Überblick und Funktionen

Laden

Der Kicker transformiert die Batteriespannung hoch, speichert sie in Kondensatoren und nutzt diese später zum kicken. Anders als bei allen bekannten Kickerschaltungen in der Liga und unserer Vorgängerschaltung Maja verfügt Automatix über eine galvanische Trennung.

Bei der Ladeschaltung handelt es sich um einen Flybackconverter. Das Herzstück der Ladeschaltung ist der Chip LT3751. Dieser steuert das MOSFET, welches am Transformator angeschlossen ist. Bei dem Transformator handelt es sich genau genommen um zwei gekoppelte Induktivitäten. Diese unterscheiden sich insofern vom Transformator, als dass der Energietransphär asynchron abläuft.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass durch den s.g. "Flyback" und Streuinduktivitäten auf der Primärseite höhrere Spannungen als die Batteriespannung anliegen. Auf der Sekundärseite entsteht eine SWechselspannung. Diese muss durch eine Diode gleichgerichtet werden. Wichtig ist hier, dass die Diode das 2-fache der gewünschten Ausgnagsspannung sperren können muss und eine geringe Reverse-Recovery-Time hat. Für weitere Informationen zur Funktionsweise von Flybackconvertern sei auf den Wikipediaartikel und das Datenblatt des Chips verwiesen.

Um die aktuelle Ladespannung anzuzeigen und vor der hohen Spannung zu warnen, wird eine Blinkschaltung verwendet, welche von der Kondensatorspannung betrieben ist und somit unabhängig von externer Spannungsversorgung ist. Je höher die Spannung ist, desto höher ist die Blinkfrequenz. Während eine blinkende LED bedeutet, dass der Kicker geladen ist und somit nicht angefasst werden darf, kann aus einer dunklen LED nicht darauf geschlossen werden, dass der Kicker gerade entladen ist. Bis jetzt ist uns ein Fall bekannt, in dem die Blinkschaltung versagt hat. Im Zweifel ist durch ein Multimeter nachzumessen.

Power und sicheres Entladen

Spannungen auf dem Board

Das Board wird mit 24V versorgt. Nach der Inputprotection wird die Ladeschaltung (der Trafo) direkt von 24V betrieben. Ebenfalls werden mittels eines Buck-Converters 12V erzeugt. Diese laden durch eine Diode große Kondensatoren auf 12V (12S) auf und dienen als Ausgangspunkt für die Erzeugung von 5V. Aus 12S werden mittels eines weiteren Buck-Converters 3,3V (3V3) erzeugt.

Sicheres Entladen

Das Wichtigste beim Kicker ist eine sichere Handhabung. Da bei Automatix auf einen dedizierten Entladewiderstand verzichtet wird und die Kondensatoren durch Kicken entladen werden sollen, muss gewährleistet sein, dass dies auch funktioniert wenn der Roboter ausgeschaltet wird.

Prinzipiell soll entladen werden, indem zunächst so kurz gekickt wird, dass der Kickerbolzen in der Mitte der Spule zum stehen kommt. Nach dem der Bolzen zum Stillstand gekomme ist, wird dann ein weiteres Mal gekickt - diesmal bis die Kondensatoren vollständig entladen sind. Hierdurch sollte sich der Kicker nach dem der Bolzen "ausgefahren" ist beim zweiten harten Kick nicht mehr bewegen, bis die Kondensatoren leer sind und dann durch die Federn zurückgezogen werden. Die Spulen werden hier also als Entladewiderstand genutzt.

Im Idealfall wird dem Microcontroller des Kickers mitgeteilt, dass der Kicker entladen werden soll und dieser entlädt dann die Kondensatoren. Ist dies nicht möglich, weil zum Beispiel abrupt der Strom wergfällt, so gibt es zwei Mechanismen, die dennoch ein sicheres Entladen ermöglichen sollen. Beide beruhen darauf, in den Kondensatoren von 12S genügend Energie gespeichert zu haben um die MCU lange genug mit Spannung versorgen zu können um den Kicker zu entladen.

~~Der~~Fallback ~~erste~~1: ~~Mechan~~Power good detection
Um von Seiten des Kickers einen Spannungswegfall zu detektieren wird mittels eines Komparators die Versorgungsspannung mit einer aus den 3,3V erzeugten Referenz verglichen. Fällt die Versorgungsspannung unter einen Threshold von aktuell 16,5V, so wird das Signal PG24V auf 0V gezogen und die MCU kann das Entladen einleiten.

Fallback 2: Yeeet
Sollte das sanfte Entladen nicht schnell genug gehen und die Spannung 12S unterhalb von 5V fallen, so ist Eile geboten. In diesem Fall werden sowohl Kicker, als auch Lupfer voll druchgeschaltet, um die Kondensatoren schnellstmöglich zu entladen.

Spannungsmessung

Die Isolierte Ausführung der Platine macht die Spannungsmessung aufwändig. Dies wurde durch die Verwendung eines Optokoplers mit Linearisierung gelöst. Auf der HV-Seite wird die Spannung mittels eines Spannungsteilers gemessen. Ein Operationsverstärker treibt die LED im Optokopler. Das von diese LED ausgesendete Licht trifft auf zwei identische Photodioden. Eine auf der HV-Seite, welche zur Linearisierung verwendet wird und eine auf der LV-Seite zur Spannungsmessung. Da der Verstärkungsfaktor herstellungsbedingt schwankt, wird mittels eines Potentiometers die Spannungsmessung kalibriert. Die Versorgung der HV-seitigen Messschaltung erfolgt über die isolierten 5V, welche durch die Gatetreiber bereitgestellt wird.

Kicklogik und Gatetreiber

Das Kicken und Lupfen erfolgt durch je einen IGBT. Diese werden von isolierten Gatetreibern angesteuert. Die Spannung zum Treiben der Gates erzeugen die Gatetreiber selbst auf der Sekundärseite. Zusätzlich werden isolierte 5V bereitgestellt, welche für die Spannungsmessung benötigt werden. Auf der LV-Seite sind das Kick- und Chipsignal vom MCU jeweils logisch mit dem Yeet-Signal verodert, bevor dieses zu den Gatetreibern weitergeführt wird.

Temperaturmessung

Analogsignal proportional zur Temperatur wird von der MCU ausgewertet. Sensor ist zwischen Buckconverter und Kickermosfet platziert.

Microcontroller

Als Controller kommt der STM32G474CET zum Einsatz.

Konnektivität

Der Kicker benötigt 24V und kommuniziert über CAN. Zudem verfüggt er über einen Debugheader und USB-C Anschluss.