Allrad E-Bobby-Car

Inspiriert durch Fisch habe ich ein Allrad getriebenes Elektro-Bobby-Car gebaut.

Die ursprüngliche Firmware wurde von Rene, Nico und Niklas auf Basis von STMBL programmiert (hoverboard-firmware-hack). Ich habe Fahrtmodi und sanftes anfahren und bremsen ergänzt: hoverboard-firmware-hack-bbcar. Eine deutliche Weiterentwicklung des ursprünglichen hoverboard-firmware-hack ist hoverboard-firmware-hack-FOC. Das Bobbycar fährt nun fast geräuschlos und deutlich effizienter. Fehler, wie lose Motorkabel oder defekte Sensoren werden nun von der Firmware erkannt. Ich habe begonnen meinen bbcar-Mod auf die neue Firmwarebasis zu porten. Das ist noch nicht ganz fertig, fährt aber schon ganz gut.

Gesteuert wird es über 2 Potis am Lenkrad. Wenn man beide los lässt bremst es. Gegenschub verstärkt das Bremsen.
Rechts = vorwärts
Links = bremsen oder rückwärts

Fahrtmodi

Es gibt 4 Modi die man beim einschalten wählen kann (km/h bezogen auf volle, gute 12s):

  • Modus 1 – Kinder: linker Poti, max Speed ~3 km/h, sehr langsamer Rückwärtsgang, ohne Turbo
  • Modus 2 – STVO: einfach nur einschalten, max Speed ~<6 km/h (kontrollieren!), etwas langsamerer Rückwärtsgang, ohne Turbo
  • Modus 3 – Fun: rechter Poti, max Speed ~12 km/h, ohne Turbo
  • Modus 4 – Power: beide Potis, max Speed ~22 km/h, mit Turbo ~29 km/h

Beim einschalten wird nach dem düdelit der Modus gepiept. Je mehr Piepse, desto schneller. Der default Modus ist der STVO-konforme Modus 2. Die anderen wählt man indem man Potis beim einschalten gedrückt hält.

Turbo

Feldschwächung wird nur aktiviert wenn man schon sehr schnell und in Modus 4 ist. So gehts: Rechts voll drücken und warten bis man schnell ist, dann zusätzlich links schnell voll drücken. Achtung, das ist schon gefährlich schnell. Ich rate zu Schutzkleidung. Lenken sollte man im Turbo besser garnicht.

Technischer Hintergrund

Die Poti-Eingaben werden stark bedämpft, dadurch entsteht eine Art Anfahr- und Bremsrampe. Bei jedem Durchlauf der Main-Schleife in main.c wird der Ausgangswert neu berechnet:
PWM_Ausgang = PWM_Ausgang * 0.99 // bremst wenn man keinen Poti drückt
PWM_Ausgang -= Rückwärts_Poti * R_Faktor
PWM_Ausgang += Vorwärts_Poti * V_Faktor
PWM_Ausgang geht von -1000 bis 1000.
Wenn PWM_Ausgang >800 kann Feldschwächung (Turbo) dazugeschaltet werden. Mehr als 400 habe ich nicht getestet, man sollte hier vorsichtig sein. Der Modus verheizt viel Energie und sollte nicht dauerhaft genutzt werden. Ich hatte aber bisher keine Hitzeprobleme.

Leistung und so

Die Batteriestrombegrenzung steht auf insgesamt 60A (config.h: DC_CUR_LIMIT 15). Bei 12s macht das rechnerisch 3,8V*12s*15A*4Motoren = 2736W. Gemessen wurden 1800W Spitze beim beschleunigen. Ein 8Ah Akku ist nach ca. 1-4h rumfahren ca. halb leer. 6,5 km schnelles fahren mit gelegentlichem Turbo verbraucht ca. 1/3- 1/4 des Akkus. Auch mit geschlossener Bodenklappe (Plexiglasscheibe) ist die Kühlung des Innenlebens und der Motoren ausreichend. Möglicherweise lässt sich die Turbo-Geschwindigkeit durch eine Erhöhung der Strombegrenzung weiter steigern.

Ladeanschluss

Bautipps

Radaufhängung vorne

Eine gedruckte Vorderradaufhängung ist eine gute Zwischenlösung bis man sie aus Metall baut. Früher oder später wird sie aber brechen. Die Teile müssen vor dem Zusammenbau so gefeilt werden, dass die Vorspannung nicht so groß und nicht zu klein ist. Das Rad muss wackelfrei geklemmt sein. Bei zu viel Vorspannung bricht es aber schnell.

Druckeinstellungen

PETG, evtl. mal ABS testen? Perimeter, Top, Bottom: ~7mm; Infill: 30% Full Honeycomb; Multiplier und Temperatur so einstellen, dass es wenig Lücken und einen guten Layerhalt gibt. Das große Teil sollte etwa 190g wiegen. Es wird durch Schrauben verstärkt, s. BOM.ods. Hier mit 0,8mm Nozzle: Download

Lenkstab

10mm Baumarkt-Stahl ist robust genug, 10mm Gewindestange nicht. Biegen mit stabilem Schraubstock und Rohr als Hebel. Am Lenkrad habe ich einen 5mm Spannstift benutzt. Das ist deutlich besser als eine Schraube, aber auch nicht optimal. Das Loch erweitert sich mit der Zeit und der Stift rutscht hin und her. Besser wäre hier eine Passfeder. Wirklich stabil ist es mit der 3D-Druckmanschette (siehe Download unten). Da wo die Stange oben aus dem Chassis raus kommt ist das Loch nicht stabil genug. Dort von innen eine Verstärkung anbringen. Dort am besten eine gute Lagerung vorsehen. Stahl reibt Kunststoff auf Dauer ab. Ich werde vermutlich als nächstes Kugellager verbauen.

(veraltet)
(veraltet)

Radaufhängung hinten

20*10*1 cm Aluplatte, Nuten fräsen. Im inneren ~4*5 cm Holzbalken von der Aluplatte bis in die Höcker oben stecken. Die Form ist recht komplex, ist aber machbar. Oben rund feilen unten anschrägen. Idealerweise das Plastik hinten bis auf Höhe der org Achse abschneiden und seitlich an den Balken schrauben. Alternativ nicht aufschneiden und die Aluplatte durchs Plastik in den Balken spaxen. Dann ist es hinten aber recht hoch was den Fahrkompfort stark mindert weil man die Beine höher halten muss.

Elektronik

Rein kommen 2 Hoverboardplatinen. Die Potis werden direkt an beide Platien angeschlossen. R1, R2, R3, R4 dienen mit den Potis zusammen als Spannungsteiler. Die ADCs haben eine Gesamtrange von 0-4095 was 0-3,3V entspricht. In der oben gezeigten Schaltung ergibt sich eine Range von ca. 350-1100. Das sind die ersten beiden Werte die im Serial-Debug-Output angezeigt werden. Löst sich eines oder alle Kabel zum Lenkrad, wirken nur noch R1, R2, R3, R4 und ziehen die ADCs auf GND. Es ergibt sich ein ADC-Wert von ca. 0 und das Bobby Car bremst. C1, C2, C3, C4 sollen Störungen wegfiltern und als primitiver EMV-Schutz dienen. Da per Software aber schon sehr stark gefiltert wird, kann man die evtl. auch weg lassen. Die Rs und Cs sollten direkt auf die Platine gelötet werden. Die Cs, weil sie weiter weg nichts bringen und die Rs, weil es gefährlich ist wenn sie ab reissen können.

Um ein möglichst gleiches GND-Potential auf beiden Platinen zu haben, muss GND der Platinen mit einem kurzen dicken Kabel verbunden werden.

Gut geeignet sind die Schultertasten vom xbox 360 Gamepad (siehe Absatz „EMV-Probleme“). Die org Microsoft Dinger haben sehr gute Potis. Es ist ziehmlich fummelig die ins Lenkrad zu bekommen, man muss etwas dran rumschnitzen damit sich nichts verkeilt. Dann vorsichtig mit Heißkleber fixieren und eine gedruckte Schutzhaube drüberkleben.

Den Einschalter direkt an beide Platinen anschließen. Beim flashen (sonst nicht) kommt es manchmal dazu, dass eine Platine an und eine aus ist. Ist nicht schlimm, die aus-Platine zieht den ADC komplett runter, es fährt dann nicht. Zur Behebung ziehe den Akku ab.

EMV-Probleme

Auf dem 36c3 waren wir mit 5 Bobbycars unterwegs. Als es draussen plötzlich frohr, sank die Luftfeuchtigkeit drinnen stark. Ständig blitzte es wenn man etwas angefasst hat. Die Blitze sind durch die XBox Potis geschlagen und haben die Schleifbahnen beschädigt. An dem Abend wurden fast alle Potis beschädigt. Auch ist einiges an weiterer Elektronik ausgefallen: ESPs, Displays, Hall-Sensoren und möglicherweise auch ein Mainboard. Hier ein Paar Lösungsansätze:

  • XBox Potimechanik weiter verwenden, aber auf lineare Hall-Sensoren umbauen. Ich habe „49E“ Sensoren bei Aliexpress geordert um das zu versuchen. Einen kleinen Magneten werde ich an den Stab der zum Poti führt kleben und den Sensor im Lenkrad befestigen.
  • TVS-Dioden an allen wichtigen Stellen verbauen. Ich kenne mich da aber nicht so gut aus. An welchen Stellen wären soche Dioden sinnvoll? Schreibt mir gerne.
  • Radgehäuse auf Masse legen (evtl. über ein Paar 100 Ohm) um die Hall-Sensoren zu schützen. Ist das sinnvoll?

Akku

12s hat sich bei allen mir bekannten Bobby Cars als Standard durchgesetzt. 10s geht auch, 12s macht aber mehr Spass. Die Platinen können bis 13s ohne Modifikation. Die Abschaltspannungen müssen in config.h passend eingestellt werden. Wenn man Modellbau-LiPos nimmt, muss ein Protection-Board vor den Akku. Im Hoverboardakku ist das bereits eingebaut. Das sorgt für Überlade-, Tiefentlade-, Überstromschutz und Balancing der Zellen. Ich empfehle ein gutes BMS zu nehmen (aliexpress: „Smart BMS“) mit Bluetooth und App. Ein Smart BMS MUSS allerdings vor dem Einsatz richtig konfiguriert werden! Dazu sollte man wissen was man tut! Zum laden von 10s kann ein Hoverboardladegerät genommen werden, für 12s gibt es Ladegeräte bei aliexpress.

Ladegerät

Ich nutze ein Servernetzteil mit Strom- und Spannungsgeregeltem Step-Up dahinter. Er ist auf 50,4V und 5A eingestellt. Deutlich eleganzer sind die 12s 6A Ladegeräte von aliexpress.

Anhänger

Wenn man die Räder mittig setzt, hebt es das Bobby Car hoch, wenn sich hinten jmd drauf setzt. Also weiter hinten montieren. Fahrradanhänger-Kupplungen sind gut geeignet.

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