Wie funktioniert ein E-Regler?

[Hermann Schellenhuber]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Servus,

da wird ja so einiges durcheinandergebracht und einige Aussagen sind auch falsch. Unsere Brushless-DC Motoren gleichen zwar im Aufbau einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, werden aber wie ganz normale Gleichstrommotoren mittels Spannung in ihrer Drehzahl gestellt bzw. geregelt. Dies geschieht zweckmäßigerweise mittels PWM (Rechtecksignal, kein Sinus), genauso wie wir es von den alten Bürstenmotoren kennen. Dann gibt es da eben noch die elektronische Kommutierung. Das, was der Kommutator beim Bürstenmotor mechanisch macht, das wird nun elektronisch erledigt, in dem man die 3 Phasen nach einem gewissen Schaltschema bestromt, damit ein drehendes Feld erzeugt wird. Falsch ist nun die Annahme, man würde die Frequenz vorgeben und der Motor dreht dann eben so schnell wie das Drehfeld. Das Drehfeld wird nämlich immer an die aktuelle Drehzahl der Welle angepasst, egal welcher Lastzustand herrscht, ist also kein Vorgabewert. Bremst du den Motor an der Welle, so wird das Drehfeld auch automatisch langsamer, es hält durch die feldorientierte Steuerung immer die gleiche Position zum Rotor ein.

Genauer: der sensorlose Regler weiß durch die Back-EMF an der momentan unbestromten Phase jederzeit über die Position des Rotors bescheid. Er braucht diese Info, um den Stromvektor so nachzuführen, daß dieser in einer gewünschten Winkelbeziehung (90° für maximales Drehmoment) zum Rotorfluß (durch Permanentmagnet) steht. Das macht ein mechanischer Kommutator ganz automatisch, aber hier muß diese Winkelbeziehung von außen geregelt werden. Man gibt nicht eine gewisse Frequenz des Drehfeldes vor, damit sich eine gewünschte Drehzahl einstellt, sondern macht die Drehzahleinstellung nur über die PWM, also die angelegte Spannung. Und das Drehfeld richtet sich dann eben durch die feldorientierte Steuerung nach der aktuellen Rotordrehzahl und Position. Der Motor verhält sich also wie ein ganz normaler Bürstenmotor auch, nur daß eben die Kommutierung nun elektronisch erfolgt. Hoffe das ist irgendwie verständlich, sonst versuch ich das noch besser zu erklären. Daher hat die Angabe Umdrehungen/Volt ihre Daseinsberechtigung.

Schöne Grüße,
Hermann

[Oliver]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Genau so habe ich das auch immer verstanden. Also ein alter Brushi, welcher halt elektrisch kommutiert wird.

Oliver

[dl7uae]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Gut erklärt, Hermann! Mir hätte man wieder ein "Ausdeutschen" an's Herz gelegt.

[Pattrex]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Danke Jungs!
Ich dachte schon ich müsste heute doof ins Bett gehen.

Mehr davon!!!

[JMalberg]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

...
Man gibt nicht eine gewisse Frequenz des Drehfeldes vor, damit sich eine gewünschte Drehzahl einstellt, sondern macht die Drehzahleinstellung nur über die PWM, also die angelegte Spannung.
...

ßh das versteh ich als Elektrobanause jetzt nicht.

[rmmx]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Wer noch ein bisschen mehr Lust auf Theorie hat....

Hatte ich mal im letzten Winter zusammengestrickt

http://rmmx.gmxhome.de/bldchv/start.html

Gruß
Ralf

[dl7uae]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Jupp, der dreht sich so schnell, wie es ihm sein Drehmoment bei anliegender mech. Last und Spannung (integriert aus PWM (An/Aus) nach den spezifischen UPM/V erlaubt. Der ESC führt nicht, er kommutiert, wie er den Rotor per Gegeninduktionsimpulse der Wicklungen in Position wähnt. Der ESC ist nicht die Henne, er ist das Ei.

Dass der ESC letztendlich doch die Drehzahl stellt durch das von ihm auch erzeugte PWM ("Gas") wie bei der guten alten Bürste, steht auf einem anderen Blatt.

[Hermann Schellenhuber]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

ßh das versteh ich als Elektrobanause jetzt nicht.

probieren wir es nochmal ein bisserl anders:

Zuerst mal dazu, wie der Steller allgemein eine variable Spannung aus dem Antriebsakku erzeugt: das geschieht wie schon erwähnt mittels PWM (Pulsweitenmodulierung). Grob gesagt ist das einfach ein Rechtecksignal, wo eine gewisse Zeit eingeschaltet wird, und eine gewisse Zeit ausgeschaltet. Das Verhältnis zwischen Ein und Aus kann man einstellen.

Nehmen wir mal einen alten Bürstenmotor her, welchen wir mit einem Schalter ein- und ausschalten können. Wir wissen, daß so ein Motor eine gewisse Trägheit hat. Schaltest du ihn ein, so dreht er nicht sofort mit voller Drehzahl, braucht einen Moment bis er diese erreichen kann. Wenn du ausschaltest, dann steht er auch nicht sofort, sondern braucht dafür auch eine gewisse Zeit. Wenn du nun den Schalter ganz schnell die halbe Zeit ein- und wieder ausschaltest, so kann der Motor nie auf volle Drehzahl kommen und er wird auch nie zum Stillstand kommen. Es stellt sich eine mittlere Drehzahl ein (alles mal vereinfacht dargestellt). Man kann also durch ganz schnelles Ein- und Ausschalten den gleichen Effekt erreichen, als würde man einen Akku mit variabler Spannung einsetzen. Die Frequenz dieser PWM ist das, was wir unter Taktfrequenz beim Steller/Regler kennen. Bei 8kHz wird zb. 8000 mal pro Sekunde ein- und wieder ausgeschaltet, das Verhältnis der Ein- zur Aus-Phase bestimmt die mittlere Spannung. Bei 50% Ein und 50% Aus innerhalb einer Periode (125µs bei 8kHz) ergibt sich also die halbe Akkuspannung. Der Bürstenmotor würde also mit halber Drehzahl drehen (unbelastet). Der Trick mit dem schnellen Ein-/Ausschalten funktioniert auch in anderen Bereichen, etwa bei Leuchtdioden, weil unser Auge so träge ist.

Der gleiche Trick funktioniert natürlich auch beim bürstenlosen Motor. Anstatt immer durchgehend die volle Spannung auf die jeweiligen Spulen zu schalten, werden diese mittels PWM schnell ein- und ausgeschaltet. Nehmen wir also mal an, du stellst die halbe Spannung ein, also 50:50. Der Motor steht am Anfang, wir wollen ihn nun mit halber Spannung laufen lassen. Jetzt kommt ein schwieriger Moment, der Anlauf. Unsere Steller arbeiten sensorlos und bekommen die Info wie schon mal erwähnt durch das Signal der Induktionsspannung an der unbestromten Phase (gibt auch Tricks, wie man an bestromten Phasen die Auswertung macht). Wenn der Rotor dreht, dann induziert er ja in den Spulen eine Spannung, und die wird ausgewertet. Dreht er sich nicht, gibt es auch keine Spannung. Das heißt aber nichts anders, als daß der Steller zu Beginn gar nicht weiß, wo der Rotor steht. Beim Bürstenmotor ist das einfach, weil es durch den Kommutator immer einen fixen Zusammenhang gibt. Um den bürstenosen Motor perfekt anzusteuern bräuchte er aber die Info über die aktuelle Rotorstellung. Was macht man? Nun, man steuert am Anfang "blind" nach einem gewissen Schema, bis ein verwertbares Signal vorhanden ist und man die Rotorposition kennt. Da kann es auch schon mal vorkommen, daß der Motor kurz in die andere Richtung anläuft und dann die Richtung wechselt. In diesem Anlaufprozess liegt einiges an Know-How, ihr kennt es ja, manche Hersteller bekommen keinen so guten Anlauf hin wie andere. Da gibt es also so seine Tricks.

Ok, nehmen wir mal an, der Steller erzeugt nun sein Drehfeld und der Rotor beschleunigt. Sobald der Steller weiß, wie der Rotor momentan steht, passt er das Drehfeld sofort an die Rotorstellung an. Die müssen immer fix zueinander stehen. Da wir ja nun die halbe Spannung angelegt haben, möchte der Motor weiter beschleunigen. Der Steller weiß, daß der Motor immer schneller wird und erhöht auch gleichzeitig die Drehfrequenz des Drehfeldes.

Irgendwann erreicht dann der Motor seine gewünschte Drehzahl. Die ergibt sich eben aus der angelegten Spannung und einer eventuellen Last. Das Feld dreht sich also immer genauso schnell wie der Rotor, weil dies ja ständig angepasst wird. Jetzt bremsen wir mal das Teil. Der Steller merkt, daß die Welle unter Last langsamer wird. Er muß aufpassen, daß die Stellung des Stromvektors aber weiterhin zum Rotor optimal steht. Er wird also das Drehfeld auch verlangsamen. Er hält zu jeder Zeit die fixe Winkelbeziehung aufrecht. Genau das, was ein Kommutator beim Bürstenmotor auch ständig aber automatisch macht.

Wie funktioniert nun eine Drehzahlregelung? Dadurch, daß ja das Signal vom Rotor ausgewertet wird, kennt der Steller auch die aktuelle Drehzahl des Rotors. Belastet man dann die Welle, so merkt er, daß die Drehzahl niedriger wird. Er wird nun mehr "Stoff" geben, passt die PWM (und somit die Spannung) so an, daß die Soll-Drehzahl eingehalten werden kann. Davon unabhängig läuft weiterhin die elektronische Kommutierung, die muß von der Regelung gar nichts mitbekommen, die passt nur auf, daß der Stromvektor des Drehfeldes immer die passende Stellung zum Rotor einhält.

Hoffe das ist etwas klarer, aber vielleicht könnte man das noch einfacher schreiben. Vielleicht beim nächsten Versuch

Schöne Grüße,
Hermann

[scrat]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Wow, nu habe ich das auch verstanden. Bin auch nicht so elektrisch, wie ich eigentlich sein sollte. Also, was ich angeblich mal gelernt habe.

Also die Frequenz, die ich am Regler wählen kann ist für die PWM. Was ist das Timing?

[dl7uae]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Was ist das Timing?

Der "Schlupf", die Phasenverschiebung zw. tatsächlicher Rotorposition und vom ESC erzeugten Drehfeld. Hat was mit Trägheit und mit dem Drehmoment zu tun, außerdem ist die Wicklung eine induktive Last, sie verzögert den Stromanstieg in der jeweiligen Phase.

[Hermann Schellenhuber]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Servus,

Tom hat das Timing schon beschrieben. Auch bei Bürstenmotoren kann man im Prinzip das Timing verstellen, man drehte einfach das hintere Lagerschild etwas. War
durchaus Gang und Gäbe im Wettbewerbsbereich.

Schöne Grüße,
Hermann

[Felge der Nacht]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Die Master-Frage wäre da allerdings noch, worin der Unterschied zwischen dem Steller und dem Regler-Modus liegt.

[dl7uae]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Die Master-Frage wäre da allerdings noch, worin der Unterschied zwischen dem Steller und dem Regler-Modus liegt.

Die wurde eigentlich von Hermann schon beantwortet:
Im Stellermode führt irgendein "Gas" als Input (Servo-PWM) zu irgendeiner Drehzahl. Bricht die Drehzahl durch Belastung ein, oder dadurch, dass die Akkuspg. geringer wird (durch Entladen oder Innenwiderstand), kann ich als Pilot nur mehr Gas geben, wenn da noch Reserve sein sollte.

Im Governormode setzt die Software im ESC (in dessen Microcontroller) einfach noch eine Funktion on top: Die Impulse von den Wicklungen hat sie ja eh (für die Kommutierung), wieviel (magn.) Pole der Motor hat, weiß sie auch (lernt sie), also muss die Drehzahlreglerfunktion nun nur für Drehzahlnachstellung bei Abweichung vom Soll sorgen, indem sie selbst Gas gibt/wegnimmt, also das Tastverhältnis der Motor-PWM ändert.

Apropos Solldrehzahl: Im bisherigen Standardfall war das einfach so, dass die bei
- gegebener Akkuspg.
- gegebenen UPM/V des Motors
- dessen gegebener mechan. Belastung
- gegebenem Gas (virtuelles Soll, nur mit Drehzahlmesser zu bestimmen)
sich einstellende Drehzahl, versucht wird, zu halten (auszuregeln).
Starte ich den Motor mit bereits etwas entleertem Akku (gesunkene Lastspg.) erneut im Governor-Mode, stellt sich eine geringere Drehzahl ein, die sodann ausgeregelt wird.

[Stefan Reusch]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Hallo,

Hermann hat das sehr schön erklärt das ganze und zwar so dass es eigentlich jeder verstehen sollte. Prima Sache das, ab sofort hast du bei mir den Status Erklärbär ;-)))).
Weiter so!
Damit sollte jetzt auch endlich jeder mal nachvollziehen können dass ein wirklich effektiver Antrieb eben nicht mit mindestens 80% Regleröffnung betrieben werden muss. Der effektivste Antrieb hat soviel Reserve zum Nachregeln dass die maximale Spannung (und damit der maximale Strom) immer noch knapp im Regelbereich liegen. Nur dadurch wird das würgen des Motors, das mit einem hohen Stromanstieg und geringerer Leistung durch weniger Drehzahl und weniger Wirkungsgrad einhergeht, vermieden. Und dass geht bei 80% der maximalen Spannung eben nur wenn man kaum noch Pitchreserven hat. Die Kunst bei den niedrigen Vorwahlen ist es den Strom im Zaum zu halten, und das geht nur mit effektiven Gesamtkonzepten die mit weniger Drehzahl und weniger Gewicht arbeiten. Und da sind die ja achsotollen Mainstreamhersteller ungefär so weit weg davon wie die Erde von der nächsten Supernova. Gottseidank gibt es ja immer noch einige (meistens Deutsche) Hersteller die in der anderen Richtung auch immer wieder gute Gesamtkonzepte anbieten.
Gruß
Stefan

[dl7uae]

AW: Wie funktioniert ein E-Regler?

Ja, der Witz ist ja, dass die meisten ESC's bei ca. 80% seitens Input (Servo-PWM) bereits volle Pulle am Ausgang (Motor-PWM) geben, also im Impulsverhältnis quasi dauerhaft die beiden Akkupole an die jeweiligen zwei Wicklungsenden durchschalten. Allerdings ist es meist kein lineares Verhältnis zw. Motordrehzahl und Gas in %, zw. 65 und 75% passiert sehr viel.

Andererseits ist es eben auch ungesund, mit zu kleinem Tastverhältnis der Motor-PWM rumzufliegen (wenig Gas, Ritzel zu gross), weil dadurch die Schaltverluste im ESC ansteigen. Die Flanken des Ein-/Ausschaltens des Wicklungsstroms durch die 3 Brücken mit FET's sind eben nur endlich steil, auch, weil hier keine rein ohmschen Lasten geschaltet werden, sondern eben induktive, die den Stromanstieg verzögern (Strom eilt der Spannung nach).

An der Stelle noch mal zum Begriff PWM (PulsWeitenModulation):
Bei Motor-PWM handelt es sich um eine kontinuierliche Impulsfolge im Bereich mehrerer Kilohertz. Servo-PWM hingegen hat eine definierte Spanne für die Impulslänge (750 bis 2250 us, 1520us als Mittenimpulslänge == 50%), Positiv- oder Negativimpulse, und eine größere Lücke zw. den Impulsen, 20ms als Standard für Analogservos, beim FASST-RX nur 14ms, bis runter zu 3ms für Digitalservos. Die Impulslänge kann abweichen für Sonderbauformen von Servos (meist Heckservos), der Mittenimpuls wird kürzer, um insgesamt mehr Updates pro Zeiteinheit in's Servo zu kriegen.
PPM (Pulse Position Modulation) ist übrigens nichts anderes als ein serielles Aneinanderreihen der Servo-PWM-Impulse der einzelnen Kanäle, mit einer Impulslücke von wenigstens 3ms am Ende des Frames.