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m Anfang dieses Beitrags muss eine Abgrenzung stehen.Zum einen kann die Funktionsanalyse für ein solcheshochtech nolo gisches Produkt an dieser Stelle nurrelativ eingeschränkt vorgenommen und auch nurpopulärwissenschaftlich dargestellt werden. Es bringt

nicht viel, wenn man erst ein Studium der Informatik absolvierthaben muss, um das Geschriebene zu verstehen. Im Mittelpunktdieses Beitrags steht, unter dem obigen Vorbehalt, die Vermittlungvon technischem Hintergrundwissen und die Darstellung der sichdaraus ergebenen Vorteile, sowie eine labormäßige Überprüfungder Komponenten.

FunktionszusammenhängeBeim PowerBus-System haben wir es mit einem seriellen Bus zutun. Wie bei einem Bus, der viele Personen in einem Fahrzeug trans-portiert, werden viele Daten auf einer Leitung übertragen. Bei diesermodernen Art der Datenübertragung hängen alle Teilnehmer, alleAktoren, oder eben alle Servos an einer Datenleitung und beziehenihre Informationen von dieser gemeinsamen Leitung. Diese Struk-

Die moderne Datenverarbeitung muss eine immer größer werdende Datenflut

bewältigen. Über viele einzelne parallel verlegte Leitungen ist das nur noch

sehr schwer zu realisieren. Das Zauberwort heißt Bustechnologie. Bei der Firma

PowerBox Systems läuft diese Technologie unter dem Namen PowerBus.

Was hinter diesem System steckt, wie es funktioniert, aufgebaut und angewandt

wird, hat unser Experte Karl-Heinz Keufner zusammengestellt

digital Total

GPS

TELE

TELEPowerBus DISPL

AY

SAT1 SAT2SAT3 SAT4

RX1

RX2 BATT2

BATT1

Mit demPowerBus ist

alles ganz einfachund sicher!

turen sind uns alle aus dem täglichen Leben bekannt. Der An schlussvon externen Zusatzgeräten an einen PC erfolgt heute vorzugsweiseüber eine USB-Schnittstelle, über einen universellen seriellen Bus.Oder man denke nur an eine moderne ISDN Tele kommunikations-Anlage. An einem ISDN-Bus, an eine digitale Datenleitung, könnenmehrere digitale Telefone oder entsprechende andere Endgeräte an-geschlossen werden. Damit man herkömmliche analoge Telefoneweiter verwenden kann, gibt es entsprechende Adapter, die auf denBus geschaltet werden können. Aus der professionellen Telekom-munikationstechnik ist die ISDN-Bus Technologie nicht mehr weg-zudenken.

Eine sternförmige Verkabelung, bei der jedes Telefon, jedes Fax-gerät einzeln und separat mit der Telefon-Anlage verbunden ist, istviel zu aufwändig und störanfällig. Aber genau so machen wir esbisher in unseren Flugmodellen. Alle Teilnehmer, alle Servosbeziehen ihre Informationen über eine jeweils eigene Datenleitung.Das führt zu einer umfangreichen, unübersichtlichen Verkabelung,mit nicht unerheblichem Gewicht. Jeder der schon einmal die Ver-kabelung eines Seglers mit jeweils drei Ruder- und einer Störklappepro Flächenhälfte erstellt hat, weiß wovon die Rede ist und wird sichfreuen, wenn das jetzt alles mit einer Leitung erledigt werden kann.

Die Daten auf der Busleitung sind verschlüsselt und tragen zu-sätzlich einen Adress-Code. Die auf den Bus aufgeschalteten Servoskennen diese Codierung und verarbeiten nur die für sie jeweils rele-vanten Informationen, der Rest des Datenstroms wird absolut igno-riert und verworfen. Vereinfacht ausgedrückt heißt das: Das Quer-ruder Servo in der linken Fläche kennt seine eigene digitale Adresseund entnimmt dem Datenstrom nur an sich adressierte Informatio-nen und führt die entsprechenden Bewegungen für die linke Quer-ruderklappe aus.

Der Einsatz eines Bussystems zur Servosteuerung räumt gleich-zeitig mit einer Unsitte der herkömmlichen Fernsteuerungs-Tech-nologie auf. Da werden im Sender voll digitale Signale generiert, diedie aktuellen Geberpositionen codiert darstellen, und dann z.B. als12-Bit Datenstrom im 2,4 GHz-Band mit hoher Datendichte seriellauf einer Funkverbindung zum Empfänger übertragen, um dortvom Prozessor in, sagen wir mal, in nicht mehr ganz zeitgemäße,pulsweiten modulierte Impulstelegramme, getrennt für alle Kanäle,umgewandelt zu werden. Diese PWM (Pulsweiten modulierte)-Sig-nale werden sternförmig an die jeweiligen Aktoren, die Servos weitergegeben, um dort beim Einsatz moderner Digitalservos, wieder inein voll digitales Signal umgewandelt zu werden. Es ist nicht nur so,dass diese mehrfache Konvertierung des Datenstroms Zeit kostet,es besteht auch grundsätzlich die Gefahr, dass sich bei einerUmwand lung Fehler und Ungenauigkeiten einschleichen. Nutzt

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VIIelektroModell 10/2014

man ein Bussystem, besteht eine komplette digitale Verbindungvom Impulsteil des Senders zum HF-Modul, über den 2,4 GHz-Funkkanal zum Empfänger und von dort zu den Servos. Das istheute üblicher Stand in der Übertragungs- und Steuerungstechnik.

EvolutionsstufenIn den vier vom Autor erstellten Abbildungen wird diese Entwick -lung schematisch dargestellt. In der Abbildung 1 wird der Zustandgezeigt, wie er heute noch in vielen kleinen und mittleren Modelleneingesetzt wird. Die einzelnen Servos für die beiden Flächenhälftenund das Leitwerk, wobei zwei Höhenruderservos vorgesehen sind,werden direkt an die entsprechenden Empfängerausgänge ange-schlossen. Die Stromversorgung, die hier nicht wieder gegeben ist,erfolgt über den Empfänger. Jedes Servo wird über eine separatedreiadrige Leitung mit Daten und elektrischer Energie versorgt. Aufden Datenleitungen herrscht eine sehr geringe Datendichte, es wirdfür jedes Servo ein PWM-Signal übertragen. Für Großmodelle bieteteine Bordelektronik nach diesem Schema nicht genügendSicherheit. Es fehlt an jeglicher Redundanz, in erster Linie bei derStromversorgung.

Bei einer Konfektionierung, wie sie in der Abbildung 2 dargestelltwird, ist dieses Problem schon mal gelöst. Eine leistungsfähigeWeiche wird zwischen Empfänger und Servos geschaltet. Haupt -vorteil dabei ist, dass die Bordelektronik aus zwei unabhängigen Ak-kus versorgt wird, diese redundante Stromversorgung sorgt für er-heblich mehr Sicherheit. Außer dass eine solche Weiche eine stabi-lisierte konstante Spannung bereitstellt, bringt der Einsatz nochviele weitere sicherheitsrelevante Vorteile mit sich. Die wesent -lichsten Features dabei sind eine Verstärkung der Servo impulsesowie eine Unterdrückung von Störimpulsen, weiterhin eine Ent-kopplung der einzelnen Servos. Dazu erhöht sich der Komfort z.B.durch integrierte Servomatch-Funktionen deutlich. Allerdings hatdurch diesen Aufbau der Verdrahtungsaufwand weiter zugenom -men. Für jeden Kanal ist ein zusätzliches Patchkabel zwischen demAusgang des Empfängers und dem Eingang der Weiche notwendig,weil eingangs- und ausgangseitig mit PWM-Signalen gearbeitetwird. Auf den einzelnen Signalleitungen herrscht nur eine sehr ge-ringe Datendichte. Außerdem besteht, was die eigentliche Emp-fangseinheit angeht, keine Redundanz, da nur ein Empfänger zumEinsatz kommt.

Bild 1: Die herkömmlicheArt der Verschaltungder Komponentender Bordelektronikbietet keinerleizusätzliche Sicher-heit

Bild 2: Bereits wesentlichbesser und komfort-abler ist der Einsatzeiner leistungsfähi-gen Akkuweiche

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Eine Bordelektronik, die nach dem Schema der Abbildung 3 auf-gebaut ist, schließt auch diese Sicherheitslücke, es kommen zweiEmpfänger zum Einsatz. Die lassen sich nun aber nicht mehr, bzw.nur noch mit sehr viel Aufwand, einzeln verkabeln. Der Einsatzeines seriellen Bussystems, wie in der Abbildung dargestellt, istpraktisch zwingend erforderlich. Moderne Empfänger stellen fürdiesen Zweck entsprechende Ports bereit. Dort werden mit hoherDatendichte die Informationen seriell von den Empfängern an dieWeiche angekoppelt. Dabei werden digital codierte Signale, diesowohl Adress- wie auch Stelldaten enthalten, übertragen. Das istaktueller Stand in der professionellen Übertragungstechnik aufvielen Gebieten. Allerdings entsprechen bei diesem System die Ser-voanschlüsse noch nicht diesen Maßstäben. Es wird praktisch nochmit einer quasi analogen Datenübertragung mittels PWM, mit In-formationen in Form von Impulsen variabler Breite, getrennt fürjedes Servos, gearbeitet. Da ist noch Luft nach oben.

Diesen Schritt hat PowerBox Systems mit dem PowerBus reali-siert. Die Abbildung 4 gibt diese Zusammenhänge schematischwieder. Von einer busfähigen Weiche werden über entsprechenddimensionierte dreiadrige Kabel serielle Impulsketten für alle an-zusteuernden Servos ausgesendet. Außerdem wird über diese Bus-leitung die notwendige Stromversorgung für die Servos sicherge-stellt. Sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig wird mit hoherDa tendichte gearbeitet. Dadurch wird der Verdrahtungsaufwandminimiert und es besteht praktisch eine durchgehend digitaleVerbin dung für den Informationsfluss, vom Sender bis zu denServos. Die Daten sind verschlüsselt und tragen zusätzlich einenAdress-Code. Die auf den Bus aufgeschalteten Servos kennen diese

Codierung und verarbeiten nur die für sie jeweils relevanten Infor-mationen, der Rest des Datenstroms wird von ihnen absolut igno-riert. Vereinfacht ausgedrückt heißt das: Das Querruder Servo inder linken Fläche kennt seine eigene digital verschlüsselte Adresseund entnimmt dem Datenstrom nur an sich adressierte Informa-tionen und führt die entsprechenden Bewegungen für die linkeQuer ruderklappe aus. Durch den Wegfall der einzelnen Servover-bindungen lässt sich einiges an Gewicht sparen. Diese Art der Ser-voanbindung entspricht dem heutigen Stand der Technik, heutigenMaßstäben.

Komponenten des PowerBus-SystemsMit dem PowerBus Splitter wird ein Verteilerbaustein zur Verfügunggestellt, der immer dann benötigt wird, wenn die an der PowerBox-Weiche vorhandenen Busausgänge nicht ausreichen. Sollen zumBeispiel, wie in der Abbildung 4 dargestellt, beide Tragflächen unddas Leitwerk mit Bustechnik angesteuert werden, sind dreiBusstränge erforderlich. Der PowerBus verwaltet bis zu 16 propor-tionale und zwei Schaltkanäle. Um alles komfortabel zu nutzen be-nötigt man diese Bausteine. Der Splitter ist in einem kleinen undleichten, eindeutig beschriftetem Kunststoffgehäuse untergebracht.Die Anschlüsse erfolgen über kontaktsichere, hochbelastbare MPX-Stecksysteme. Passende hochwertig gefertigte Kabelsätze stehen inverschiedenen Ausführungen zur Verfügung, die Verkabelung derBusstränge ist dadurch ganz einfach zu realisieren.

Um handelsübliche Servos anzusteuern, braucht man Adapter.PowerBox Systems hält dafür zwei verschiedene Typen bereit. DerPowerBus to PWM Adapter wird für herkömmliche Servos

Bild 3: Durch die Redun-danz der Empfangs-anlage und denWegfall der vieleneingangsseitigenPatchkabel wird dieSicherheit nochmalsum ein vielfachesgesteigert

Bild 4: Der aktuell letzteStand der Dinge,eine komplett digitale Anbindungder Komponentender Bordelektronik

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verwendet, die keinen Bus Decoder eingebaut haben. Für dieseServos wird das Bus-Signal im Adapter decodiert und als normalesPWM-Signal ausgegeben. Die gewünschte Kanalzuordnung lässtsich problemlos im Adapter vorgeben, der Vorgang ist gut in der Be-dienungsanleitung beschrieben. Schließt man bei gedrückter Set-Taste das Buskabel an den Eingang des Adapters, leuchten nachei-nander die den Servoausgängen zugeordneten LEDs auf. Sobald dergewünschte Ausgang aktiv ist, lässt man die Taste los. Die LEDleuchtet dann nur noch schwach. Durch mehrfache Betätigung derSet-Taste gibt man dann den Kanal vor, dessen PWM-Signale an die-sem Servoport ausgegeben werden sollen. Sollen z.B. die Daten vonKanal 4 ausgegeben werden, muss die Taste viermal betätigt werden.Die Einstellungen werden dauerhaft gespeichert. Um einen weiterenPort zu konfigurieren, muss der Adapter erst kurz vom Bus getrenntwerden. Auf diese Art und Weise lassen sich praktisch alle modernenServos am PowerBus betreiben. Auf die Konfiguration der PowerBoxWeiche, die mit diesen Einstellungen konform gehen muss, soll andieser Stelle nicht weiter eingegangen werden, durch die freie Ka-nalzuordnung im Output Mapping-Menü der Weiche ist es möglich,den Bus ganz individuell zu belegen.

Elektronische Sicherungen an den AusgängenWichtig zu wissen ist, dass die Servoanschlüsse sowohl auf der Da-tenleitung, als auch auf der Spannungsversorgung mit elektron -ischen Sicherungen ausgerüstet sind. Es wäre ein großer Nachteil,wenn durch ein einzelnes defektes Servo sämtliche Ruder ma schi -nen, die am Bus betrieben werden, in ihrer Funktion gestört werden.Wenn ein Servo z.B. durch ein fehlerhaftes Bauteil einen Kurzschluss

im Signaleingang erzeugt, wird dieser Port innerhalb weniger Mi-krosekunden abgeschaltet, die Busleitung wird nicht blockiert, alleanderen Servos können ungestört weiterarbeiten. Das gilt ingleichem Maß auch für die Stromversorgung eines Servos. Die ein-gesetzten elektronischen Sicherungen schalten sofort wieder frei,wenn der Fehler behoben ist, es muss nur das defekte Servogetauscht werden. Darüber hinaus sind in einem Adapter Impuls-verstärker für alle Servoausgänge und für den weiterführenden Bus-ausgang integriert. Dadurch lassen sich mehrere Busadapter inReihe schalten.

PowerBus spricht S-BusDer PowerBus zu BUS-Adapter hat keinen integrierten Decoder. Erwird für Servos verwendet, die bereits einen Bus Decoder eingebauthaben, die gewünschte Kanalzuordnung wird direkt im Servo vor-genommen. Der PowerBus ist kompatibel mit S-Bus Servos derFirma Robbe/Futaba, daher lassen sich sämtliche Servos dieses Typsdirekt am Bus to Bus Adapter betreiben. Es gibt verschiedeneMöglich keiten um ein S-Bus Servo zu programmieren, d.h. die rich-tige Kanalzuordnung vorzunehmen. Robbe/Futaba hält entspre-chende Geräte und Anleitungen parat. Natürlich sind auch die Aus-gänge eines Bus to Bus-Adapters gegen Kurzschlüsse gesichert undmit Impulsverstärkers ausgestattet.

Für den Aufbau der Busstränge hält die Firma PowerBox Systemein spezielles hochflexibles dreiadriges Kabel vor. Es gibt dieses spe-zielle Kabel, bei dem die Signalleitung einen geringeren Querschnittaufweist, als Meterware oder als fertig konfektionierte Leitung inunterschiedlichen Längen. Wer die MPX-Stecker und Buchsen selber

Mitdiesem

Logowirbt die

FirmaPower-

BoxSystems

für ihrBussys-

tem

Ausgangspunkt für das servoseitige Bussystem isteine Weiche aus dem Sortiment der Fa. PowerBoxSystems

Um einen zusätzlichen Busstrang zu generieren wird der PowerBus Splitterbenötigt

Komponenten für ein PowerBus System

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anlöten will, findet in der Bedienungsanleitung der Adapter genaueHinweise mit Anschlussbildern.

Praktische UntersuchungenIm Labor wurden die Komponenten einem Funktionstest unter -zogen. Alles ist leicht zu realisieren, ganz schnell zusammengesteckt. Nachdem die Weiche konfiguriert, die Kanalzuordnungvorgegeben worden war, gelang genauso mühelos die Programmie-rung eines PWM-Adapters. Im Handumdrehen ließen sich vier nor-male Digitalservos unterschiedlicher Firmen problemlos betreiben.Es gab keinerlei Auffälligkeiten, alles funktionierte tadellos, sämt -liche Steuerbefehle wurden exakt umgesetzt. Für den Test stand einRobbe/Futaba S-Bus HV Servo vom Typ S3070 zur Verfügung. Auchdieses, vor dem Einsatz programmierte Servo funktionierte am Busto Bus-Adapter vollkommen problemlos.

Natürlich wurde das Verhalten bei einem Kurzschluss sowohlauf der Signal, als auch auf den Versorgungsleitungen untersucht.Dazu wurde ein Servo über ein speziell präpariertes Verlängerungs-kabel angeschlossen, bei dem die Isolierung teilweise entfernt war.So ließen sich leicht Kurzschlüsse simulieren, dabei funkte es, alsob man einen mehrzelligen Flugakku ohne Blitzschutz mit demController verbindet. Es konnte eindeutig nachgewiesen werden,dass Verbindungen zwischen den Adern des Servokabels keinerlei

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negative Auswirkungen auf die Funktionsweise der anderen Servoshatten, die zuckten überhaupt nicht, konnten aber wie gewohnt be-tätigt werden. Nach Beseitigung des Kurzschlusses waren die Funk-tionen des Servos sofort wieder gegeben. Dieses Feature ist ein Al-leinstellungsmerkmal für den PowerBus. Bei den mehrfach direkthintereinander durchgeführten Versuchen, erwärmten sich die Ser-vokabel praktisch überhaupt nicht, zu einem Kabelbrand kann esdeshalb niemals kommen. Die elektronischen Sicherungen arbeiteneinwandfrei.

Nun muss ein Servo nicht immer gleich einen elektrischen Defektaufweisen, auch eine mechanische Blockierung kann schwer -wiegende Folgen für das ganze System nach sich ziehen. Daherwurde auch das Verhalten bei einem blockierten Servo simuliert.Für diese Versuche wurde ein Ultra Torque Servo, das bei 7,4 V einerBelastung von über 30 kg/cm standhält, eingesetzt. Zuerst wurdedas Servo unter extremen Bedienungen am PowerBus betrieben.Mittels einer Kofferwaage wurde auf den metallischen Abtriebshebeleine Zugbelastung von über 15 Kilogramm aufgebracht. Das Servowurde damit, im Gegensatz zum Autor, spielend fertig, es hielt da-gegen und ließ sich nicht aus der Neutralposition bringen. Bei dergenannten Belastung wurde ein Strom aufgenommen, der rund 1,8 A betrug. Die Anstrengung hat sich gelohnt, es konnte nachge-wiesen werden, dass der elektronischen Sicherungen im Bus to

An den Bus to PWM Adapter können normale Digital- undAnalogservos angeschlossen werden

Der Bus to Bus Adapter dient zum direkten Anschluss von Servosmit integriertem Busdecoder

Mit Hilfe solcher fertig konfek-tionierter Busleitungen, die inverschiedenen Längen erhält-lich sind, gelingt mühelos dieVerkabelung innerhalb einesModells

Ein modernes Servo mit integriertem Bus Decoder, wie sie vonder Fa. Robbe/Futaba bereit gehalten werden, können direkt amBus to Bus Adapter betrieben werden

Wer selber Buskabel konfektionieren möchte, findet dieAnschlussbelegung in der Bedienungsanleitung

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FazitDer PowerBus ermöglicht einen völlig neuen Aufbau der Servo -ver kabelung, mit einer deutlichen Reduzierung des Kabelauf-wands, gleichzeitig bietet er zusätzlichen Schutz vor einemServodefekt. Wer hochwertige Servos ohne Busdecoder besitzt,kann diese über einen PWM Adapters weiterhin benutzen. Bei den realitätsnahen Labortests funktionierte alles tadellos.Die Fa. PowerBox Systems hat wieder einmal etwas vollkom-men Neues ins Programm genommen, das die Sicherheit beimBetrieb eines Modellflugzeuges deutlich verbessert.

PWM-Adapter auch sehr starken Belastungen gewachsen sind.Selbst wenn ein Großmodell nach einem rasanten Sturzflugdurch einen kräftigen Höhenruderausschlag abgefangen wird,muss man nicht befürchten, dass wegen der elektronischen Si-cherungen Beeinträchtigungen zu erwarten sind. Es muss schonein richtig schwerwiegender Fehler, wie z.B. ein Schmorbrandim Servo vorliegen, damit es zur Abschaltung kommt.

Interessant ist in diesem Zusammenhang die Höhe des Ab-schaltstromes. Aus Furcht vor Zerstörung des hochwertigenServos durch eine direkte Blockade, wurde eine regelbare Strom-senke an die Versorgungsleitungen des PowerBusses angeschlos-sen. In mehreren Durchgängen kam es jeweils bei einem Stromvon etwa 6,2 A bis 7,0 A zur Abschaltung. Bei einer so hohenStromaufnahme muss es sich um einen schweren Betriebsfehlerdes Servos handeln. Selbst beim stärksten Abfangmanöverwerden so hohe Dauerströme keinesfalls benötigt.

Karl-Heinz Keufner

PowerBus Splitter

Betriebsspannung: 4,0 V – 9,0 V (2S Li- bzw. 5S Ni-Zellen)Strombelastbarkeit: max. 30 ASignaleingang: PowerBusTemperaturbereich: -30 oC bis +75 oCAbmessungen: 59 mm x 33 mm x 9 mmGewicht: ca.17 g

Preis (UVP): 39,90 Euro

PowerBus to PWM AdapterBetriebsspannung: 4,0 V – 9,0 V (2S Li- bzw. 5S Ni-Zellen)Strombelastbarkeit: max. 20 ASignaleingang: PowerBusKanäle: 18Servoausgänge: 4Auflösung der Servoimpulse: 0,5 µsTemperaturbereich: -30 oC bis +75 oCAbmessungen: 59 mm x 33 mm x 9 mmGewicht: ca. 17 g

Preis (UVP): 44,90 Euro

PowerBus to Bus AdapterBetriebsspannung: 4,0 V – 9,0 V (2S Li- bzw. 5S Ni-Zellen)Strombelastbarkeit: max. 20 ASignaleingang: PowerBusKanäle: 18Servoausgänge: 4Temperaturbereich: -30 oC bis +75 oCAbmessungen: 59 mm x 33 mm x 9 mmGewicht: ca. 17 g

Preis (UVP): 39,90 Euro

DATEN

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