Onderwerp: EPS (Electric Power Steering) als auto pilot drive

Voor de (would be) engineers hier:
Een vriend in ons bootclubje heeft een traditioneel gebouwd 12M houten (kauri) motorboot die abandoned was in de mangroven gered en gerestaureerd over een periode van 3 jaar. Nu weer te water en op een mooring. Nu werkt hij aan de (budget) uitrusting en heeft mij om assistentie gevraagd om een auto pilot te installeren, belangrijk omdat hij vaak short handed vaart. Ik heb hem kunnen helpen met een G-pilot, een erg goede oudere generatie Navman auto pilot. Een drive unit ontbreekt echter.
Gekeken naar een aantal doe het zelf oplossingen. Het probleem bij veel DIY drives is (het ontbreken van) een electro-magnetische clutch. Geĩnspireerd door videos op Youtube denken we nu een drive unit te maken op basis van elektrische power steering (EPS) van een Toyota Prius van de auto-sloop. Daar is geen clutch voor nodig. De stuur assistentie (in de auto) wordt geleverd door een een 12V DC elektromotor via wormas/wormwiel overbrenging. Bij wormwiel/wormas constructies kun je normaal niet met het wormwiel de wormas verdraaien door de te grote weerstand en de ongunstige overbrenging. Bij het Prius EPS ontwerp lijkt dat wel mogelijk te zijn door de grote spoed en het lage weerstand materiaal van het wormwiel. Dat betekent dus dat bij problemen als de elektromotor het niet doet met de hand gestuurd kan worden, waarbij de elektromotor meedraait. Deze cunstructie lijkt goed bruikbaar voor een autopilot.
De elektromotor wordt gestuurd door de EPS computer, die draairichting en torque bepaalt a.d.h. parameters zoals snelheid die van de CAN-bus gelezen worden. Die controller laten we helemaal weg, evenals de stuur torque sensor. Dus wat overblijft is slechts de electromotor met wormwiel/wormas constructie. Nu zal de elektromotor zonder controller veel te powerful zijn om via tandwiel en ketting de boot op de roerkoning te sturen. Daarom is het plan om een PWM electric motor speed controller te gebruiken zodat met de potentiometer het best bruikbare vermogen kan worden ingesteld.
We zijn niet gebonden aan de Prius EPS, maar deze is het eenvoudigst. Ook andere EPS's met planetaire tandwiel constructies zijn waarschijnlijk bruikbaar. Met deze kun je de wormas niet rechtstreeks verdraaien, maar om met de hand te sturen maken de kleine planetaire tandwielen en een ring tandwiel overbrenging op de as mogelijk. Dus ook hierbij geen clutch nodig. Zal iets omvangrijker zijn, maar zullen we nader bekijken of we dit kunnen gebruiken indien we geen bruikbare Prius EPS kunnen vinden.

Ik ben benieuwd of er hier in het ZF leden zijn die vertrouwd zijn met deze materie en suggesties kunnen geven of op denkfouten kunnen wijzen.
Een goede uitleg van Prius EPS wordt hier gegeven:

Op het ZF met zoeken niets over EPS kunnen vinden, maar misschien wel ergens verborgen.

Cheers,
Walt

Hoi Walt,

Een gebruiker van mijn autopilot heeft precies deze oplossing. De Prius eps draait veel te snel bij hem. Het vermogen dat de EPS trekt was dusdanig dat hij te zwaar was voor de autopilot motor controller. De maximale snelheid instellen in de autopilot settings werkte niet. Uiteindelijk heeft hij een own snelheidsregelaar tussen de autopilot en motor gezet.

Het is al weer 3 jaar geleden, kan hem nog eens vragen hoe het gaat of hoe het precies zat

Hi Pieter (toch?),
Wat leuk, zou inderdaad interessant zijn te horen hoe de Prius EPS oplossing in de praktijk is bevallen. Ik heb ook je website bekeken, mooie success story zeg. Ik had nog niet eerder van Nautinect gehoord, weer wat geleerd. Hou je product zeker in gedachten. Dutch inventivity, altijd goed!

Ik ben tot de conclusie gekomen dat een PWM DC motor speed regulator inderdaad nodig is om de EPS motor te temmen, maar daar duikt een probleempje op. De regulators die je van de plank kunt kopen regelen de min, terwijl de polariteit van de AP output steeds wisselt om draairichting van de motor te veranderen bij het sturen.
Ik denk een goed circuitje om dit op te vangen daarvoor bedacht te hebben, maar hoor graag suggesties.
De G-pilot kan 20A leveren, dus dat is het probleem niet.

Cheers,
Walt

Het principe van een wormaandrijving die je handmatig kan bedienen ken ik wel van een elektrische rolstoel. Die kan je inderdaad ook duwen, maar dat moet je wel echt graag willen. (Gaat wel maar (erg) zwaar)
Misschien is een e-fiets (midden)motor ook een optie. Stuurwiel op de trapas en ketting naar je roer. Zal je ook elektronisch moeten aanpassen want een fiets heeft geen achteruit

WaltB schreef : mijn SPX5 heeft geen uitgang om een koppeling te bedienen, dus die heb ik gewoon handmatig met een schakelaartje in de kuip gemaakt. Dat is dan natuurlijk een 2e handeling (naast op "auto" drukken) maar ik kan er mee leven...

TuuLeVi schreef : Dat knopje van jou bedient de clutch van je drive. Maar een clutch realiseren met een diy drive is erg lastig. Vandaar de zoektocht naar een drive waar geen clutch voir nodig is.

Ik ben heel benieuwd of de prius oplossing gaat werken en hoe licht/zwaar de vrijloop is.

lschip schreef : ohw zo, sorry.
En waarom dan niet een gebruikte drive?

TuuLeVi schreef :
Die zijn ook best duur.
Maar of een diy systeem veel goedkoper wordt vraag ik mij ook idd af.
En van een echte drive verwacht je ook meet zekerheid/betrouwbaarheid.

Maar ik ben benieuwd naar deze ontwikkeling.

WaltB schreef : Hoi Walt,

Ja, Pieter inderdaad. Ik heb de berichten met mijn gebruiker er nog eens bij gepakt. Het is iets korter geleden dan ik zei, ruim twee jaar. Wat hij tegenkwam:

Zonder regeling is de Prius EPS-motor veel te snel en trekt hij veel te veel stroom. Hij heeft de zelfbouw versie met een BTS7960 motor driver, maar de EPS-motor ging daar bij aanlopen overheen en de stroombeveiliging greep in. De maximale motorsnelheid in de autopilot-instellingen (dat is bij mij gewoon een PWM-begrenzing) bleek in de praktijk niet voldoende.

Zijn oplossing was een kant-en-klaar PWM-regelaartje (10-50 V, 20 A, zo’n “HHO”-module van een paar tientjes).

Belangrijk detail: hij heeft die niet tussen de autopilot-uitgang en de motor gezet, maar in de voeding naar de motorcontroller. De H-brug van de autopilot krijgt dan gewoon een lagere effectieve spanning en de polariteitswisseling blijft zoals hij was. Precies het probleem dat jij noemt, maar dan omzeild. Of dat bij de G-pilot kan hangt af van de vraag of het drive-gedeelte een eigen voedingsingang heeft, los van de elektronica. Als dat zo is, is dit veruit de simpelste route. Wel een flinke elko achter de regelaar zetten, want een gechopte voeding op een H-brug die zelf ook chopt is niet elegant, maar het werkt wel. Bij hem werkt het al die tijd prima.

Als de G-pilot geen aparte drive-voeding heeft: gebruik de AP-uitgang alleen als richtingssignaal (twee optocouplers of een relais detecteren de polariteit) en laat een eigen H-brug (bijv. BTS7960-module, 43 A) de motor sturen, rechtstreeks vanaf de accu, met de duty cycle vast ingesteld via een potmeter. Dat is robuuster dan een regelaar in de motorlijn proberen te persen en de H-brug kost minder dan een tientje.
Nog een aandachtspunt voor het met de hand sturen: een teruggedreven motor werkt als dynamo.

Als de uitgang van de autopilot in rust laagohmig is (dynamisch remmen), wordt handmatig sturen zwaar. Controleer dus dat de drive-uitgang in rust zwevend is, of zet er een relais tussen dat de motor loskoppelt zodra de AP in standby staat. of laat hem aan zodat je stuurbekrachtiging hebt.

Omswinder schreef :
Good stuff Pieter! Allemaal nuttige en interessante informatie, bedankt voor de tijd die je er aan besteed.

Ik heb een eenvoudige oplossing voor de PWM speed controller tussen auto pilot en EPS DC motor om de polariteit wisselingen op te vangen. Ik zal een schetsje maken en hier posten.

Trouwens grappig dat je surplustronics noemt. Zit in de stad waarin ik woon. Heb er in het verleden veel spulletjes gehaald. Woont die gebruiker van je ook hier in NZ? Overigens heb ik de PWM regelaars van AliE. Ik gebruik ze ook voor andere toepassingen.

Goede suggestie ook betr. de AP drive uitgang. Zullen we testen als het zover is en je suggestie opvolgen.

Ik denk niet dat de dynamo werking van de dc motor bij met de hand sturen een probleem zal zijn, maar goed dat je het noemt. Je weet maar nooit.

Ik ga het schetsje maken,

Cheers,
Walt

lschip schreef :
Ischip,

Als je de video waarvan ik eerder de link gaf bekijkt kun je zien dat de man met verbazend gemak met de hand de as en wormwiel verdraait waarbij de DC motor via de wormas meedraait. Vrijloop zal dus heel licht zijn.

Cheers,
Walt

Hi Pieter en misschien andere geïnteresseerden,

Hierbij het aangekondigde schetsje. Ik weet het, het kan ook op diverse andere manieren, maar deze spulletjes had ik voorhanden en ik kon het makkelijk even testen. Niet met de G-Pilot, die ligt bij mijn vriend thuis, maar met een andere stroombron met wisselende polariteit.

Ten overvloede, de snelheid wordt dus netjes in beide draairichtingen instelbaar gereduceerd.

Het relay is 10A, is denk ik voldoende, maar ik zal een 20A zoeken,

Cheers,
Walt

WaltB schreef :
Ja, die gebruiker woont in NZ op een grote motor trawler, hij ligt daar ergens in een baai. heb de link van hem gekopieerd.
WaltB schreef :
Die "diode brug" moet wel de stroom aankunnen, dat spreekt voor zich. Diodes brengen ook een voltage drop met zich mee, dus daarvan gaat de motor al langzamer draaien. Worden wel flinke diodes

Die relais gaan heel veel schakelen, beetje afhankelijk van de condities maar 10x per minuut zal niet ongewoon zijn. Dan zit je al aan 100.000 schakelingen in 166 uur. En dan schakelen we altijd onder last. Zorg voor een goede relais, of liever een Solid State relay.


Maar ik zou altijd eerst de simpelste route onderzoeken! Voed je G pilot direct vanuit de pwm speed controller. Dan ziet je G pilot effectief 8V of iets dergelijks maar als hij daarmee kan draaien heb je geen relais en diode bruggen nodig. Als dit de gewenste snelheidsreductie oplevert, dan ben je er al.

WaltB schreef :
Bij dit setje voel ik toch nog wel wat weerstand, kan lastig inschatten hoeveel het is in vergelijk met de vrijloop van een hydraulische hy-pro geschat wel minder dan de helft.

Omswinder schreef :
Een paar opmerkingen:

Ik ben ook helemaal voor simpele oplossingen, maar ik wil potentiele problemen uit de weg gaan door de G-pilot niet een (veel te) lage voedingsspanning aan te bieden. Het lijkt mij daarom veiliger om de PWM regelaar niet voor de AP voeding ingang te plaatsen maar schone direkte accustroom aan te bieden. Bij je eigen produkt is het voorspelbaar, maar ik weet niet of dit acceptabel is bij de G-pilot.
Ik zou de schakeling met 4 diodes en een DPDT relais die ik heb gemaakt (kosten $10) niet complex noemen en het werkt goed. Een uurtje werk. Je zou het kunnen zien als een zeer eenvoudige vervanging van de oorspronkelijke EPS controller.

De schakel frequentie van het relais zal m.i. geen enkel probleem zijn. Als ik kijk naar sommige andere toepassingen, dan is dat schakelen elke paar seconden geen probleem. Denk bijv. aan het vele schakelen door zo'n oude dynamo voltage regelaar uit de seventies.

Helaas is er geen solid state alternatief voor een DPDT relais, zoals je suggereert. Ik ben dit nog nooit tegengekomen. Het DPDT relay heeft spade-terminal connecties, dus vervanging bij eventueel falen is eenvoudig en voor een paar $ een relais als reserve houden.

Ja, diodes moeten flink zijn. Voor mijn testje flinke W9522's gebruikt. V-drop is 2 x 0.6 V, maar dit werkt dus mee aan het temmen van de EPS DC motor.

In ieder geval bedankt voor het meedenken en je suggesties. We gaan het straks in de praktijk allemaal zien.

Cheers,
Walt

Zeilprutser schreef :
Hi Onno,
Ja, geheel weerstandsloos is natuurlijk niet mogelijk. Op mijn vorige boot was de weerstand door de hydroliek ook behoorlijk hoog. Op mijn huidige boot kun je de weerstand van de B&G drive (Octopus) tijdens handmatig sturen ook voelen. Maar bij stuurwiel besturing is dit nauwelijks een punt en kun je met een vinger sturen.

Cheers,
Walt