Werking ESC, Governor en Brushless motor?

[djamgils]

Hoe werken de ESC, Governer en Brushless motor samen?

Ik ben geen expert op het gebied van elektronica maar weet wel het een en ander op gebied van regeltechniek en vraag me de volgende dingen af. Please correct me if I am wrong.

In mijn voorbeelden gebruik ik wat simpele getallen die niet gebruikelijk zijn in de werkelijkheid.

ESC zonder governer
Op basis van stick input en dus throttle percentage regelt de esc doormiddel van PWM een voltage dat tussen de 0V en bijvoorbeeld 10V ligt Het maximale amperage dat de ESC kan leveren is 20A en daarmee komt het maximale vermogen op 200W te liggen.
Wanneer ik 50% gas geef komt er een gemiddeld 5V signal uit de ESC. Waardoor de 1000kV motor dus 5000rpm gaat draaien wanneer er geen load op staat. Zonder load zal de motor bijvoorbeeld 0,1A trekken. Stel dat er wel een load op komt wat doet de regelaar dan? Zonder governer zal de esc accepteren dat het toerental zakt dus waarom zou hij meer Ampere naar de motor sturen? Of vraagt de motor hier zelf om?
Zowieso weet de esc de positie van de motor omdat deze op bepaalde momenten de verschillende spoelen moet aansturen.

ESC met governer
Wanneer je throttle input op 50% staat met een vlakke lijn. Zal de ESC dan nog steeds PWM toepassen en dus een 5V signal naar de motor sturen en vervolgens het amperage regelen?. Of zal de ESC altijd een 10V signal sturen en het amperage regelen zodat de motor op basis van de tegen emk informatie het gewenste toerental draait?

Hoe weet de esc op basis van tegen emk uberhaupt wat de positie van de motor is? Want de tegen emk geeft toch alleen snelheidsinformatie en geen positie informatie? Of zijn de spoelen niet evenredig opgesteld waardoor hij uit het tegen emk patroon de positie kan afleiden? Of gaat de motor vanzelf meelopen met de snelheid van "ontsteking"?

 

[JiB]

Volgens mij zit je wel aardig op de goede weg. Een 'normale' ESC houd alleen in de gaten wanneer hij moet commuteren (door naar de volgende fase). Dat doet hij door de nuldoorgang van de motor te meten. Er zijn steeds maar twee van de drie motor aansluitingen naar plus of aarde geschakeld, de derde gaat langzaam van plus naar min (of omgekeerd). Het moment waarop hij door de nul gaat zegt iets over de snelheid (zoals je al aannam) maar ook over de timing wanneer de volgende fase geschakeld moet worden. Er word dus niet gekeken naar het verbruik van de motor, dus er wordt niet op stroom geregeld (natuurlijk kan je dat best doen, met bv een hall sensor in de voedings lijn).

Eerlijk gezegd heb ik geen ervaring met gouvernors, maar wat ik er van begrijp is het goed mogelijk om het toerental te regelen door de dutycycle van je pwm omhoog of omlaag te gooien. In plaats dat je direct het ingangs signaal vertaald naar pwm, kijk je eerst naar het toerental(en dat weet je in principe als je de tijd tussen twee cummutaties meet) en pas je de pwm daarop aan. Ook daar word er dus niet op stroom geregeld.

Neus ook eens door de refenrence designs van atmel, daar kan je een hoop uit leren hoewel het niet allemaal rc speelgoed is. http://www.atmel.hk/dyn/resources/prod_documents/a9_automotive-mc.pdf is een goed begin met pointers naar andere reference designs.

 

[Ernst Grundmann]

De stroom die door een elektromotor loopt is afhankelijk van drie zaken. De eigenschappen van de motor, de spanning die de motor geleverd krijgt en het toerental dat de motor draait. Dit geldt voor elke elektromotor met of zonder koolborstels!
Wanneer je een bepaalde spanning op de motor aansluit gaat hij draaien. De stroom die er bij het opstarten loopt hangt af van de spanning die je er op aansluit en de inwendige weerstand van de motor.
Wanneer de motor draait gedraagd hij zich ook als een generator, er wordt dus een spanning opgewekt in de wikkelingen van de motor. Deze spanning is tegengesteld aan de spanning die er op de motor is aangesloten en zal die spanning dus tegen werken. Dat merken we ook want de stroom die er door de motor loopt wordt minder.
Op een bepaald moment ontstaat er een evenwicht en draait de motor met het onbelaste toerental en loopt de minimale stroom (Io).
Een reken voorbeeld:
Motor inwendige weerstand 0,2Ohm. Kv 1000 omw/V. Spanning 12V. Maximale toegestane continu stroom 12A. Io (nullaststroom) 1,2A
Wanneer je de 12V op de motor aansluit zal er een hele hoge aanloopstroom gaan lopen. Die stroom zal 12V / 0,2Ohm = 60A zijn.
Het toerental van de motor zal snel oplopen en de stroom zal even snel minder worden.
De Kv =1000 omw/V dus zal het toerental tot 12*1000= 12000 omw/min oplopen.
De nullaststroom is 1,2A, dat is dus de stroom die er nog loopt als de motor zonder belasting voluit draait. De inwendige weerstand van de motor is 0,2Ohm. Als daar nog maar 1,2A door loopt betekend dit dat er een spanning van 0,2*1.2=0,24V over de motor staat.
Dit betekend weer dat de motor niet op maximale toeren draait want bij 12000 omw/min zal de tegenspanning die wordt opgewekt precies 12V zijn. Dat kan natuurlijk niet want dan zou er geen stroom meer lopen. De motor draaid dus 0,24*1000=240 omw/min langzamer.
Het komt er dus op neer dat de motor 11760 omw/min draait.

Als je de motor gaat belasten zal het toerental zakken. Hierdoor zal de tegenspanning ook minder worden. De stroom door de motor zal ook oplopen. Hierdoor wordt het magnetisch veld sterker en zal de motor meer trekkracht leveren.
Deze motor mag maximaal 12A continu verwerken. Om die 12A door 0,2Ohm te laten lopen heb je een spanning van 2,4V nodig. 2,4V komt overeen met 2400 omw/min.
Wanneer je de motor dus tot 9600 omw/min afremt zal de motor het maximale continu vermogen opnemen en dus ook afgeven.
Zoals je kunt zien bepaald de motor en de belasting van die motor hoeveel stroom er door de motor gaat lopen. De regelaar heeft daar verder geen invloed op! Het enige wat de regelaar doet is de spanning over de motor regelen. Dat heeft natuurlijk ook invloed op de stroom maar zoals je uit de bovenstaande berekeningen kan opmaken kan je ook de maximale 12A bij minder dan 12V door de motor laten lopen. Reken het zelf maar eens na bij bijvoorbeeld 9V! Het enige wat minder wordt is het toerental van de motor!

Zoals ik al schreef dit geldt voor ALLE elektro motoren!

Het enige verschil tussen borstel en borstelloze motoren is de manier waarop er steeds van wikkeling wordt overgeschakeld. Bij een borstel motor gebeurt dat door de koolborstels die door de draaiende rotor steeds met een andere wikkeling worden verbonden. Bij een borstelloze motor doet een stuk elektronica dat werk.
Die elektronica is gecombineerd met een stuk regelelektronica zodat je het motor toerental kunt regelen. Een kleine (software) uitbreiding van die regelaar is de governor.
De regelaar regelt dus alleen de spanning over de motor en daarmee het toerental van die motor. De stroom wordt dus ook hier bepaald door de motor en het toerental van die motor.
Wat doet de governor nu precies?
Stel je hebt de regelaar zo ingesteld dat de motor 8000 omw/min draait. Dat betekent dat de spanning over de motor ongeveer 8,24V zal zijn. Wanneer je dan de governor functie inschakeld zal die dit toerental constant willen houden.
Ga je de motor zwaarder belasten dan zal het toerental in gaan zakken. Dat merkt de governor op. Deze zal de spanning over de motor verhogen om te zorgen dat het toerental op 8000 omw/min blijft. Hierdoor zal de stroom extra oplopen maar zolang je onder het maximum toegestane blijft is er niets aan de hand.

Ik hoop dat dit de zaak wat duidelijker heeft gemaakt.

 

[Andrieske]

Dit is een heel duidelijke uitleg !!

Heb het zo ook een jaartje geleden in school gehad en dit is toch een mooi stukje tekst om het weer eens op te frissen.

grtz

 

[djamgils]

bedankt voor de antwoorden en de uitgebreide uitleg van Ernst.
Het is een stuk duidelijker.

 

[djamgils]

Er komt toch nog een vraag naar boven in relatie tot het onderstaande

Op een bepaald moment ontstaat er een evenwicht en draait de motor met het onbelaste toerental en loopt de minimale stroom (Io).
Een reken voorbeeld:
Motor inwendige weerstand 0,2Ohm. Kv 1000 omw/V. Spanning 12V. Maximale toegestane continu stroom 12A. Io (nullaststroom) 1,2A
Wanneer je de 12V op de motor aansluit zal er een hele hoge aanloopstroom gaan lopen. Die stroom zal 12V / 0,2Ohm = 60A zijn.
Het toerental van de motor zal snel oplopen en de stroom zal even snel minder worden.

De maximale continu stroom van de voorbeeld motor is 12A. Hierop gebaseerd zou ik een regelaar van bijvoorbeeld 15A kiezen. Maar de aanloop-piekstrook is 60A. Nu staat er vaak bij een regelaar wel bij dat hij bijvoorbeeld 20A kortstondig kan leveren. Zal de regelaar dan toch kortstondig die 60A leveren en kan dit geen kwaad. Of levert de regelaar gewoonweg niet meer dan 20A en toert de motor hierdoor iets langzamer op? Of gebeurt er iets heel anders?

Als je de motor gaat belasten zal het toerental zakken. Hierdoor zal de tegenspanning ook minder worden. De stroom door de motor zal ook oplopen. Hierdoor wordt het magnetisch veld sterker en zal de motor meer trekkracht leveren.
Deze motor mag maximaal 12A continu verwerken. Om die 12A door 0,2Ohm te laten lopen heb je een spanning van 2,4V nodig. 2,4V komt overeen met 2400 omw/min.
Wanneer je de motor dus tot 9600 omw/min afremt zal de motor het maximale continu vermogen opnemen en dus ook afgeven.
Zoals je kunt zien bepaald de motor en de belasting van die motor hoeveel stroom er door de motor gaat lopen. De regelaar heeft daar verder geen invloed op! Het enige wat de regelaar doet is de spanning over de motor regelen. Dat heeft natuurlijk ook invloed op de stroom maar zoals je uit de bovenstaande berekeningen kan opmaken kan je ook de maximale 12A bij minder dan 12V door de motor laten lopen. Reken het zelf maar eens na bij bijvoorbeeld 9V! Het enige wat minder wordt is het toerental van de motor!

Wat gebeurt er als je de motor verder afremt, dus onder de 9600rpm gaat?
Of wanneer dat in de praktijk gebeurt heb je dan eigenlijk een te lichte motor?

 

[Ernst Grundmann]

....De maximale continu stroom van de voorbeeld motor is 12A. Hierop gebaseerd zou ik een regelaar van bijvoorbeeld 15A kiezen. Maar de aanloop-piekstrook is 60A. Nu staat er vaak bij een regelaar wel bij dat hij bijvoorbeeld 20A kortstondig kan leveren. Zal de regelaar dan toch kortstondig die 60A leveren en kan dit geen kwaad. Of levert de regelaar gewoonweg niet meer dan 20A en toert de motor hierdoor iets langzamer op? Of gebeurt er iets heel anders?

De keuze voor een 15A regelaar is een redelijk goede maar ik vind dat wel een beetje krap. Ik zou voor een 18A of zelfs een 20A regelaar gaan, maar dat is persoonlijk!
Die 20A piekstroom zou voor deze motor wel behoorlijk krap zijn. Dat er 60A door de motor zou lopen geldt natuurlijk alleen als de motor rechtstreeks op de accu wordt aangesloten. Bij ons zit daar altijd nog een stuk kabel en een regelaar tussen die hebben ook een bepaalde weerstand zodat die 60A in de praktijk lager zal uitvallen.
Een meer reële waarde in dit voorbeeld zal iets van 40A zijn. Die stroom zal dus ook door de regelaar geleverd worden en als die te krap is gekozen is het dus mogelijk dat de regelaar daar kapot van zal gaan.
Maar we gaan er hier van uit dat we de volle voedingsspanning in één keer op de motor zetten. Dat zal in de praktijk zo goed als nooit gebeuren, je zet de motor vrijwel nooit in één keer volgas. Het resultaat is inderdaat dat de motor wat langzamer zal optoeren, maar of je dat zal merken betwijfel ik.

Wat gebeurt er als je de motor verder afremt, dus onder de 9600rpm gaat?
Of wanneer dat in de praktijk gebeurt heb je dan eigenlijk een te lichte motor?

Als je de motor verder afremt dan 9600 omw/min ben je de motor aan het overbelasten. Dat kan meestal niet echt kwaad als het maar kort duurt en niet te vaak achter elkaar. Kijk maar naar de specificaties van de motor. In mijn voorbeeld is de maximale continu stroom 12A, de piekstroom heb ik niet genoemd maar die zou bijvoorbeeld 20A gedurende 30 seconden kunnen zijn.
Je kan dus gedurende 30 seconden de motor zo zwaar belasten dat hij 20A gaat trekken. Dit is overigens ook iets waar je bij de keuze van de regelaar ook rekening mee moet houden. De maximale stroom die de motor gedurende korte tijd mag trekken. De motor zal daardoor duidelijk heter worden, dat kan zoveel zijn dat de motor te heet drijgt te worden en kapot kan gaan. De isolatie van de draden zou kunnen smelten of de magneten gaan hun magnetisme verliezen. Dat zijn zaken die we natuurlijk niet willen.
Komt de stroom die je motor trekt te vaak en/of te lang boven de maximaal toegestane continu stroom dan heb je een te lichte motor en zal je aan een andere moeten.
Al met al een heleboel zaken waar je aan moet denken bij de keuze van de motor/regelaar/accu combinatie.

 

[niobos]

Zowel de batterij, ESC als motor hebben een maximale stroom. Ik vraag me af welke je best als "zwakste schakel" voorziet. Het lijkt me redelijk evident dat een batterij nooit "te zwaar" is (in ontlaadstroom bekeken): de batterij kan immers die stroom leveren, maar doet dat enkel als daar vraag naar is.
Voor de motor en ESC ben ik er nog niet uit.

Als je de motor verder afremt dan 9600 omw/min ben je de motor aan het overbelasten. Dat kan meestal niet echt kwaad als het maar kort duurt en niet te vaak achter elkaar. Kijk maar naar de specificaties van de motor. In mijn voorbeeld is de maximale continu stroom 12A, de piekstroom heb ik niet genoemd maar die zou bijvoorbeeld 20A gedurende 30 seconden kunnen zijn.
Je kan dus gedurende 30 seconden de motor zo zwaar belasten dat hij 20A gaat trekken. Dit is overigens ook iets waar je bij de keuze van de regelaar ook rekening mee moet houden. De maximale stroom die de motor gedurende korte tijd mag trekken. De motor zal daardoor duidelijk heter worden, dat kan zoveel zijn dat de motor te heet drijgt te worden en kapot kan gaan. De isolatie van de draden zou kunnen smelten of de magneten gaan hun magnetisme verliezen. Dat zijn zaken die we natuurlijk niet willen.
Komt de stroom die je motor trekt te vaak en/of te lang boven de maximaal toegestane continu stroom dan heb je een te lichte motor en zal je aan een andere moeten.
Al met al een heleboel zaken waar je aan moet denken bij de keuze van de motor/regelaar/accu combinatie.

Als ik bovenstaande tekst lees, lijkt het me beter om van de ESC de "zwakke schakel" te maken. Zo ga je je motor nooit overbelasten. (en ook nooit volledig kunnen benutten)

Of is het beter om je ESC voldoende zwaar en van de motor de "zwakke schakel" te maken?

Heel praktisch bekeken: Mijn ESC van mijn miniTitan is aan vervanging toe. De stock motor lijkt nog correct te werken (3500rpm/V, 20A continuous, 30A.60s burst). Oorspronkelijk stak er een 40A ESC in. Aangezien in die combinatie de ESC het warmste stond na een vlucht dacht ik er een 60A in te steken. Bovenstaande quote doet me echter vermoeden dat dit voor de motor misschien geen juiste keuze is.

 

[Ernst Grundmann]

Als ik bovenstaande tekst lees, lijkt het me beter om van de ESC de "zwakke schakel" te maken. Zo ga je je motor nooit overbelasten. (en ook nooit volledig kunnen benutten)

Of is het beter om je ESC voldoende zwaar en van de motor de "zwakke schakel" te maken?

Heel praktisch bekeken: Mijn ESC van mijn miniTitan is aan vervanging toe. De stock motor lijkt nog correct te werken (3500rpm/V, 20A continuous, 30A.60s burst). Oorspronkelijk stak er een 40A ESC in. Aangezien in die combinatie de ESC het warmste stond na een vlucht dacht ik er een 60A in te steken. Bovenstaande quote doet me echter vermoeden dat dit voor de motor misschien geen juiste keuze is.

Wat je hier schrijft klopt niet. Het is de motor en de belasting van de motor die bepaald hoeveel stroom, dus vermogen, er door de regelaar geleverd moet worden. Als je regelaar de "zwakste schakel" is zal je de regelaar opblazen als je de motor wel maximaal gaat belasten. De regelaar kan dat niet beperken. Er zijn regelaars die van beveiligingen zijn voorzien die de motor uitschakelen als hij te warm wordt. Dat kan voor vliegende modellen best link zijn.
Je moet dus helemaal niet uitgaan van "de zwakste schakel". De regelaar en de accu moeten gewoon bij de motor en het gebruik van die motor passen. Wanneer jouw regelaar erg warm wordt en zelfs kapot gaat past hij niet bij die motor en/of de manier waarop hij wordt gebruikt. Past de propeller wel bij de motor en het model? Met andere woorden belast je de motor niet te zwaar? Een maatje kleiner zal de motor (en dus ook de regelaar) minder zwaar belasten. Het is zelfs mogelijk dat met een maatje kleinere prop je model beter vliegt.
Een zwaarder belastbare regelaar gebruiken kan best, alleen heb je er de ruimte wel voor en is het extra gewicht geen probleem? Het is wel de vraag of het de oplossing zal zijn want er zijn meer zaken waar je naar kunt kijken. Je zou ook eens kunnen kijken of de koeling van de regelaar wel voldoende is. De "oude" regelaar zou best goed kunnen zijn maar als hij zo is ingebouwd dat de warmte niet weg kan zal hij kapot kunnen gaan. Ook met een zwaardere regelaar loop je het risico dat hij te warm wordt als de koeling niet voldoende is.
Ook de koeling van de motor is belangrijk. Veel mensen maken een paar mooie gaten in de neus zodat er koellucht naar binnen kan. Helaas vergeten ze dat die warme lucht er uit moet kunnen om weer nieuwe, koude, lucht naar binnen te kunnen laten. Warme lucht zet uit dus moeten de openingen waar de warme lucht door weg kan groter zijn dan waar de koude lucht door naar binnen komt. Een goede vuistregel is 2x zo groot. Plaats deze gaten ook zo dat de warme lucht er echt uit kan. Als ze zo zijn geplaatst dat er ook (prop) wind naar binnen wordt geblazen hebben ze niet zo veel zin.
Genoeg om na te kijken dus, succes.

 

[niobos]

Bedankt Ernst voor de alweer leerrijke post.

Even vooraf: Het gaat hier om een elektro-helikopter, de 'schroef' kan ik dus niet vervangen. de koeling zou niet echt een probleem mogen zijn: er zijn gaten voorzien dat de downwash van de hoofdrotor langs de motor, ESC en batterij leidt. Onderaan is enkel een (open) frame voor de bevestiging, dus "uitlaat" moet ook lukken.

Ik vermoedde dat de regelaar bij het overschrijden van zijn "maximale stroom" de spanning zou naar beneden draaien om zichzelf te beschermen. Uit je uitleg versta ik dat dit enkel onrechtstreeks gebeurt door de thermische veiligheid. In normale omstandigheden levert de ESC zoveel stroom als de motor vraagt.

Mijn vraag van "zwakste schakel" was als volgt bedoeld: Heb je beter een 20A ESC met een 40A motor of een 40A ESC met een 20A motor? Als ik je goed begrepen heb, lijkt die laatste optie me beter.

 

[Ernst Grundmann]

..... Mijn vraag van "zwakste schakel" was als volgt bedoeld: Heb je beter een 20A ESC met een 40A motor of een 40A ESC met een 20A motor? Als ik je goed begrepen heb, lijkt die laatste optie me beter.

Het laatste geniet zeer zeker de voorkeur. Als je het omkeert zal je vrij snel de regelaar naar de vaantjes helpen.
Het is ook waar dat de meeste regelaars geen stroom begrenzing hebben. Dat is omdat dergelijke begrenzingen veel problemen kunnen geven. Wanneer je heel even een stoot vermogen nodig hebt kan de regelaar die niet leveren omdat de beveiliging ingrijpt. Dat kan je dan net je kist of je heli kosten.
Ook die thermische beveiliging waar ik over schreef hebben lang niet alle regelaars. We moeten dus zelf goed opletten dat we de regelaar niet overbelasten. Dat geldt natuurlijk ook voor de motor en de accu. Alles moet netjes bij elkaar EN bij het model passen.