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Samstag, 10. Dezember 2011, 00:49

Low Cost Fahrtregler für Brushless-Motoren

Herzlich willkommen zusammen zu einem neuen Projekt, nicht nur für RC-Schiffebauer.

Vorweg direkt die Warnung: dieses Thema wird ein wenig anspruchsvoll um nicht zu sagen ätzend. Da es aber für viele RC-Schiff-Kapitäne enormes Potenzial beinhaltet, möchte ich es Euch gerne vorstellen. Dabei ist mir wichtig nicht nur den Bau und die dahinter stehende Entwicklung zu zeigen, sondern auch einigermaßen auf die Grundlagen einzugehen.

Die Anwendung:

Bei mir stehen eine Reihe von Plastikschiffsmodellen zum Bau an. Ihnen allen gemein ist der Wunsch nach schneller Fahrt bei zugleich geringer Masse. Ach ja - allzu viel kosten sollte das Hobby dann doch auch nicht. Insbesondere bei Schiffen mit 3 Antrieben sind die Antriebskosten inklusive Elektronik nicht unerheblich.
Zu diesen Booten gehören beispielsweise die Hermann Marwede in 1/72, die Sunseeker Yacht ebenfalls in 1/72 und das Miami Vica Boot von Revell.
Mittlerweile gibt es aus Asien eine Reihe sehr kleiner Motoren. Einer meiner absoluten Favoriten ist der Turnigy 1220 mit 12 mm Durchmesser, 20 mm Länge und lediglich 8 Gramm Gewicht:



Bei dem Motor handelt es sich um einen sogenannten Brushless Inrunner. Dies ist ein Bürstenloser Drehstrommotor, bei dem der rotierende Teil im Inneren liegt. Flumodellbauer verwenden mittlerweile vornehmlich Außenläufer (Outrunner).
So ein Motor benötigt einen speziellen Fahrtregler. Genau hier beginnt das Problem. Es finden sich im Markt zahllose Brushless-Regler für Flugmodelle, zum Teil enorm günstig. Sie alle bieten jedoch nur eine Drehrichtung.
Die wenigen verfügbaren Regler mit Rückwärtsgang stammen aus dem Automodellbau, sind groß und schwer - oder aus dem Rennbootsektor und damit noch größer / noch schwerer.
Faktisch gibt es keinen kleinen und leichten, für leichte Plastikschiffsmodelle geeigneten Regler im Markt. Schon mal gar nicht für kleines Geld.

Also habe ich mir ein paar 10 Ampere Flugregler aus Hongkong besorgt, das Stück für unter 5 Euro:



Solch ein Regler beinhaltet bereits eine 1 Ampere BEC-Schaltung, mit der prima Empfänger und Servos versorgt werden können. Man spart also den Empfängerakku. Das Teil wiegt gute 12,4 Gramm:



Entfernt man nun all das überflüssige Gerümpel, sprich den Schrumpfschlauch und die ganzen Anschlussleitungen, so liegt man bei begeisternden 3,9 Gramm:



Das Problem freilich: Noch immer handelt es sich um einen Flugmodellregler ohne Rückwärtsgang.
Die Idee war geboren die vorhandene Hardware mit einer neu entwickelten Software auszustatten.
Also schauen wir uns das Teil mal näher an, zunächst die Seite mit dem Mikrocontroller. Es handelt sich um einen ATMEL ATMega8:



Die zweite Bestückungsseite trägt im Wesentlichen die MOSFET-Endstufen und den Spannungsregler für die BEC-Schaltung:



Jetzt folgt ein wenig Fleißarbeit, sprich die Aufnahme der Schaltung. Für die weiteren Aktionen müssen wir genau wissen, welcher Mikrocontrollerpin wohin führt:



Dann war die Zeit reif für den ersten mutigen Schritt, das Anlöten von den erforderlichen 6 Leitungen für das Programmier-Interface.
Und siehe da - es war auf Anhieb möglich mit dem Mikrocontroller zu kommunizieren:



Wie erwartet ließ sich allerdings die Software nicht auslesen. Diese Prozessoren haben sogenannte Fuse bits. Sind sie gesetzt, so wird ein Zugriff auf den Programmspeicher verhindert.
Somit die ernüchternde Erkenntnis: Eine komplett neue Software muss her - nix mit Änderungen der bestehenden...

Zu diesem Zweck habe ich eine Art Entwicklungsboard aufgebaut. Der eigentliche Regler nimmt dabei den geringsten Platz ein. Man sieht 6 Leuchtdioden zur Anzeige der 3 Treiberendstufenpegel. Dazu eine Leiterplatte mit weiteren Leuchtdioden für Spannungs- und Statusanzeigen. Weiterhin gibt es den Anschluss für den speisenden Akku (LiPo 7,4 V) und das Empfängersignal. Als Letztes findet man noch einen kleinen Lautsprecher. Dieser gibt verschiedene Piep-Töne von sich. Später piept stattdessen der Motor - kein Quatsch. Man kann diese Brushless-Motoren derart genau regeln, dass sich auf ihnen Musik abspielen lässt:



Wenn das alles so klappt wie geplant, dann steht am Ende für schlappe 5 Euro ein voll funktionstüchtiger Brushless-Schiffs-Fahrtregler mit lediglich 4 Gramm zur Verfügung.
Ich bin am Projekt bereits seit knapp 2 Monaten dran. Heute lief zum ersten Mal der Motor - deswegen dachte ich ist es der richtige Zeitpunkt mal mit dem Bericht zu beginnen.

Soweit mal der Einstieg ins Thema. Auch wenn es sich nicht um Plastikmodellbau handelt, so geht es um eine riesige Hilfestellung um Plastik-Schiffsmodelle ans Fahren zu bekommen.
Ich hoffe es wird für den einen oder anderen unter Euch ein wenig interessant.

Bis in Bälde,
Gruß,
Johannes

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2

Samstag, 10. Dezember 2011, 08:18

HI

Es geht wieder los.
Eigentlich habe ich alles verstanden.
Eigentlich
Aber woher weißt du (Bild 7) wo die Kontakte der Kabel hinkommen?
Ich seh es, versteh das aber nicht.
Am Stecker ist wohl alles vordefiniert.
Doch wie kann man wissen welches Beinchen, mit welcher Belegung, wo aus dem Chip kommt ohne hineinsehen zu können?

lg
Stef

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3

Samstag, 10. Dezember 2011, 10:24

Hallo Stef,

in der Hoffnung Deine Frage richtig verstanden zu haben:

Zu jedem Chip gibt es vom Hersteller ein kostenloses Datenblatt, welches alle Details des Bausteins genauestens beschreibt. Diese Datanblätter kann man heutzutage überall kostenfrei im Netz runterladen. Im Falle des vorliegenden Mikrocontrollers ist es ein kleines Büchlein mit 308 Seiten.
Darin enthalten auch Abbildungen zu den verfügbaren Gehäuseformen und der jeweiligen Pinbelegung:



Jeder Pin hat eine gewisse Funktion - beim gegebenen Baustein teilweise bis zu 4 verschiedene Funktionen gleichzeitig sogar.
Nun gilt es die 6 für die Programmierung benötigten Anschlüsse zu finden, als da wären:
1. GND ("Ground") - der negative Spannungsanschluss
2. VCC - der positive Spannngsanschluss
3. RESET - der Anschluss zum Rücksetzen des Mikrocontroller
4. SCK - Taktanschluss für die Datenübertragung
5. MISO - erste Datenübertragungsleitung
6. MOSI - zweite Datenübertragungsleitung

Diese 6 Anschlüsse stehen bei nahezu allen Controllern aus dieser Typen-Familie zur Verfügung.
Zur Vereinfachung beim Löten sind 3 Strippen an anderen Punkten auf der Leiterplatte, die aber das gleiche Potenzial führen, angelötet.

Gruß,
Johannes

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4

Samstag, 10. Dezember 2011, 10:43

HI

Ja, genau das wollte ich wissen.
Danke

lg
Stef


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5

Samstag, 10. Dezember 2011, 11:25

Hallo Johannes,
ein gewaltiges Projekt!
- Vielleicht nicht einmal so sehr von dem Aufwand her (der bestimmt beträchtlich ist),
sondern eher von den zu erwartenden Folgen...

Es mutet eigentlich seltsam an, dass ein ausgewachsener Fahrtregler (Vor- und Rückwärtsfunktion) nicht bereits auf dem Markt ist,
da ja die Technik bei einem Brushless-Motor keine Polaritätsumkehr in der Art wie bei einem Bürstenmotor nötig macht.
Die Technik ist also schon die selbe.
Warum also haben die in China noch keinen Programmiert?
Erwarten die keine Verkaufszahlen?
Oder ist da eine gewisse Blindheit auf dem betreffenden Auge?

Ich jedenfalls schätze deinen Einsatz sehr.
Vor allem, seit ich selbst versuche mich ein wenig in die Grundlagen einzulesen (Danke nochmal).
Allerdings erkenne ich jetzt erst, wie komplex dieses Thema ist (Programmierung von Atmel-Bausteinen).
Ich versteh zwar, was du da machst, lesen kann ich auch ein wenig von solchen Programmen,
aber ein wirkliches Verständnis hab ich noch nicht wiedergewonnen.
Gerade deshalb ist alles was du hier schreibst so interessant.
Ich versuch jetzt erst mal ein wenig "Grundlagen-Lektüre" zu finden...
Vielleicht kann ich dann ja eines Tages mal mitreden...

Bis dahin hoffe ich, dass du deine Lust an dieser Art zu basteln nicht verlierst,
oder am Zeigen deiner Erfolge (und manchmal auch mal einen Misserfolg).

Ich bin jedenfalls sehr interessiert an deinem Projekt "Fahrtregler"! (Wer hätte es gedacht! :pfeif: )

glg,
Frank3
Modellbau ist Kunst - und manchmal Sport - und darf niemals als Arbeit gesehen werden!

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6

Samstag, 10. Dezember 2011, 12:00

Hallo Frank,

zu Deinen Punkten:

Die Frage, warum es keinen einzigen kleinen, leichten, günstigen Schiffs-Brushless-Regler im Markt gibt, hab ich mir auch schon zigmal gestellt.
Seitens Hardware ist null Zusatzaufwand erforderlich, um aus einem Flugregler einen bidirektionalen Regler zu machen.
Nach jetzigem Stand des Projektes (Motor läuft, allerdings noch mit Macken beim Starten, regelbar in einer Richtung), kann ich sagen, dass der Softwareaufwand für die Motorregelung 95% ausmacht. Die Ergänzung der Rückwärtsfunktion ist dann vergleichsweise ein Klacks und zudem auch sehr einfach zu debuggen.

Vermutlich gibt es schlichtweg keinen Markt, keine Nachfrage. Der größte Teil des Gelumps geht in Low Cost Helis, der Rest in Fertig-Flieger, Autos und Rennboote. Klassische RC-Modellboote baut doch kaum noch einer.

Die Lust verlier ich ganz bestimmt nicht. Das Thema ist ja auch beruflich (Elektromobilität) ein ganz heißes. So eine Softwareentwicklung verschlingt nur brutal viel Zeit, die ich mir nächtens gönne. Allerdings ist von Mitternacht bis nachts um 3 der Geist nicht mehr der allerhellste, weswegen es zum Teil arg mühsam ist.
Prinzipiell, das versuche ich auch hier im Weiteren zu dokumentieren, ist dies Projektchen schon reichlich anspruchsvoll, macht aber auch demenstprechend Gaudi.
Ich sehe es vor allem als entscheidenden Faktor um weitere Modellbauprojekte angehen zu können.

Gruß,
Johannes

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7

Samstag, 10. Dezember 2011, 14:05

Basiswissen Elektromotoren

Hallo zusammen und willkommen zum zweiten Teil - jetzt wird es theoretisch.

Aufbau Gleichstrommotor:

Um die Regelung von Brushless-Motoren zu verstehen, ist es zunächst mal erforderlich deren Funktionsweise anzuschauen. Dafür beginnen wir aber mal mit der Betrachtung "stinknormaler" Gleichstrommotoren.
Jeder von Euch hat ja als Zweitwagen eine S-Klasse, einen 7er BMW oder einen A8. In diesen Fahrzeugen werkeln mehr oder minder zuverlässig bis zu 80 kleine Elektromotörchen. Dieses sind fast alles Gleichstrommotoren, die gleichen Maschinen, wie in Carrera-Autos oder halt in allen früheren Modellbooten.

Der Aufbau sieht prinzipiell immer so aus:



Auf dem sich drehenden Rotor sitzt ein Blechpaket, welches eine oder mehrere Wicklungen trägt. Werden diese von Strom durchflossen, so entsteht ein Magnetfeld. Das Magnetfeld reagiert anziehend oder abstoßend mit dem äußeren Magnetfeld des Permanentmagneten im Gehäuse (Stator). Um nun Strom zur Wicklung zu führen benötigt man Schleifkontakte. Hierbei rutschen Kohlestäbchen ("Bürsten") per Federdruck über Kupferplättchen am Ende des Ankers, welche wiederum mit den Wicklungen verbunden sind. Den Vorgang der Stromeinspeisung und Magnetfelderzeugung nennt man Kommutierung.
Der Geniestreich am Gleichstrommotor ist nun der, dass bei sich drehendem Rotor automatisch die Polarität (Ausrichtung) des Magnetfeldes derart ändert, dass ein sich drehendes Magnetfeld entsteht - je nach Lage des Rotors.
Der offensichtliche Vorteil von Gleichstrommotoren: Sie erfordern keinerlei externe Regelung und können ganz simpel an einer Gleichspannungsquelle betrieben werden.
Der Nachteil liegt allerdings in der nicht kontaktfreien Stromübertragung. Somit gibt es nicht unerheblichen Verschleiß ("Bürstenfeuer").

Funktionsweise Gleichstrommotor:

Das folgende Bild zeigt zwei Prinzipskizzen zum Gleichstrommotor mit den zuvor beschriebenen Bauteilen.
Zm Verständnis die alte Weisheit aus Kindertagen: Ein magnetischer Nord- und ein Südpol ziehen sich, zwei gleiche Pole stoßen sich ab.
Die Anzahl der Pole am Motoranker kann variieren, ändert aber grundsätzlich nichts an dem Arbeitsprinzip. Durch eine höhere Polanzahl ergeben sich niedrigere Drehzahlen bei zugleich stärkeren Drehmomenten.
Um in einer definierten Richtung anlaufen zu können braucht der Anker mindestens 3 Pole.



Brushless-Motoren:

Der hochtrabende Name "Brushless-Motor" besagt im Grunde genommen nichts anderes, als dass der jeweilige Motor ohne Bürsten (Kohlebürsten) auskommt. Was mitunter als High Tech anmutet, ist eine seit Urzeiten bekannte und angewandte Technologie. Jeder Schrittmotor beispielsweise in Druckern oder Scannern arbeitet nach dem gleichen Grundprinzip.
Brushless-Motoren gehören zu der Gattung der Synchronmotoren und damit zu den Drehstrommaschinen. "Synchon" heißt in diesem Fall, dass der rotierende Teil brav dem Tempo des sich drehenden Magnetfeldes folgt, einen geringfügigen Schlupf mal außen vorgelassen.

Heutzutage gibt es eine Vielzahl an sehr kostengünstigen Brushless-Kleinmotoren, weitestgehend aus asiatischer Produktion:



Der offensichtlichstee Unterschied ist die Bauform. Hier unterscheidet man zwischen Innenläufern (Inrunner) und Außenläufern (Outrunner). Entsprechend Namensgebung bewegt sich halt das innere (Anker) bzw. das äußere (Glocke) Motorenteil mit dem permanenten Magnetfeld. . Das jeweils übrige Teil, also der Stator, beherbergt das elektrisch kommutierte Magnetfeld.

Brushless-Innenläufer (Inrunner):



Brushless-Außenläufer (Outrunner):



Außenläufer haben den großen Vorteil, dass sie mehr Platz für die Neodym-Magneten bieten. Sie sind insbesondere bei Modellfliegern sehr beliebt, kann man doch den Propeller prima an der äußeren Glocke befestigen und hat zudem noch einen zentralen Motorbefestigungsfuß.
In Schiffsmodellen sind von der Installation Innenläufer vorteilhaft, gleichwohl auch bedenkenlos Außenläufer Verwendung finden können. Im Regelfall haben die Außenläufer einen höheren Motordurchmesser, da dieser bei Flugmodellen eher unkritisch ist und zu mehr Leistung / Drehmoment führt. Entscheidendes Kriterium für das erzielbare Drehmoment ist der Radius des Luftspaltes zwschen den zwei wirkenden Magnetfeldern.

Vorteile von Brushless-Motoren:

Der wesentliche Unterschied von Brushless-Motoren gegenüber Gleichstrommotoren liegt in dem Entfall der Bürsten. Damit ist, mit Ausnahme der Wellenlager, der Brushlessmotor völlig verschleiß- und wartungsfrei.
Der Grundaufbau dieser Motoren ist unglaublich einfach, sie sind also nicht etwa komplexer, sondern viel simpler als traditionelle Antriebe.
Fälschlicherweise werden Brushless-Motoren immer mit Neodym-Magneten assoziert. Der Gebrauch von diesen speziellen Magnetmaterialien ("seltene Erden") zur Erzeugung des Permanentmagnetfeldes mit enormer magnetischer Energiedichte (Feldstärke) gestattet den Bau immens leistungsstarker Kleinstmotoren bei zugleich geringstem Gewicht. Im direkten Vergleich mit Gleichstromantrieben kommen moderne Neodym-Brushlessmotoren bei gleicher Baugröße leicht auf das Zehnfache der spezifischen Leistung. Zudem können sie extrem hohe Drehzahlen (über 50.000 U/min) realisieren. Neodym-Magnete sind aber keine zwingende Notwendigkeit in Brushless-Motoren.
Ein weiterer Pluspunkt ist der sogenannte Wirkungsgrad, also das Verhältnis der in mechanische Antriebsleistung umgesetzten gemessen an der zugeführten Energie.
Der einzige nennenswerte Nachteil von Brushlessmotoren liegt in der elementaren Notwendigkeit einer externen elektronischen Ansteuerung zum Aufbau des magnetischen Drehfeldes. Genau dies ist der Grund, warum Brushless-Motoren erst so spät ihren Siegeszug antraten. Nur durch moderne Mikrocontroller und Hochleistungs-MOSFET-Endstufen wurde es möglich kleinste und kostengünstige Regler zu entwickeln.

Funktionsweise von Brushless-Motoren:

Brushless-Motoren verfügen über einen sich drehenden Rotor, welcher mittels Permanentmagneten ein konstantes Magnetfeld bereitstellt. Dieses wird im Regelfall über verklebte Neodym-Magnete (Anzahl ist ein Vielfaches von 3) erzeugt.
Der Stator, also der feste Teil des Motors, beherbergt ein Wicklungspaket aus lackierten Kupferdrähten, die meist auf gelasterten dünnen Blechscheiben gewickelt sind. Der Grund für den Einsatz von Blechstapeln anstelle eines festen Eisenkerns hängt mit dem Thema Wirbelstromverluste zusammen, führt hier aber zu weit.
Werden nun die Kuperfdrahtwicklungen in der richtigen Weise mit Spannung versorgt, so fließen zeitlich variierende Ströme, die wiederum getreu Maxwell ein Magnetfeld generieren. Dieses elektrisch erzeugte Magnetfeld wirkt zusammen (anziehend / abstoßend) mit dem permanenten Magnetfeld und führt zur Bewegung des Rotors.



Im einfachsten Fall haben Brushless-Motoren 3 Wicklungen. Alternativ ein Vielfaches davon. Die ersten 3 Enden der Wicklungen sind aus dem Motor herausgefüht, man nennt sie die Motor-Phasen. Die zweiten Enden sind im Motor verbunden und isoliert verklebt. Diese Verbindungsstelle bezeichnet man als Sternpunkt. Die Motoren arbeiten also in der sogenannten "Sternschaltung", alternativ dazu gibts in der Drehstromtechnik auch die "Dreiecksschaltung".
Somit kann man Brushless-Motoren sofort an ihren typischerweise 3 Anschlussleitungen erkennen, während Gleichstrommotoren stets 2 Kontakte aufweisen.

Der Sternpunkt ist entscheidend, wenn es später an die Regelung der Motoren geht. Dummerweise hat man aber auf diesen Sternpunkt keinen Zugriff. Es würde andernfalls bedeuten noch eine Leitung herauszuführen. Hier hilft ein Trick: Man führt auf der Reglerplatine die 3 Motorphasen über 3 gleich große Widerstände zusammen und erzegt damit einen virtuellen Sternpunkt, der tatsächlich das gleiche Potenzial aufweist wie der reale Sternpunkt im Motor:



Soweit mal ein wenig Basiswissen zu den Motoren, die es zu regeln gilt. Ich versuche die Dinge möglichst verständlich rüberzubringen. Wird jetzt in der Folge zunehmend schwieriger, aber schaun wir einfach mal.

Gruß,
Johannes

8

Sonntag, 11. Dezember 2011, 10:42

Hallo jo-loom,

sehr schön wie du das alles darstellst.
Ich habe schon einige Jahre BL Motoren im Flugmodellbau im Betrieb. Ich habe auch schon gesehen das einige Regler abbrennen, meistens durch ungünstige Kombination von Regler und Motor/Propeller. Das Timing der einzelen Phasen spielt eine große Rolle, so haben wir immer wieder festgestellt das es schon zu einem Problem werden kann ob du einen Kunstoff Propller (schwer) oder eine leichte Holzlatte benutzt. Dieses Timing, haben einige Regler Hersteller gut im Griff andere nicht. Gut ist zum Beispiel Kontronik. Damit habe ich selten Probleme, dafür sind die Regler relativ teuer im Vergleich mit China Ware. Das gute Funktionieren, d.h. sauberer Anlauf, gute Volllast Festigkeit des BL Motors hängt in ertsen Line von der Firmware des Reglers ab. Hier steckt die Erfahrung und ein großer Anteil der Kosten für solch ein Projekt. Die restliche Hardware ist standart und man kann fast nichts verkehrt machen.
Ich denke du bekommst das hin, und ich lese mit großem Interesse mit. :wink:

Mit welcher Programmiersprache arbeitest du an der Firmware?

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9

Sonntag, 11. Dezember 2011, 11:48

Hallo Andreas und einen herzlichen Dank für Deinen netten Kommentar.

Du hast (leider) völlig Recht. Das Know How steckt in den Algorthmen, sprich in der Regel-Software. Hardwareseitig geben sich die Regler kaum etwas. Da gibt es nur marginale Unterschiede in den verwendeten MOSFETs, dem Leiterplattenlayout und den Ansteuerungen der jeweiligen Endstufen.
Einen Brushless-Motor ans Laufen zu bekommen ist noch vergleichsweise überschaubar. Die transienten Aspekte, also genau wie Du sagst: das Anlaufverhalten und die Lastausregelungen sind aber gewaltig anspruchsvoll. Wenn man dann auch noch bei einem kommerziellen Produkt eine breite Palette denkbarer Motoren mit der gleichen Firmware bedienen möchte, dann wirds schon reichlich aufwendig.

Nachdem immer so viel gemault wird, dass wir in Deutschland in diesen Technologien Asien hinterherhinken:
In Wahrheit haben wir eine Reihe Unternehmen, die Weltmarktführer in Sachen Know How bei Elektromobilität sind. Und dies ist exakt das gleiche, was im Modellbau unter dem Begriff Brushless-Antrieb / Brushless-Regler Anwendung findet.
Genannt seien mal ATE-Systems im Allgäu, die u. a. einen Weltrekordmotor realisierten und die Antriebe für den Modellbauhersteller Lehnert entwickeln sowie die schwäbische Firma Aradex, einzigartig kompetent in Sachen Sinussteller.
Da gibt es Spaß-Lösungen (für Messen), bei denen man auf einer 600 kg Druckerwalze, betrieben von einem Brushless-Motor mit Sinussteller, Musik in HiFi-Qualität abspielen lassen kann. Faszinierend.

Ich selber bin jetzt in der Phase, in der das System schon mal grundsätzlich läuft. Aber gerade die von Dir angesprochenen Aspekte gilt es noch massiv zu verbessern, insbesondere das Motor-Startverhalten und die Niedrigdrehzahl-Regelung.
Die Dokumentation hinkt ein wenig hinterher. Mit den kommenden Posts wird es aber dann ersichtlich, dass das alles nicht ganz trivial ist.

Über jede Form von Tipps, Erfahrungen und Kommentaren freue ich mich immer riesig!

Gruß und einen schönen Sonntag,
Johannes

10

Sonntag, 11. Dezember 2011, 12:17

Hallo Johannes,
mir kam da gerade die Idee, eine Getriebestufe beim Motor schon vorzusehen.
Das würde ja das Laufverhalten des Motors bereits um einiges abändern (zum Fall mit Direktantrieb).
Brushless Motoren sind ja da viel empfindlicher als Bürstenmotoren (wohl durch die manchmal unstimmige Steuersoftware).
Wenn wir also das Maximum für unseren Fall aus den Motoren herausholen wollen,
wäre diese Herangehensweise doch wahrscheinlich klug gewählt, oder?
Dann käme ein geringerer Strom mit recht hohem Vorschub heraus.
Das ist für uns als Schiffbauer ja ein Optimum, dass sich mit den für den Flugmodellbau entwickelten Reglern kaum erreichen ließe.
Auch könnte man die Software ja auf ganz bestimmte Motortypen zuschneiden.
Es wäre ja für dich kein großes Problem, sie mit einem recht geringen Aufwand auf andere Motortypen abzuwandeln.
Ob es allerdings ratsam wäre eine "Software für alle" zu entwickeln? Ich glaube kaum.
Da spiel ich lieber mit dem Gedanken an spezialisierte Software - in drei oder vier Arten.
Was hältst du von diesen Gedanken?

lg,
Frank
P.S. Mann, wenn ich doch nur etwas mehr davon verstünde - oder schneller lernen könnte... ;)
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11

Sonntag, 11. Dezember 2011, 13:14

Hi Frank,

es ist ein Irrglaube, dass Brushless-Motoren mehr Strom benötigen als Gleichstrommotoren. In Wahrheit sind sie deutlich effizienter mit einem Wirkungsgrad bei Kleinmotoren von über 80% gegenüber mitunter 50% bei winzigen Gleichstrommotoren.
Der Eindruck von "Stromfressern" rührt daher, dass man Brushless-Motoren aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit mit deutlich höheren Leistungen betreibt, was logischerweise dann in einem höheren Energiebedarf endet.

Hinsichtlich Regelbarkeit gibt es keinerlei grundsätzlichen Defizite beim Brushless-Motor, es ist halt einfach anspruchsvoll eine saubere Regelung fürs Startverhalten und für Niedrigdrehzahlen zu realisieren.
Von der Kennlinie her, insbesondere beim Drehmoment in niedrigen Drehzahlen, sind Brushless-Motoren den Gleichstrom-Brüdern ebenfalls überlegen.
Für Anwendungen mit hohem Drehmomentbedarf bei niedrigen Drehzahlen (z. B. PKW-Radnabenmotoren) wurden eigens speziell High Torque Konzepte entwickelt, mit spezieller Anordnung der Magneten und spezieller geometrischer Gestaltung der Wicklungs-/Blechpakete. Hier gibts eine Reihe von Patenten. Wenn es Dich interessiert, dann gurgel mal unter "High Torque Brushless".

Eine Getriebstufe, ganz gleich ob Zahnraduntersetzung oder Planetengetriebe, kann bei Kleinstmodellen dennoch Sinn machen, schlichtweg als Reaktion auf fertig im Markt verfügbare Billigmotoren mit Drehzahlbereichen bis hin zu 50.000 U/min.

Die gegenwärtig entstehende Software ist so gehalten, dass man alle maßgeblichen Regel- und Timingparameter rasch im Programmkopf als Konstanten verändern kann. Ich denke, dass man für eine optimale Abstimmung bei variierenden Motoren nicht umhin kommt hier fleißig zu testen und ähnlich Mischpult an den Einstellungen rumzuschrauben.
Ist aber alles Zukunftsmusik. Jetzt heißt es erst einmal die Geschichte überhaupt ans Laufen zu bekommen.

Gruß,
Johannes

12

Sonntag, 11. Dezember 2011, 13:23

Hallo Joihannes,
die Wirkungsgrade und der Strombedarf der BL-Motoren sind mir schon bekannt, darauf wollte ich mich gar nicht beziehen.
Ich dachte viel mehr an den Fall, dass die bisher im Handel verfügbaren Komponenten eigentlich alle (in unserer Größenordnung)
für hohe Drehzahlen ausgelegt sind.
Die verfügbaren Regler würden den Motor mit Getriebestufe wahrscheinlich nur unzulänglich nutzen.
Hier ist oft der Flugbetrieb mit seinem doch etwas anderen Laufverhalten entscheidend.
Täusche ich mich denn dahingehend, dass die Motoren im Direktantrieb bei Flugmodellen ein anderes Verhalten hätten,
als beim Betrieb mit Getriebestufe im Schiffseinsatz?

lg,
Frank
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13

Sonntag, 11. Dezember 2011, 13:50

Hallo,

ich habe gerade auf der Atmel seite die AVR Note AVR449.pdf entdeckt. Hier geht allerdings mit Rückmeldung über Hallsensoren.
Gruß
Andreas

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14

Sonntag, 11. Dezember 2011, 13:54

Basiswissen Ansteuerung von Brushless-Motoren

Ein herzliches Hallo zum nächsten Teil der Grundlagen,
am besten schnappt Ihr Euch ein Tässchen Kaffee und ein Stück vom guten ALDI-Christstollen, jetzt fängt nämlich so langsam das Grübeln an:

Ansteuerung der Motorphasen:

Wie zuvor erläutert, verfügt der Brushless-Motor über 3 Anschlussleitungen für die einzelnen Motorphasen.
Nun erinnern wir uns: Eine Umdrehung einer Welle entspricht 360° (Winkelgrad).
Versorgt man nun die 3 Phasen zum richtigen Zeitpunkt mit der richtigen Spannung, so dass in den Wicklungen ein Strom fließt, der wiederum ein Magnetfeld aufbaut, welches seinerseits mit dem Magnetfeld der Neodym-Magneten in Wechselwirkung tritt, so bewegt sich der Rotor. Was für ein Monster-Satz.
Bei klassischen Drehstrommotoren (Garangentor, Industrieantriebe etc.) greift man auf einen Dreiphasen-Drehstrom mit 3 sinusförmigen Spannungsverläufen zurück. Prima - damit hat man bereits das gewünschte Drehfeld. Einziges Problem: Dieses Drehfeld läuft immer stur mit 50 Hz (Herz), also mit 50 Perioden pro Sekunde, macht 3000 Perioden pro Minute. Damit kann man einen Drehstrommotor herrlich laufen lassen, aber halt nicht regeln.

Wir gehen hin und schalten die 3 Phasen unseres Brushless-Motors zu ganz bestimmten Zeitpunkten an und aus, wobei an bedeuten kann, dass sie mit der positiven oder negativen Seite unserer Spannungsversorgung verbunden werden:



Wieso keine Sinusspanung? Weil ein digitales Ein- und Ausschalten von der Schaltung her irre viel einfacher ist. Zudem reduziert man die Verlustleistungen (Wärme) auf ein Minimum.
Alle modernen Brushless-Regler verfügen über 6 kleine MOSFET-Transistoren (oder ein Vielfaches davon). Dieses sind kleine elektronische Schalter, die in extrem kurzer Zeit an- oder ausschalten können. Zudem haben sie im angeschalteten Zustand einen sehr geringen Innenwiderstand, weswegen sie wenig Verlustleistung verursachen. Genau dies ist der Grund, wieso man mit augenscheinlich winzigen Bauteilen solch immense Ströme regeln kann.
Unsere im Bild gezeigten 6 MOSFETs könnten genauso gut über kleine Kippschalter ersetzt werden. Bei entsprechender Fingerfertigkeit ist es dann möglich solch einen Brushlessmotor von Hand zum Drehen zu bewegen:



Jetzt wissen wir, wie der Regler die Motorphasen schaltet. In diesem Bereich gibt es kaum Unterschiede zwischen allen gängigen Brushless-Controllern. Einzig die Anzahl und die Typen der verwendeten MOSFETs variieren, je nach gewünschter Strombelastbarkeit.

Nun wird es komplizierter:
Um solch einen Motor zu regeln, müssen wir irgendwie wissen was er gerade macht, insbesondere in welcher Position der Rotor steht. Denn - alles, was wir ansteuern, basiert ja auf der aktuellen Position des Ankers in genau diesem Augenblick.
In der Anfangszeit befanden sich zu diesem Zweck sehr kleine Hall-Sensoren in den Motoren, also winzige kontaktlose Halbleiter-Bausteine. Diese teilten die genaue Position mit, erforderten aber zusätzliche Anschlussleitungen. Das alles kostet Geld und bringt unnötigen Aufwand mit sich. Es geht auch anders:
Schauen wir uns mal die Spannungen an den Motorphasen an, wenn wir sie wie zuvor gezeigt bestromen:



Man sieht, dass jede Phase den gleichen Spannungsverlauf aufweist, allerdings zeitlich versetzt um 120°, sprich: um eine Drittel-Umdrehung.
Dieser Spannungsverlauf ist nicht ganz unähnlich einer Sinuswelle.
Betrachten wir nun den Verlauf der gemessenen Spannungen im direkten Vergleich zu den angelegten Phasen-Ströme, genannt die Kommutierung:



Jetzt wird klar - beides steht in direktem Zusammenhang.
Immer, wenn man eine Phase ausschaltet, sinkt die gemessene Spannung allmählich auf Null. Danach passiert etwas Sonderbares. Auch ohne Strom verändert sich die Spannung weiter. Dies hat seine Ursache in der sogenannten Selbstinduktion. Die spezifische Motorwicklung arbeitet also kurzzeitig als Generator.
Jetzt kommen wir zum entscheidenen Moment, dies ist der Zeitpunkt, wenn die Spannung die Nulllinie kreuzt. Diesen Punkt nennt man "Zero crossing". Das ist der absolute Kernpunkt aller folgenden Regelbetrachtungen:



Alls, was folgt, basiert auf der sogenannte DEMF Detektierung ("Direct Back Electromagnetic Force). Wer genau hinsieht, der erkennt den Schlüssel des Ganzen:
Die Zeit vom Abschalten einer Motorphase bis zum Punkt Zero crossing ist exakt so lang, wie die Zeit vom Zero crossing bis zum Einschalten des MOSFETs für die nächste Phase.

Schauen wir uns jetzt mal an, was in einem kompletten Umlauf des Motors alles passiert.
Im oberen Teil sieht man, wie die 3 Phasen mit Strom versorgt werden. Dazu ist eingetragen, wann welcher der 6 MOSFETs an- bzw. ausgeschaltet ist.
Unten sieht man dann die 3 Spannungsverläufe mit Detektierung des jeweiligen Zer crossings.
Der gesamte Zyklus lässt sich in 6 Einzelabschnitte zu jeweils 60° unterteilen.



Im nachfolgenden Bild ist nochmal die Zuordnung der 6 Schalter in Form von MOSFET-Transistoren auf der Leiterplatte dargestellt:



Jetzt bleibt nur noch die Frage, wie sich Vorwärts- und Rückwärtslauf unterscheiden?
Das ist im Grunde genommen völlig simpel. Wird das gezeigte Muster von links nach rechts durchlaufen, so dreht der Motor vorwärts. Läuft man hingegen von rechts nach links durch die Sequenz, so dreht der Motor rückwärts.
Wenn Ihr ein gutes Vorstellungsvermögen habt, dann werdet Ihr auch bemerken: Das Vertauschen zweier beliebiger Phasen führt automatisch zur Umkehr der Drehrichtung.

Übersetzt in die Praxis bedeutet dies:
Es ist völlig Schnuppe, welche der 3 Motorleitungen man mt welchem der 3 Anschlusspunkte des Reglers verbindet. Tauscht man zwei beliebige dieser 3 Leitungen, dann kehrt sich die Drehrichtung um.



Soweit mal zu den Grundlagen der Ansteuerung von Brushless-Motoren. Ich hoffe, dass es noch halbwegs verständlich ist. All dieser Kram ist halt notwendig, um dann im Weiteren die Regelungen zu verstehen.

Gruß,
Johannes

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15

Sonntag, 11. Dezember 2011, 14:16

Quellen und Danksagung

Wo wären wir nur ohne Internet...

Quellen:

Allen, die noch tiefer in die Materie einsteigen wollen, empfehle ich folgende Publikationen (anklicken):

3-Phase BLDC Motor Control with Sensorless Back EMF Zero Crossing Detection using 56F80x
Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives
BLDC HV-Conroller Project Page

Dank:

Mein ganz besonderer Dank geht an Bernhard Konze, der in vorbildlicher Weise Softwareimplementierungen für Brushless-Regler im Quellcode veröffentlicht hat.
Auch wenn die Software zum vorliegenden Projekt komplett neu geschrieben wurde, so habe ich doch enorm viel von den Veröffentlichungen Bernhard Konze's gelernt.

Bernhard Konze's Hobby Seite

Gruß,
Johannes

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16

Donnerstag, 15. Dezember 2011, 01:44

Hallo für eine kurze Zwischen-Wasserstandsmeldung - bzw. zum Fortschritt des Brushless-Reglers:

Zwischenzeitlich sind etliche weitere Stunden in die Software geflossen.
Ich kann mittlerweile den Kleinstmotor absolut sicher starten und - viel wichtiger - bis hinab zu etwa 500 U/min regeln.

Die Rückwärtsfunktion ist weitestgehend implementiert. Der Motor kann bereits in beide Richtungen betrieben werden.
Als nächstes folgt noch die dafür notwendige Auswertung des Fernsteuersignals - das ist aber ein Klacks.

Danach heißt es weiter zu testen und alle nur denkbar Eventualitäten abzusichern.
Da gibt es beispielsweise so hässliche Dinge wie ein mechanisches Blockieren des Motors bei niedrigsten Drehzahlen, worauf der Regler wilde zu pfeifen beginnt...

Das alles ist gegenwärtig ein wenig blöd mit Bildern zu dokumentieren. Ich mach mal irgendwann ein Filmchen. Muss mir nur noch überlegen, wie man die Drehzahl des Motors am besten visualisiert. Am besten ginge dies mit einem stark untersetzten Getriebe...

Soweit die News -
Gruß,
Johannes

17

Donnerstag, 15. Dezember 2011, 15:01

Frage:
Hast du ein Oszilloskop dran?
Davon Bilder wären sicher auch für viele eine Genuss.
Vor allem beim "wilden Pfeifen" (dem Blockieren von dem du gesprochen hast) vielleicht veranschaulichend.

lg,
Frank
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18

Freitag, 16. Dezember 2011, 12:28

It's movie time...

Herzlich willkommen zum Kino-Abend!
Jawoll - ich hab mal ein kleines Filmchen erstellt, welches den aktuellen Stand des Projektes zeigt. Als Betrachter könnte man meinen, dass alles schon fertig ist. Der Teufel steckt aber bekannterweise im Detail. Jetzt heißt es noch an den Feinheiten zu arbeiten und verschiedenste Fehlerüberwachungen einzubauen.
Aber immerhin: Das Hauptziel ist erreicht: Der Motor lässt sich im Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb bis zu geringen Drehzahlen herab regeln und läuft sicher an.

Und hier das Filmchen:



(Die miserable Qualität liegt an einer Mischung aus Murks-Equipment und persönlicher filmerischer Unfähigkeit...)

Gruß,
Johannes

19

Freitag, 16. Dezember 2011, 12:47

Hallo Johannes Spielberg... ;)

Beste Besetzung,
Bestes Drehbuch,
Beste Regie...
... Drei Oscars! :ok: :ok: :ok:

Du bringst uns immer neues bei.
Jetzt müssen wir wohl alle mal versuchen, wie wir uns als Regisseure schlagen... :D

Das Filmchen war nicht nur echt gut gemacht und erklärt,
es war auch sehr unterhaltsam. Glückwunsch!

Vor allem war hier schön zu sehen, dass der Motor schon recht niedrige Tourenzahlen hinbekommt.
Wie weit willst du deinen Regler da bekommen?
Und wie problematisch ist dann ein Anschluss anderer Motoren?

lg,
Frank
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20

Freitag, 16. Dezember 2011, 13:20

Hi Frank,
im Augenblick trickse ich hier rum wie verrückt um nen Movie direkt im Posting einzubinden, also ohne externe Verlinkung. Also quasi so, wie auf allen Video-Plattformen.
Mir fehlt nur der entsprechende Code dafür. Alle mir bekannten HTML- und PHP-Codes laufen nicht. Grrrrrr....

Zu Deinen Fragen:

Bei der Drehzahl möchte ich natürlich so weit wie nur möglich runter kommen, also im Idealfall von Null an regeln. Im Augenblick liegt die Grenze so bei 500 U/min.

Zum Verständnis:
Ich unterscheide 3 Zustände: Motor gestoppt, Motor startend und Motor laufend.
Im regulären Betrieb (laufend) geschieht alles voll automatisch über eine PWM-Regelung für die Energiezufuhr und eine Kommutierungsregelung für die Motordrehzahl.
Beim Start des Motors handelt es sich um eine Mischung aus Regelung und Steuerung ("open loop" / "closed loop").
Das Problem an der Geschichte ist: Diese Motoren haben vergleichsweise viel Drehmoment bei wenig Massenträgheit. Sie drehen also bei niedrigen Drehzahlen nicht rund, sondern sie springen immer 60° (eine Sechstel-Umdrehung) weiter.
Man muss also per Software erkennen, ab wann es sich um einen wirklichen Motorlauf handelt.
Darunter kann man den Motor lediglich steuern, also ohne Abfrage dessen, was der Motor tatsächlich macht.

Im Augenblick bietet die Software knappe 20 Parameter, die für eine optimale Motorregelung optimiert werden. Ca. 6 davon sind wirklich entscheidend und auf einen spezifischen Motor hin optimiert.
Beispiele: Energiezufuhr während der Startphase, Drehzahlgrenze für Motor-Stopp, Drehzahlgrenze für Übergang Motor-Start auf Motor-Normalbetrieb.
Leider habe ich hier nur einen nicht verbauten Motor, mit dem ich testen kann. Ich vermute aber mal stark, dass größere Motoren ein leicht anderes Verhalten zeigen.
Somit ist also der Stand genau für einen Motortyp angepasst. Andere Motoren sind genauso gut steuerbar, erfordern aber ein Tuning der genannten Parameter.

Natürlich wäre es wünschenswert so etwas später voll automatisiert abzubilden. Das ist aber ein Haufen Testarbeit. Zudem erfordert es alle Einstellungen über Regelalgorithmen zu erschlagen, statt über fix eingestelllte Betriebsparameter.
Mal schaun - im ersten Schritt will ich jetzt erst einmal die Lösung für diesen einen Motor komplettieren. Anschließend gibts Versuche mit anderen Antrieben und gegebenenfalls sukzessive Software-Verbesserungen.

Um mal ein Gefühl zu geben:
In dieser Lösung stecken bislang etwa 2 Monate Teilfreizeit mit nahezu 100 Stunden Software-Frickelei...

Gruß,
Johannes

21

Freitag, 16. Dezember 2011, 16:05

Hallo Johannes,
ich denke, für diese Motorgröße dürfte das die erste Fahrtreglersteuerung (Vor- Rückwärts) sein...
Und bei allem was ich so gefunden habe, ist wohl der Unterschied der Ansteuerung vor allem bei der Motorgröße dann enorm.
Aber da in unserem Fall wohl vor allem die ganz kleinen genutzt werden,
wird deine Steuerung wohl einen echten Quantensprung für unsere Mikromodelle bedeuten.
Ich sag schon mal Danke (wir werden ja alle davon auf die eine oder andere Art profitieren...)
Und ich kann zumindest grob einschätzen, wie viel Arbeit das für dich bedeutet...

lg,
Frank
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22

Freitag, 30. März 2012, 19:09

Hallo jo-loom,

bist du hier schon weiter gekommen? Ich will nicht drängeln, ich bin nur neugierig!
Gruß
Andreas

23

Montag, 21. März 2016, 00:32

Wegen dieser Themenmumie habe ich mich angemeldet

...wie ist das ausgegangen ?

Gibt es eine Lösung? Wurden die Fasen einfach getauscht?

Gruß Heri

der einen solchen Regler - aber in der 200 A Klasse sucht -

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