De ECU van een Volvo EC18D minigraver had kortsluiting gehad en bestuurde de uitgangen niet meer correct. Wij ontwikkelden een maatwerk PWM-printplaat met dithering als directe vervanging, de voorloper van PotentIO.
Het probleem
Libacon Bouwmachines in Barneveld had een Volvo EC18D minigraver waarbij de electronica het had begeven. De machine was blootgesteld aan een spanningspiek van 80V of meer op het chassis, vermoedelijk veroorzaakt door een defecte motor. Die piek had de ECU geraakt: meerdere stuuruitgangen voor hydraulische ventielen werkten niet meer.
De bestaande ECU is een dichtgetimmerde eenheid waar geen vervangende onderdelen of schema’s beschikbaar zijn. Reparatie van de oorspronkelijke kaart bleek niet haalbaar: de schade aan sporen en pads was te groot, en de beschadigde high-side switches (VND5025AK) waren in coronatijd niet verkrijgbaar. De machine stond stil.
De oplossing: een eigen printplaat ontwerpen die de defecte uitgangen volledig vervangt.
Wat zagen wij?
Bij onderzoek van de defecte ECU bleek dat de high-side switches (beschermde vermogenstransistoren die de hydraulische ventielen aansturen) verbrand waren. Onder één van de chips zaten verbrande sporen en coating ddat weggeschraapt moest worden. De aanliggende diode en de verbindingen naar de pinnen van de chips waren zodanig beschadigd dat de padjes niet meer bruikbaar waren en weggesneden moesten worden.
Verder waren de joystick-ingangen op de originele kaart niet op analoge ingangspinnen aangesloten. Onze klant wilde deze ontwerpfout ook meteen oplossen in een nieuw ontwerp. En de potmeter van één van de joysticks (type FX1057) was gefrituurd waarschijnlijk door de initiële spanningspiek, ondanks de aanwezige elektronische zekering.
Onze aanpak: een maatwerk PWM-controller
Omdat reparatie van de originele ECU geen optie was hebben wij een vervangende printplaat ontworpen en gebouwd: de Libacon PWMController.
Ontwerp en componentkeuze
De controller is opgebouwd rond een ATtiny44A microcontroller (8-bit AVR, 14-pins SOIC, 4KB flash, 20MHz), geprogrammeerd via PlatformIO. De ATtiny verzorgt de PWM-signalen voor de hydraulische stuurventielen en leest de joystick-ingangen uit via analoge kanalen.
Als vermogensschakeling voor de hydraulische uitgangen zijn IRF5210 P-channel MOSFETs gekozen (TO-263, 100V/40A). Deze worden aangestuurd door MAX4420 MOSFET-drivers (DIP-8), één per uitgangsgroep. Twee 2N7002 N-channel MOSFETs (SOT-23) verzorgen de interne schakelingen van de relais. Deze twee relais zijn aanwezig voor specifieke functies die een toggle vereisen.
De voeding wordt geregeld door een MIC29302 LDO-regelaar (TO-263-5, 3A). TVS-diodes beschermen de ingangen tegen spanningspieken.
Dithering
Een bijzonderheid van dit ontwerp is de toepassing van dithering op de PWM-uitgangen. Hydraulische proportionele ventielen zullen stick-slip effecten geven bij kleine wijzigingen: bij lage stromen kan het ventiel blijven kleven voordat hij beweegt. Dithering lost dit op door een kleine, snelle wisselcomponent op het signaal te leggen. Het ventiel blijft hierdoor voortdurend licht trillen en reageert daardoor sneller en nauwkeuriger op stuursignalen.
In de firmware is gekozen voor een PWM-frequentie van circa 2 kHz, met een ditherfrequentie in het bereik van 70–350 Hz en een dithering-amplitude van 15% van het PWM-bereik. Dit geeft een goed compromis tussen precisie, responsiviteit en warmteontwikkeling in de ventielspoelen.
Joystick-input en weerstandsladder
De oorspronkelijke joystick (type FX1057, vervangingswaarde €795) bleek te zijn beschadigd. De klant koos voor een eenvoudiger bediening met twee knoppen in plaats van de volledige joystick. Om twee knoppen op één ingang aan te sluiten (de ATtiny had anders een ingang tekort) is een weerstandsladder toegepast. De twee knoppen geven elk een andere spanning op de ADC-ingang, zodat de firmware kan onderscheiden welke knop is ingedrukt. Bij gelijktijdig indrukken is een vaste veilige reactie geprogrammeerd.
De aansturing is zo ontworpen dat de relevante uitgangen direct stoppen als een knop wordt losgelaten. Veiligheid bij hydraulische systemen heeft altijd voorrang. Bij het indrukken is een zachte aanloop geprogrammeerd dankzij de beschikbare PWM-functionaliteit.
Debugging en afstemming ter plaatse
Na de eerste inbedrijfstelling bleek één uitgang (MA9136) bekrachtigd te blijven na het inschakelen en pas terug te vallen na het wegnemen van de voedingsspanning. Marius heeft dit ter plaatse bij Libacon onderzocht en opgelost. De schakelaar bovenop de unit stond op ‘auto’ in plaats van op ‘local’, een instelling van de machine zelf die het resetgedrag beïnvloedde. Na omzetting werkte alles naar verwachting.
Resultaat
De Libacon PWMController verving de defecte ECU-uitgangen volledig. De minigraver was weer operationeel. De firmware, het schema en de PCB-bestanden zijn beschikbaar via de GitHub repository zodat zelfs als ons bedrijf niet meer bestaat er documentatie is voor eventuele reparaties of aanpassingen.
Van maatwerk naar product: de weg naar PotentIO
De Libacon PWMController is een directe voorloper van PotentIO: ons eigen universele platform voor (onder andere) het vervangen van proportionele regelkaarten. Waar de Libacon-controller volledig op maat is gemaakt voor één specifieke machine, is PotentIO ontwikkeld als configureerbaar platform dat breed inzetbaar is: van hydraulische ventielen in landbouwmachines tot industriële aandrijftoepassingen.
De ervaringen met dithering, veilige PWM-sturingen en robuuste ingangsbescherming uit dit project zijn direct meegenomen in het ontwerp van PotentIO.
Heeft u een machine met een defecte proportionele regelkaart, heeft u interesse in een printplaat op maat, of wilt u weten of PotentIO een oplossing biedt voor uw toepassing? Doe hier een aanvraag.
