Die Motorantriebssteuerung dient der Regelung der Motorrotation bzw. des Motorstopps sowie der Drehzahl. Dieser Teil der Motorantriebssteuerung wird auch als elektronischer Drehzahlregler (ESC) bezeichnet. Die elektrische Einstellung richtet sich nach dem Einsatz verschiedener Motortypen, darunter bürstenlose und bürstenbehaftete Motoren.
Der Permanentmagnet des Bürstenmotors ist fixiert, die Spule ist um den Rotor gewickelt, und die Richtung des Magnetfelds wird durch einen diskontinuierlichen Kontakt zwischen der Bürste und dem Kommutator geändert, um den Rotor kontinuierlich in Rotation zu halten.
Bürstenloser MotorWie der Name schon sagt, besitzt sie keine Bürsten und keinen Kommutator. Ihr Rotor ist ein Permanentmagnet, die Spule ist feststehend. Sie ist direkt an die externe Stromversorgung angeschlossen.
Tatsächlich benötigt der bürstenlose Motor auch einen elektronischen Regler, der im Prinzip als Motoransteuerung dient. Er ändert die Stromrichtung in der feststehenden Spule permanent, um sicherzustellen, dass die Kräfte zwischen Spule und Permanentmagnet abstoßend wirken und die kontinuierliche Rotation aufrechterhalten werden kann.
Bürstenlose Motoren können ohne elektrische Regelung betrieben werden; eine direkte Stromzufuhr ist möglich, jedoch lässt sich so die Drehzahl nicht steuern. Bürstenlose Motoren benötigen eine elektrische Regelung, um sich drehen zu können. Gleichstrom muss mittels bürstenloser Stromregelung in dreiphasigen Wechselstrom umgewandelt werden.
Die früheste elektrische Einstellung ist nicht mit der heutigen elektrischen Einstellung vergleichbar; die früheste war eine bürstenbasierte elektrische Einstellung. Nun fragen Sie sich vielleicht, was eine bürstenbasierte elektrische Einstellung ist und worin besteht der Unterschied zur bürstenlosen elektrischen Einstellung?
Tatsächlich besteht ein großer Unterschied zwischen bürstenlosen und bürstenlosen Motoren im Motor selbst. Beim bürstenlosen Motor besteht der Rotor, also der rotierende Teil, vollständig aus Magneten, während die Spule (der Stator) stillsteht, da keine Kohlebürsten vorhanden sind.
Und ein Bürstenmotor, wie der Name schon sagt, ist ein Kohlebürstenmotor. Es gibt also Bürstenmotoren, wie wir Kinder normalerweise mit der Fernbedienung eines Motors spielen – das ist ein Bürstenmotor.
Gemäß den beiden Arten von Elektromaschinen und der Bezeichnung „bürstenbehaftet“ bzw. „bürstenlos“ erfolgt die elektrische Regelung. Aus fachlicher Sicht ist die Leistung einer bürstenbehafteten Maschine gleich, während die Leistung einer bürstenlosen Maschine dreiphasig Wechselstrom liefert.
Gleichstrom ist die in unserer Batterie gespeicherte elektrische Energie, die in positive und negative Pole unterteilt werden kann. Die 220-V-Stromversorgung unseres Haushalts, die wir für Handy-Ladegeräte oder Computer verwenden, ist Wechselstrom. Wechselstrom hat eine bestimmte Frequenz und besteht im Allgemeinen aus einer Leitung mit Plus- und Minuspol, die sich abwechselnd nacheinander aufteilen.
Nachdem wir nun Wechsel- und Gleichstrom geklärt haben, was ist Drehstrom? Laut Theorie ist Drehstrom eine Übertragungsform von Elektrizität, die aus drei abwechselnden Potenzialen mit gleicher Frequenz, gleicher Amplitude und einer Phasenverschiebung von 120 Grad besteht.
Im Allgemeinen handelt es sich bei unserem Haushaltsstrom um dreiphasigen Wechselstrom, wobei sich Spannung, Frequenz und Ansteuerwinkel unterscheiden, alle anderen Aspekte jedoch gleich sind. Damit sind Drehstrom und Gleichstrom verständlich.
Der bürstenlose Motor wird mit Gleichstrom betrieben, der über einen Filterkondensator die Spannung stabilisiert. Der Stromkreis teilt sich in zwei Zweige: Der erste Zweig nutzt einen elektrisch gesteuerten BEC (Battery Electronic Control). Der BEC dient als Empfänger, der zweite als elektrisch gesteuerter MCU (Mikrocontroller) im Netzteil. Die rote und die schwarze Leitung führen zum Empfänger. Der zweite Zweig nutzt MOSFETs. Hier wird der SCM (Small Controller) elektrisch angesteuert und versetzt die MOSFETs in Schwingung, wodurch ein tropfendes Geräusch entsteht.
Einige elektrische Verstellsysteme verfügen über eine Drosselklappenkalibrierungsfunktion. Vor dem Wechsel in den Standby-Modus wird die Drosselklappenstellung (hoch, niedrig oder in der Mitte) überwacht. Bei hoher Drosselklappenstellung wird die Kalibrierung des elektrischen Verstellsystems durchgeführt.
Sobald alles vorbereitet ist, bestimmt der Mikrocomputer im elektrischen Regelsystem die Ausgangsspannung und -frequenz sowie die Ansteuerrichtung und den Eingangswinkel, um die Motordrehzahl und -drehung entsprechend dem Signal auf der PWM-Signalleitung zu steuern. Dies ist das Prinzip der bürstenlosen Elektromodulation.
Wenn der Antriebsmotor läuft, arbeiten insgesamt drei Gruppen von MOSFETs in elektrischer Modulation, jeweils zwei pro Gruppe. Der positive Ausgang wird gesteuert, der negative Ausgang ebenfalls. Wenn der positive Ausgang aktiv ist, ist der negative Ausgang aktiv, wenn er nicht aktiv ist. Dadurch entsteht ein Wechselstrom. Die Frequenz der drei Gruppen beträgt 8000 Hz. In diesem Zusammenhang ist die bürstenlose elektrische Regelung vergleichbar mit der eines Werksmotors, der mit einem Frequenzumrichter oder Regler arbeitet.
Die Eingangsspannung ist Gleichstrom und wird üblicherweise von Lithiumbatterien gespeist. Die Ausgangsspannung ist dreiphasiger Wechselstrom, der den Motor direkt antreiben kann.
Darüber hinaus verfügt der bürstenlose elektronische Regler für Flugmodelle über drei Signaleingänge, darunter ein PWM-Eingangssignal zur Steuerung der Motordrehzahl. Für Flugmodelle, insbesondere für Vierachsen-Flugmodelle, sind aufgrund ihrer Besonderheiten spezielle Modelle erforderlich.
Warum benötigt man also eine spezielle elektrische Abstimmung beim Quad, was ist daran so besonders?
Das Quad hat vier Ruder, wobei zwei Ruderblätter relativ kreuzförmig angeordnet sind. Die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung der Ruderblätter kann die durch die Rotation eines einzelnen Blattes verursachten Schleuderprobleme ausgleichen.
Der Durchmesser jedes Ruders ist klein, und die Zentrifugalkraft verteilt sich durch die Rotation der vier Ruder. Im Gegensatz zu einem geraden Paddel gibt es nur eine einzige Trägheitszentrifugalkraft, die eine konzentrierte Zentrifugalkraft erzeugt, welche eine gyroskopische Eigenschaft ausübt und so ein schnelles Umkippen des Rumpfes verhindert.
Daher ist die Aktualisierungsfrequenz des Lenkgetriebe-Steuersignals sehr gering.
Um schnell auf durch Drift verursachte Lageänderungen reagieren zu können, ist bei vier Achsen eine schnelle elektrische Verstellung erforderlich. Die Nachführgeschwindigkeit herkömmlicher elektrisch gesteuerter PPM-Antriebe liegt jedoch nur bei etwa 50 Hz und genügt somit nicht den Anforderungen an die Geschwindigkeitsregelung. Der in die PPM-Steuerung integrierte PID-Regler (Mikrocontroller) ermöglicht zwar sanfte Geschwindigkeitsänderungen bei herkömmlichen Modellflugzeugen, ist aber für vier Achsen ungeeignet, da bei vier Achsen eine schnelle Reaktion auf Drehzahländerungen erforderlich ist.
Durch die schnelle elektrische Hochgeschwindigkeitsverstellung und die Übertragung des Steuersignals über die IIC-Busschnittstelle können Hunderttausende von Motordrehzahländerungen pro Sekunde erreicht werden, wodurch im Vierachsenflug ein stabiles Lagemoment aufrechterhalten werden kann. Selbst bei plötzlichen Einwirkungen äußerer Kräfte bleibt die Stabilität erhalten.
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Veröffentlichungsdatum: 29. August 2019
