Winde


Entwurf, Bau und Evolution einer elektronisch geregelten Winde für Modellflugzeuge.
Projektbeginn der ersten Version ca. 1990

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Ziel des Projekts war eine Hochstartwinde, die einerseits 5kg schwere Segler schnell in die Luft bringt aber gleichermaßen 1kg Leichtwindsegler schleppt, ohne sie in der Luft zu zerreißen. Eine elektronische Regelung muss her.
Da ich (leider) überwiegend alleine fliege, muss das teil durch ein Gaspedal gesteuert werden, da die Hände ja am Fernsteuersender gebraucht werden.

Als Motor stand damals ein Autoanlasser zur Verfügung. Allerdings haben wir den Lagerschild als Drehteil mit Kugellager neu erstellt, da beim Original ein Kupplung mit Zahnrad an dieser Stelle saß. Darauf haääte man nur schwer eine Seiltrommel befestigen können.

Bild "winde_hinten.jpg"

Die Trommel fasst ca. 1000m Nylonseil, das per Umlenkrolle eine Schleppstrecke von 500m erlaubt. Abhängig von Wind und Gewicht des Seglers, erlaubt das Ausklinkhöhen von 400m.
Allerdings habe ich bisher lediglich 400m Seil verwendet.

Bild "Winde_umlenk.jpg"

Die Elektronik

Da der Motor 1.5 kW Leistung umsetzt, müssen Ströme von weit über 100A in den Griff bekommen werden.
In Kombination einer PWM Steuerung mit den in den 90er Jahren endlich günstig verfügbaren MOS-FETs (hier BUZ14) erlaubten eine verlustfreie Leistungssteuerung.

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Mittels eines NE555 zur Takterzeugung und Takterzeugung und einer Konstantspannungsquelle wird ein Sägezahnsignal erzeugt. Das Gaspedal verschiebt einen Schwellwert, der über einen analogen Komparator mit der Sägezahnspannung verglichen wird. Der Komparatorausgang erzeugt somit ein Rechtecksignal, dessen Tastverhältnis proportional zur Pedalstellung ist.

Bild "Winde_schaltung.jpg"
Winde_schaltung-HD.jpg

Designtücken

Die verwendeten BUZ14 MOS-FETs brauchen zum sauberen Durchsteuern eine recht hohe Gate-Source Spannung. Durch Einbruch der Batteriespannung war das nicht 100%ig gewährleistet. Durch eine Diode am Eingang der Spannung und einen groß bemessenen Elko konnte die Eingangsspannung der Platine sogar etwas über die Batteriespannung angehoben werden. Schaltspitzen auf der Batteriespannung laden den Kondensator höher als UBatt auf.

Bild "Winde_esb.jpg"
Um die kostbaren MOSFETs zu schützen habe ich allerlei Zusatzbeschaltung eingebaut, die die Spannungsspitzen durch Freilauf des Stroms verhindern sollten. Allerdings gilt es 100A kurzfristig weiterfließen zu lassen. Die Folge war, das klein dimensionierte Schottky-Dioden durch zusätzliche Transistoren unterstützt werden mussten.
Bild "Winde-Module.jpg"

Verbesserung 2005

Durch leichte Tiefpassfilterung der Gate-Source Spannung wird die Schaltgeschwindigkeit heruntergesetzt und die Spannungsspitzen vermieden. Das scheint in diesem Fall die simpelste Methode zu sein.

Das Pedal

Zunächst lag für mich nahe, ein Nähmaschinenpedal zu verwenden. Da allerdings die älteren Exemplare, die mir zur Verfügung standen, ziemlich niederohmig sind, da sie direkt den Motorstrom steuern musste also selbst eins gebaut werden.

Bild "winde_pedal.jpg"  Bild "winde_pedal-offen.jpg"
Die Pedalwippe wirkt auf einen Hebel, der eine Achse dreht. Diese Drehbewegung wird per Hebel auf ein Zahnrad übertragen, das über ein kleineres Zahnrad auf die Achse eines Drehpotis wirkt. Klingt kompliziert - allerdings musste ein recht kleiner Fußweg auf einen großen Drehwinkel des Potis umgesetzt werden. Außerdem sollte das Poti mechanisch geschützt werden.
  

Erfahrungen mit dem Prototyp

Trommel

Die erste Version der Winde verwendete Teile einer Kabeltrommel. Da die Seitenscheiben recht groß waren entstand eine erhebliche Schwungmasse. Die Beschleunigung aus dem Stillstand war daher eher bescheiden. Besonders in der ersten Flugphase kommt es auf schnelle Beschleunigung an, damit schnell der benötigte Auftrieb an den Tragflächen anliegt.
Nach Beenden des Starts laufen die schweren Scheiben kräftig nach - auch das ist eine ungewünschter Effekt.
Es wurden kleine Aluscheiben hergestellt, die die Probleme weitestgehend lösten.

Bild "Winde_proto.jpg"

Bremse

Bei Profiwinden wird ein Kugelfreilauf verwendet, um in der Startphase, bei der das Nylonseil stark gedehnt wird ein schnelles Rücklaufen der Trommel zu verhindern, wenn kurz vom Gas gegangen wird. Solch ein Rücklaufen der Trommel führt zum kompletten "Seilsalat" und muss unbedingt verhindert werden.
Ich habe den sehr einfachen Weg gewählt. Eine Alustange mit einer Schraube, die mit einem Gummischlauch überzogen ist, liegt an einer Seitenscheibe der Trommel an. Läuft die Trommel zurück, so sperrt dieser Mechanismus. Wenn nach dem Start das Seil neu ausgezogen wird, legnt man einfach den Hebel um - weg von der Trommel, damit diese sich in die andere Richtung drehen lässt.  

Bild "winde_sperre.jpg"

Layout

Hier der Scan des auf Folie geklebten Layouts.
Bild "Winde_layout.jpg"
Winde_layout-HD.jpg