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Wie funktioniert die Elektronik von JR/Futaba-Digitalservos?

© Rudolf Fiala 2001, rev. 29.07.2003, Nachtrag letztes Bit 31.3.2005

Digitalservos moderner Technologie bieten folgende Vorteile:

+ Regelgenauigkeit annähernd ohne elektronikbedingte Servohebel-Totzonen,
+ Servohebel-Stellungshysterese praktisch Null,
+ Servohebelnachstellung schon bei kleinsten Knüppelbetätigungen ohne weitere Zeitverluste,
+ Volle Servomotorleistung bei kleinsten Servohebelbewegungen, große Haltekraft,
+ Elimination wärme-, alterungs- und versorgungsspannungsbedingter Stellungsfehler,
+ Nicht zu vergessen: Zukunftssichere Methode für neue, schnellere Übertragungstechniken.

Daraus folgen die zwangsläufigen Nachteile gegenüber Nichtdigitalservos:
- Höherer Stromverbrauch durch oftmaligere und genauere Servoarbeit, mehr Akkukapazität (ca. 10-30%) eventuell notwendig;
- detto durch Empfänger-Servoimpulsschwankungen ('Flanken-Jitter') bei PPM-Modulation, besonders außerhalb des Sender-Nahfeldes;
- unter Umständen Fehlfunktionen bei Verwendung mit Produkten anderer Hersteller (z.B. Kreisel, Servos) möglich; Herstellertreue sicherheitstechnisch unbedingt empfohlen!



Funktion der Elektronik von Digitalservos mit Mitsubishi-IC:

In Internetforen zum Thema 'Digitalservos' waren die 'erstaunlichsten' Gerüchte zu lesen, die in der Behauptung gipfelten, dass es sich beim 'Digital'-Begriff um einen Werbegag von JR/Graupner ohne Einhaltungsmöglichkeit der beworbenen Servoeigenschaften handele. Dieser im Konsumentenschutzzeitalter völlig absurde Rufmordversuch hat mich bewogen, 2001 die techn. Leitung der Fa. Graupner mit der Bitte um Aufklärung anzuschreiben. Postwendend bekam ich von Herrn Prok. Robitschko die automatisch ins Englische übersetzte (original japanische) Patentschrift des für die Impulsverarbeitung im Servo zuständigen IC’s, mit dem jetzt eine viel schnellere und genauere Servoarbeit möglich ist.

Gerade die Langsamkeit bisheriger digitaler Servoelektroniken waren der Entwicklungsgrund für diese neue Elektronik. Die von diesem neuen IC gebotene Verarbeitungszeit liegt im einstelligen Prozentbereich der (leider) üblichen Fernsteuerung-Zeitverluste (siehe 'Der unabänderliche 32m Crash', PROP Nr.3/01 und hier).
Das gilt sogar für den direkt vom Empfänger kommenden Impuls, zwischen zwei für das jeweilige Servo zuständigen Impulsen mit 1 Sender-Frametime Zeitunterschied wird mit dem neuen IC einigemale und superschnell die Servo-Istposition mit der (gespeicherten) Sollposition verglichen und ggf. eben nachgeregelt. Was bei Analogservos erst beim nächsten Senderimpuls 22 msec später erfolgen kann. Samt aller Zeitverluste und Überschwingungen.

Diese Patentschrift zeigt eine so intelligente schnelle Impuls- und Servostellungsverarbeitung, die wegen ihres Prinzip sicher für alle Servointeressierten interessant ist und von mir im PROP international ERSTMALIG dargestellt wurde.

Noch ein Hinweis: Der Begriff 'Digital' wird hier, wie oft üblich, für eine Verarbeitung mittels irgendwie in Zahlenwerte umgewandelter Analogwerte verwendet, wobei der eminente Vorteil ist, dass man eben diese gewonnenen Werte zahlengenau verarbeiten kann. 1234 ist eben NICHT 1235. Und diese minimale Abweichung, eben nur '1' von z.B. 8190 oder von binär 1111111111110 (13 bit) kann man damit feststellen und zielgerichtet verarbeiten , eben durch Servonachstellen.


Also, wie schlau funktioniert die in den Graupner-Servos verwendete Elektronik: (Wie alles Geniale im Prinzip ganz einfach!).

Im Servo-IC sind zwei hochfrequente Oszillatoren geeigneter Frequenz vorhanden.

1) Oszi 1 arbeitet mit einer FESTEN Frequenz.

Bei Eintreffen des Impulses vom Empfänger via Servokabel schaltet die eine Impulsflanke die hochstabile Oszillatorfrequenz zu einem Impulszähler (Counter) durch, der jetzt mit 14 Bit Genauigkeit die eintreffenden Schwingungen zählt, bis er durch die andere Flanke des Servoimpulses wieder abgeschaltet wird. Der jetzt gezählte Wert ist somit, digital gewandelt, der Repräsentant für die Impulslänge im Servokabel, die ja irgendwo zwischen circa 0,9 bis 2,1 msec liegt. Die Zählung der eigentlich nutzlosen ersten Millisekunde (derzeit noch, siehe MFI 10/1999 'Kritik und Visionen' und jetzt hier) wird einfach eliminiert, indem ganz einfach das höchstwertige 14. Bit nicht verarbeitet wird. Die umgewandelte Impulsdauer liegt somit digital in 13 Bit Genauigkeit vor. Genau so wie es Graupner bewirbt für den Totalbereich von ca. 170 bis 200 Grad.

Interludium I: Die auf den üblichen Servobereich von ca. 110 Grad bezogene Nachführ-Stellgenauigkeit entspricht ca. 12 Bit = 4096 Schritte und ist damit etwa 1,5 bis doppelt so genau als gute Analogservos, wie z.B. das bekannte JR 4041 und ähnliche. Aber eben ohne jede Abweichung durch HYSTERESE, Temperatur, Spannungsschwankungen etc.

Interludium II: Sollten bei PCM-Empfängern der PCM-Knüppelwert direkt an das Servo weitergehen, kann man sich diese an sich völlig unnotwendige Umwandlung des PCM-Wertes in einen Servo-Impuls im Empfänger und dessen Rückumwandlung für die digitale Verarbeitung in Zukunft im Servo ersparen !

2) Oszi 2 hat eine VARIABLE spannungsgesteuerte Frequenz (VCO):

Dessen Frequenz wird vom Servopoti gesteuert und von einem ähnlichen Schwingungszähler (Counter) wie oben gezählt, allerdings mit dem Unterschied, dass hier die Zählzeit klarerweise hoch konstant gehalten wird und die in dieser Zeit gezählten Schwingungen, deren Frequenz ja je nach Poti-Stellung variabel sind, den digitalisierten (Binär-) Wert der Servopotentiometer-Stellung repräsentieren. Die VCO Minimal- und Maximalfrequenzen sind derart gewählt, dass der Servostellungwert mit 13 Bit Genauigkeit zum Vergleich mit dem ebenfalls 13 Bit Impulswert vorliegt.

3) Sind diese 2 Binärzahlen gleich, steht der Servohebel an der gewünschten Stelle.

Sind sie nur minimalst (schon letztes Bit) ungleich, schubst die restliche Servoelektronik den Servomotor ca. 7 bis 13mal zwischen zwei vom Sender kommenden Steuerimpulsen in die richtige Stellung, deren Wert sich die Impulsumwandlung ja bis zum Eintreffen des nächsten Werts vom Sender ('Frametime'=Senderzykluszeit) ohne Reset merkt und mit dem jedesmal neu errechneten Potistellungswert (ca. 300mal pro sec.!) vergleicht.

Das war’s schon, was - extremst vereinfacht - das Prinzip betrifft. Wirklich!

Die Kunst liegt natürlich im Detail, sonst wäre dieser japanische IC kaum patentfähig. Das bisher ohne DIESEN IC ungelöste Problem war, dass alle bisherigen Methoden viel zu langsam und viel zu ungenau waren, um nach Digitalisierung eine Stellgenauigkeit gleich oder besser als mit Analogservos bereits erreicht, zu garantieren.
Die Patentschrift enthält dermaßen technische Details, dass ich wegen der Reduktion auf eine allgemein verständliche Erklärung direkt ein schlechtes Gewissen habe. Andererseits interessiert uns ja nur der Qualitäts- und Sicherheitsgewinn einer neuen Methode, Zubehör etc., und diese Beurteilung erleichtert auch diese Basisinformation allemal.

Als Beispiel sei nachgetragen: Um den Servomotor nicht ununterbrochen mit Nachregelungen zu strapazieren wird das letzte Bit weggelassen, sozusagen eine bewusste Hysterese hergestellt. Regel-Schritte kleiner als 1/4096 auf den ganzen Servobereich bezogen - nicht auf den übliche Stellweg von ca. 110° bezogen, da sind es aber noch immer mehr als 11Bit/2048 Schritte, mehr können heutige Digital-Sender ohnedies nicht - werden mangels "Stellinformation" gar nicht ausgeführt. Schont auch den Stromverbrauch.

Das 'Blackbox-Prinzip' ohne detaillierte Hinterfragung - Input-Verarbeitung-Output, hoffentlich fehlerfreier als in früheren Zeiten - ist ja in vielen Lebensbereichen endgültig etabliert.
Manchmal auch zum Schaden aller Modellflieger, z.B. bei im Flug zerbröselnden, schlecht gefertigten, durch die Folie zusammengehaltenen fertigfolierten Flugmodellen. Aber das wäre ein anderer sehr sehr umfangreicher Bericht.


Zukunftsextrapolation:

1) Diese Servo-Technik ist auch für kürzere Impulszeiten und schnellere Senderzyklen, eben eine schnellere Fernsteuerungstechnologie unbeschränkt geeignet.

2) Durch den Fortschritt der Mikrotechnologie ist der Ersatz des Servopotis durch optische digitale(!) Absolutstellungs-Melder oder Ähnliches naheliegend, dann entfiele der VCO.

3) Schon erwähnt: Auch noch Wegfall der Impulsumwandlung durch direkte binäre (S)PCM-Verarbeitung im Servo wäre möglich.
Je mehr ich mich mit diesen Dingen beschäftige, umso absurder erscheint mir die derzeit gegebene Umwandlung eines binären (S)PCM-Wertes in einen analogen Impulswert im Empfänger und dessen neuerliche Umwandlung in einen Binärwert im Digitalservo. An und für sich total unnötig!
Die einzige Berechtigung dafür ist die 2004 derzeit noch(?!) doppelt genauere PPM-Auflösung von ca. 2000 Schritten im Vergleich zu SPCM mit 1024 Schritten. Dass diese Servostellungs-Auflösung natürlich nur für die TRIMMUNG, besonders bei Modellen mit großen Rudern und/oder Ruderausschlägen einen Vorteil bietet, sei sicherheitshalber erwähnt.
Für die grobstufigen Finger-Knüppelwege ist sie ja völlig belanglos.

Abschlussstatement:

Diese Servo-Technik entspricht eigentlich nicht mehr der bisherigen 'Nachführservo'-Methodik, sondern repräsentiert lupenrein die Methode 'Elektronisches Schrittstellwerk'!

Dieser auf Auftrag von JR entwickelte Mitsubishi-IC wird nicht nur von JR/Graupner verwendet, sondern auch von Futaba, keine Überraschung. Graupnerartikel sind mir halt als Verwender besonders vertraut, andere weniger.

Wegen eines für eine normale Veröffentlichung zu umfangreichen Textes sind folgende 'Kochbücher' per Link erreichbar:

Servostellgenauigkeit, Trimmfeinheit und Flugspaß
und
Flugsicherheit mittels Verbesserungen im Flugmodell


Rudolf Fiala
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