Servo-schonende Heckansteuerung

Begonnen hatten die Probleme mit dem Einbau des GY-401 Gyros. Nein, nicht falsch verstehen ! Der GY-401 ist ein Spitzengerät moderner Technik. Aber genau diese Spitzenleistung verlangt auch dem Rest der gesamten Heckanlenkung Spitzenleistungen ab, der nicht alle Bauteile gewachsen sind.

Nach ein paar unliebsamen Erlebnissen untersuchte ich die Sache und kam zu den folgenden Lösungen.

Ich schreibe ganz bewusst hier auch die schiefgegangenen Versuche auf, damit Ihr Euch diese gleich sparen könnt.


Die Hintergrundgeschichte:

Ich flog bereits sehr lange schnelle Digitalservo DS8417 am Heck von drei Hubschraubern. Alles lief problemlos und ich war zufrieden. Plötzlich mehrten sich die Stimmen, welche dem DS8417 die Eignung als Heckrotorservo absprachen. Einige Ausfälle, sogar Abstürze und bald war es auch in der ROTOR sowie in amerikanischen Foren zu lesen: Das DS8417 ist nicht als Heckrotorservo geeignet. Kurze Zeit später wurde das auch vom Hersteller bestätigt (eigentlich ein dicker Hund, da es zuvor gerade als Gyro-taugliches Servo verkauft wurde, aber das ist eine andere Geschichte).

Was nun ? Hatte ich doch drei dieser Servos ausgerechnet am Heck von leistungsstarken Verbrennerhubis. Bei mir liefen sie zwar, doch als gewissenhafter Hubi-Pilot bekommt man Bedenken. Nach kurzem Studium diverser Prospekte war klar, das Futaba S9250 ist das geeignete Servo. Damit kann ich den GY-401 sogar im DS Modus (schneller Modus für Digitalservos) laufen lassen. Das Heck sollte damit noch präziser angenagelt stehen.

Gesagt, getan, zwei der Hubis wurden auf das S9250 umgerüstet, in einem (Vario X-treme) musste das DS8417 bleiben.

Die GY-401 Gyros wurden natürlich auf den vom Hersteller empfohlenen DS Betrieb geschaltet. Ein winziger Schalter am GY-401 ist dafür vorgesehen.

Wie versprochen funktionierte das ganze perfekt. Die Heckstabilisierung war beispielhaft. Das kam mir gerade recht, denn zu diesem Zeitpunkt begann ich mein Rückwärtsflug-Training welches dem Heck doch einiges abverlangt.

Leider hielt sich die Begeisterung nur wenige Monate. Bei einem kraftvollen Flug mit dem Millennium, setzte das Heck plötzlich ganz kurz aus. Lange genug um den Hubi in spiral-sturzflugartiger Seitenlage in gefährliche Nähe des Erdbodens zu bringen. Wie durch ein Wunder konnte ich ihn abfangen (siehe auch das Tagebuch). Nachdem ich keinen Fehler feststellen konnte, schob ich die Ursache auf die niedrigen Temperaturen und schwebte zum Test noch ein paar Mal herum. Plötzlich, wieder, das Heck drehte unvermittelt herum. Nach kurzem Adrenalinstoß betätigte ich den AR Schalter und setzte den Hubi ab. Jetzt war es deutlich sichtbar. Das S9250 Servo ruckelte nur mehr hilflos herum. Es wurde ausgebaut und eingeschickt.

Eine Woche später: Der Mille war wegen fehlendem Heckservos außer Gefecht. Also nahm ich den Nova zum Flugplatz. Auch er hat ein GY-401 und ein S9250. Ich flog gute 2 Liter Sprit, als das Heck plötzlich einen heftigen Ruck tat, dann aber wieder funktionierte. Eine typische Störung des PPM Empfängers ? Naja, ich war ja gewarnt, flog also zum Startplatz um noch etwas zu schweben. Und jetzt war es deutlich sichtbar. Das Heck war SEHR nervös. Es schwamm gute 10cm hin und her. Noch bevor ich landen konnte, drehte es plötzlich hektisch herum.

Das darf doch nicht wahr sein, nach dem Mille nun auch der Nova, gleicher Fehler. Tausend Gedanken schossen durch den Kopf: sollte evt. der Sender spinnen, oder sind Empfänger, Gyro oder sonst was defekt ?


Die Ursache:

Wieso hatte der DS8417 bei mir so gut funktioniert, ist bei anderen aber ausgefallen ?
Wieso bekomme ich Probleme mit dem angeblich geeigneten S9250 ?

Die Antwort auf diese Frage ist nur 0,3 x 0,4 mm groß. Es ist der winzige Schalter am GY-401 der mit DS beschriftet ist.

Steht dieser Schalter auf OFF, so erzeugt der Kreisel ein übliches Steuersignal für das Servo, so wie es seit vielen Jahren für alle Servos benutzt wird. Steht der Schalter aber auf ON, so wird ein sehr schnelles Servo-Steuersignal erzeugt. Dieses führt zu deutlich schnelleren Bewegungen des Servos, und darf daher nur mit speziellen Digitalservos benutzt werden.

Da der DS Modus für den DS8417 verboten ist, habe ich dieses Servo auch immer in Schalterstellung DS = OFF betrieben. Mit dem Einbau des S9250 habe ich auf DS = ON geschaltet.

Eigentlich sollte das S9250 diese schnelle Betriebsart ja verkraften. Also müssen noch weitere Ursachen vorliegen, und sie sind auch tatsächlich vorhanden:

  1. Etwa zeitgleich mit Einbau des S9250 begann ich Rückwärtsflugübungen. Als Rückwärts-Anfänger steuert man natürlich nicht sauber und stellt das Heck schon mal leicht schrägt bei voller Rückwärtsfahrt in den Wind. Eine extreme Belastung für das Servo ! Speziell in der Sturzflugphase eines Rückwärtsloopings werden erhebliche Kräfte frei.
  2. Das GY-401 wird mit deutlich weniger Schaumstoff befestigt als herkömmliche Gyros, was Motorvibrationen voll auf den Gyro einwirken lässt. Natürlich steckt der GY-401 Vibrationen leicht weg. Durch einen modernen Aufbau können ihm diese kaum schaden. Nur, er gibt sie rücksichtsloserweise voll als Steuerimpulse an das Servo weiter.
  3. Einstrahlung von Störimpulsen in das GY-401 Gyro.

Alle diese Faktoren führten dazu, dass das S9250 langsam überlastet wird und irgendwann Fehlfunktionen zeigt. Übrigens, wenn man außen am Gehäuse eine Erwärmung merkt, kann es innen am Motor bereits sehr heiß sein. Das DS8417 hätte es natürlich auch nicht ausgehalten, aber damit habe ich es nie probiert und folglich auch keine Probleme gehabt.


Kritische Situation:

Wann ist die Situation so kritisch, dass das Servo schaden nehmen könnte ?

Man schwebt ruhig und beobachtet das Heck. Wandert (zuckt) es um einige cm unregelmäßig hin und her, so nimmt das GY-401 Motorvibrationen auf und gibt diese an das Servo weiter. Hier ist höchste Vorsicht geboten !!! Die Lebensdauer des Servos beträgt nur mehr wenige Flugstunden !!!

Am Ende der Servo-Lebensdauer fällt dieses meist nicht sofort aus, sondern kündigt den Defekt an. Als erstes hat man das Gefühl, als würde eine Funkstörung das Heck zucken lassen. Auch kann es kurzzeitig aussetzen und nicht reagieren. Das passierte bei mir zwei oder dreimal, dann war das Servo endgültig defekt. Sobald so ein Effekt auftritt, SOFORT landen und das Servo mit einem Servotester unter Last prüfen.

Sollte es tatsächlich in der Luft zu einem Totalausfall kommen, hilft nur mehr der Griff zum AR Schalter. Ansonsten würde sich der Hubi wie ein Küchenmixer kreiselnd in den Boden schrauben.


Die Lösung:

Da ich nicht aufs Rückwärtsfliegen verzichten will, müssen die anderen Ursachen vermieden werden.

1. DS-OFF: 

Ich betreibe das GY-401 nur mehr in der langsamen Betriebsart DS = OFF. Der fliegerische Unterschied ist gering und für mich nicht wirklich merkbar. Der 3D Spitzenpilot auf unserem Platz fliegt sogar mit einem einfachen Robbe 3D-Gyro und ist sehr zufrieden. Auf das "DS" kommt es also wirklich nicht an.

Diese Einstellung dürfte die wichtigste aller Maßnahmen sein. Inzwischen habe ich das Ausgangssignal des GY-401 mit einem Oszilloskop untersucht :

Im DS-ON Modus bekommt das Servo alle 3,7 Millisekunden einen Steuerimpuls (das sind 270 Impulse pro Sekunde).

Im DS-OFF Modus bekommt es nur alle 14,4 Millisekunden einen Steuerimpuls (das sind 70 Impulse pro Sekunde).

Im DS-ON Modus wird das Servo also 3,8 mal schneller angesteuert als im DS-OFF Modus. Das ist gut fürs Fliegen, aber schlecht fürs Servo. Den DS-ON Modus sollte man also nur bei wirklich vibrationsfreien Hubis verwenden.

2. Motorvibrationen:

Das beste Mittel um das Heckservo zu schonen ist es, die Vibrationen des Motors zu beseitigen. Erste Maßnahme ist es zu prüfen, ob man nicht zu fett fliegt. Ein Motor, der zwischendurch immer wieder stottert, erzeugt fürchterliche Vibrationen ! 

Eine weitere Maßnahme ist es, das GY-401 an eine andere Position zu montieren. Diese kann bei jedem Hubi woanders liegen. Man muss die Stelle suchen an der die geringsten Vibrationen auftreten. In der Regel ist das möglichst nah an der Rotorwelle. Die Rotorwelle ist der Bezugspunkt und Schwerpunkt des Hubis. Je weiter außen man ist, umso größer sind die Vibrationen.

Die optimale Stelle ist gefunden, wenn das Heck beim Schweben ruhig steht und nicht leicht herumzappelt.

3. Schaumstoff (ein misslungener Versuch):

Aufgrund eines Artikels in der ROTOR dachte ich, dass das GY-401 mit dem originalen Schaumstoff nicht ausreichend weich montiert wäre. Aus diesem Grund machte ich Versuche mit dickerem Schaumstoff und Zusatzgewichten am Gyro.

Diese Versuche waren leider nicht erfolgreich. Es entstanden unkontrollierbare Resonanzen und der Versuch musste abgebrochen werden.

4.    Störeinstrahlung:

Das GY-401 soll angeblich empfindlich gegen Störeinstrahlung sein. So liefert Robbe seit neuestem Abschirmbleche welche unter das Gyro zu montieren sind. Aus Japan hört man, dass es auch spezielle Entstörfilter geben soll. Alles keine sehr vertrauenserweckenden Dinge. Die Sache muss natürlich untersucht werden, damit Klarheit herrscht und Gerüchte ausgeräumt werden.

Aus diesem Grund habe ich das GY-401 aus dem Nova demontiert und neben den Hubi auf den Tisch gelegt. Weiters wurde ein S9250 angeschlossen und ebenfalls auf den Tisch gelegt.
Nach dem Einschalten blieb alles soweit ruhig. Auffallend ist aber, dass das Servo nervös zu zittern beginnt sobald man es mit dem Finger belastet. Dieser Effekt ist übrigens besonders stark beim DS8417 zu beobachten. Die Ursache für dieses Verhalten ist klar: Sobald das Servo belastet wird, zieht es Strom. Speziell Digitalservos erzeugen ein erhebliches Störspektrum auf den Versorgungsleitungen. Da sowohl + als auch - Leitung durch das Gyro zum Servo gehen, kann also nur eine Einstrahlung über diese Versorgungsleitungen das Gyro beeinflussen. 

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Um diese Vermutung zu bestätigen, entfernte ich die + und - Kabel zwischen Servo und Gyro und versorgte das Servo mit einem eigenen, zweiten Empfängerakku. Und siehe da, die Störungen waren völlig verschwunden ! Man konnte die Störungen wieder erzeugen, wenn man die Kabel des Zweitakkus sehr nahe zum GY-401 legte.
Damit ist bewiesen, dass die hohen Servoströme das GY-401 beeinflussen und so das typische Servozittern verursachen.

 

Nun will ich natürlich keinen zweiten Akku ins Modell einbauen. Daher suche ich eine andere Möglichkeit die Störungen vom Gyro fernzuhalten und fand schließlich folgende Verdrahtung:

Normalerweise ist das Servo mit drei Leitungen mit dem Gyro verbunden, die Plusleitung (rot), die Minusleitung (braun oder schwarz) und die Signalleitung (weiß oder orange). Für die Störungen sind die + und - Leitungen verantwortlich. Diese werden also abgetrennt und das Gyro ist nur mehr mit der Signalleitung mit dem Heckservo verbunden.

Die beiden Versorgungsleitungen + und - werden jetzt direkt vom Servo mit mindestens 0,25qmm starken Servokabeln direkt zum Schalter verlegt. Das Servo bekommt jetzt seine Versorgung direkt vom Akku. Dadurch werden die Störungen von Gyro ferngehalten. Als positiver Nebeneffekt werden die Störungen auch noch vom Empfänger ferngehalten. Damit der gewünschte Effekt optimal ist, sollten die Versorgungsleitungen des Servos und die Signalleitung nicht direkt nebeneinander verlegt werden. Je größer der Abstand umso besser.

Das Ergebnis ist überzeugend ! Auch bei kräftiger Belastung des Servos sind die Störungen fast völlig verschwunden und damit ist eine weitere Ursache für Servozittern und höhere Servoabnutzung beseitigt.

5.    Langsamere Einstellung (noch ein misslungener Versuch):

Nachdem die oben beschriebenen Maßnahmen zwar sehr nützlich sind, können sie die frühzeitige Abnutzung nicht ganz verhindern. Motorvibrationen werden vom GY-401 nach wie vor sehr gut aufgenommen und an das Servo weitergegeben. Um das zu entschärfen, lässt sich noch eine Einstellung am GY-401 vornehmen: die DELAY Einstellung.

Normalerweise steht dieser Regler auf 0, was die höchste Geschwindigkeit ergibt. Eine Einstellung auf 25 oder 50 macht den Gyro träger und schont damit das Heckservo. Die Härte des Einrastens nach einer Pirouette wird zwar weicher, ist aber immer noch mehr als ausreichend gut.

Der DELAY Einstellregler ist in der Bedienungsanleitung leider so gut wie nicht beschrieben, dabei ist das eine durchaus wichtige Einstellung ! Ich habe diese Funktion daher mit einem Oszilloskop untersucht. Das Ergebnis war erstaunlich.

Eigentlich erwartete ich, dass das Steuersignal des Gyros langsamer werden sollte. Das ist aber nicht der Fall, zumindest nicht merkbar. Stattdessen wird die Reaktion auf den Steuerknüppel verzögert umgesetzt. Die Reaktion auf Vibrationen wird nicht verlangsamt.

Aus diesem Grund ist der DELAY Regler zum Schonen des Servos nicht nutzbar.