleichsweise hohe Frequenz, die mit spürbaren Schaltverlusten einhergeht. Aber dafür ist die Motoransteuerung auch im Teillastbereich lautlos bzw. für menschliche Ohren unhörbar. Diese Eigenschaft wird durch die →Anforderungen an den Aufzug definiert. Die PWM Auflösung liegt bei 10 Bit, das entspricht 1024 Stufen. Das ist für die angestrebte Regelung mehr als ausreichend.
Im →Video sind insgesamt drei rote LEDs zu erkennen. Zwei davon sind mit den PWM-Pins verbunden. Sie sind ein Relikt aus der Entwicklungsphase, für den Betrieb sind sie nicht erforderlich und daher auch nicht im Schaltplan eingezeichnet.
Für die Leistungsansteuerung des Motors siehe das nächste Kapitel.

Leistungsendstufe zur Motoransteuerung (150W)

Schaltplan der Leistungsendstufe
Vollbrücke mit großzügigem Kühlkörper

Für die Motoransteuerung generiert der AVR zwei Hardware-PWM-Signale, eines für jede Richtung. Es muss softwaremäßig sichergestellt sein, dass niemals beide PWMs gleichzeitig laufen! Das würde zum Kurzschluss und zur sofortigen Zerstörung der Leistungsstufe führen.

Vollbrücke

Zur präzisen Motoransteuerung in beiden Drehrichtungen kommt eine Vollbrücke auf der Basis von Logic-Level-MOSFETs zum Tragen. Der gewählte N-Typ ist ein IRLZ34N (Q3 & Q4), der P-Typ ein IRF4905 (Q1 & Q2). Bei geringen PWM-Frequenzen von bis zu 10kHz gäbe es praktisch keine Schaltverluste, die MOSFETs könnten ohne Kühlkörper betrieben werden. Durch die höhere Grundfrequenz ist der oben beschriebene Kühlkörper erforderlich.
Die Widerstände R8 bis R15 stellen die passenden Gate-Spannungen ein.
Obwohl die MOSFETs bereits interne Freilaufdioden haben, wurden sicherheitshalber externe, großzügig dimensionierte Schottkydioden vorgesehen. Die MBR1560 (D4 – D7) kann bis zu 15A verkraften, was mir beim verwendeten Motor (→siehe Mechanik) mit großer Eigeninduktivität angemessen erschien. Sie kommen ebenfalls im TO220-Gehäuse und können daher mit an den Kühlkörper angeschlossen werden. Achtung! Alle thermischen Kontaktflächen haben unterschiedliche elektrische Potentiale; also überall Glimmerplättchen unterlegen! Sonst gibt es üble Kurzschlüsse (das macht bei einem 500W-Netzteil keinen Spaß).
Die Schaltverluste der PWM halten sich in Grenzen; ein großzügiger Kühlkörper sorgt auch bei Dauerbetrieb für geringe Temperaturen und wird nur handwarm. Daher schätze ich die Schaltverluste auf ca. 5-10W.

Spannungsstabilisierung

Aufgrund der hohen PWM-Frequenz wurde mit C7 bis C12 eine zusätzliche Spannungsstabilisierung umgesetzt. Das nimmt Lastschwingungen von der 12V-Versorgung und macht dem Netzteil das Leben nicht unnötig schwer. Die Kondensatoren sollten daher Low-ESR-Typen und nah an den MOSFETs angeordnet sein. Ebenfalls wurde eine 10A-Drossel (L2) in die 12V Zuleitung interiert.

Fazit

Die Elektronik ist robust und überzeugt durch sehr gute, zuverlässige Funktion (→Link zum Video). Oft zeigt sich erst nach einigen Betriebsstunden, ob ein neues Schaltungsdesign dauerhaft zuverlässig funktioniert. Das ist hier der Fall.

Die Elektronik im Aufzug

Ich bin gespannt, ob sich hierfür Nachahmer finden! Euer



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