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Motorsteller

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BL-Regler

Der Motorsteller (englisch ESC, electronic speed controller, oft auch Motorregler, Fahrt(en)regler oder einfach nur Regler) ist unverzichtbares Element des Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Modells und hat die Aufgabe, den Motor mit Spannung zu versorgen und seine Leistung zu regeln. Darüber hinaus erzeugt er das für bürstenlose Motoren notwendige Drehfeld, ohne das diese Motoren nicht funktionieren können.

Inhaltsverzeichnis

Stellertypen

Die richtige Bezeichnung wäre Drehzahlsteller, im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich jedoch die die verkürzte Bezeichnung "Steller" eingebürgert. Die oft verwendete Bezeichnung "Regler" ist für die meisten Steller unzutreffend, da sie zu einer Regelung nicht fähig sind.

Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Stellertypen: Für Bürstenmotoren und für Brushless-Motoren (BL-Regler). Eine veraltete Variante stellt noch der mechanische Steller dar, ein Drehwiderstand der über ein Servo gesteuert wird.

Erst durch eine speziell ausgelegte Software kann der Steller auch als Regler arbeiten. So ein Drehzahlregler ist dann in der Lage, eine vorgegebene Drehzahl solange konstant zu halten, wie die vom Akku zugeführte Leistung dafür ausreicht.

Funktionsweise

Steller für Bürstenmotoren erzeugen aus der Akkuspannung eine geregelte Gleichspannung, deren Höhe die Stellung des "Gasknüppels" am Sender bzw. der entsprechende Impuls am Ausgang des Empfängers bestimmt. Dazu wird die Versorgungsspannung von entsprechend dimensionierten Transistoren "zerhackt", typischerweise mit einer Frequenz zwischen 3 kHz und 20 kHz (diese Frequenz äußert sich mitunter in einem pfeifenden Ton des Stellers). Das Tastverhältnis dieses Impulses bestimmt die (gemittelte und mit Kondensatoren geglättete) Ausgangsspannung.

BL-Steller sind erheblich aufwändiger im Aufbau. BL-Motoren sind im Grunde dreiphasen-Wechselstrom-Motoren. Deswegen muss der Steller die Spannung der drei Phasen getrennt aufbereiten. Zudem muss die Elektronik für die korrekte Kommutierung sorgen, damit überhaupt eine Drehzahl gestellt werden kann.

Steller mit BEC verfügen außerdem über eine weitere (lineare oder getaktete) Spannungsregelung für die Empfängerstromversorgung. Deren Belastbarkeit ist ein wichtiger Parameter für die Auswahl des geeigneten Stellers. Getaktete Ausführungen sind zumeist leistungsfähiger und erzeugen einerseits weniger Verlustleitung (Wärme) aber erfordern andererseits mehr Aufwand für die Abschirmung der nebenher entstehenden hochfrequenten Störspannungen.

Die Steller arbeiten drehzahllinear und nicht leistungslinear. Somit entspricht die Stellung des Gasknüppels der prozentualen Höchstdrehzahl. Da Drehzahl und Leistungsaufnahme einer Luftschraube in der 3. Potenz verkettet sind, entspricht das umgangssprachliche "Halbgas" (Knüppelmitte) etwa 30% der maximalen Leistung. Die Stellersoftware hat einen sehr großen Einfluss auf die Leistungsdaten: www.powercroco.de/regler.html Es gibt Steller, deren Software z.B. auf besonders hohen Wirkungsgrad (z.b. Kontronik Jive) auf hohe Drehzahl (Castle Creation) oder hohen Leistungsdurchsatz (YGE) optimiert ist.

Eine Updatefähigkeit der Software per Datalink beginnt sich durchzusetzen. Ebenso sind gute Steller zunehmend in der Lage, Betriebsparameter auslesbar abzuspeichern (Logfunktion).

Eine gute Stellersoftware Steller hat zudem eine Unterspannungsabschaltung die entweder den gesamten Akku oder aber über den Balancerport die einzelnen Zellen überwacht. Unterhalb einer bestimmten, je nach Akkutyp einstellbaren, Schwellenspannung wird die Motorstromversorgung unterbrochen oder die Motordrehzahl heruntergeregelt. Damit wird der Pilot über den Akkuzustand informiert und kann verhindern, dass der Akku ungewollt tiefentladen wird. Bei Reglern mit BEC bleibt die Empfängerstromversorgung dabei erhalten, damit das Modell steuerbar bleibt.

Dem Regler ist wegen der umfangreichen Beinflussungsmöglichkeiten der Regelgröße ein eigener Abschnitt zu widmen.

Eine sehr gute Darstellung findet sich hier: http://www.rc-heli.de/board/showpost.php?p=901159&postcount=81

Anschlüsse

Alle Steller haben

  • ein Hochstromkabel zum Akkuanschluss (meist rot-schwarz für Plus, Minus)
  • einen 3-poligen Anschluss zum Empfänger (rot-schwarz-gelb/orange für Plus, Minus und Impulsversorgung)
  • je nach Stellertyp ein zweipoliges (bei Stellern für Bürstenmotoren) oder ein dreipoliges Hochstromkabel (bei Reglern für Brushlessmotoren) zum Motoranschluss.

Drehrichtung:

  • Bei Bürstenmotoren wird die Drehrichtung durch Vertauschen der beiden Motoranschlusskabel geändert. Diese Kabel sind manchmal gleichfarbig (oft gelb, blau oder schwarz) und dürfen nicht verwechselt werden mit den Akkuanschlusskabeln oder (besonders bei Microreglern, weil dort alle Litzen sehr dünn sind) mit den Empfängerkabeln.
  • Bei BL-Motoren verändert man die Drehrichtung durch Vertauschen zweier Kabel von den 3 Motoranschlusskabeln. Einige Steller können auch per Programmierung in der Drehrichtung umgekehrt werden.

Bei notwendig werdender Verlängerung der Anschlusskabel sind ein paar Dinge zu beachten (siehe hier in den Tipps und Tricks: Kabel_am_Motorsteller_verlängern).

Kenndaten

Wichtigste Angabe für einen Steller ist die Belastbarkeit, d.h. welchen Strom sie schalten können. Die Belastbarkeit bestimmt auch die Größe; ein 100A- Regler ist deutlich größer und schwerer als ein 20A- Regler. Seriöse Hersteller geben hier die Dauerbelastbarkeit an; bei Fernost-Produkten kann das auch schon mal die Impulsbelastbarkeit sein, die deutlich höher ist als die Dauerbelastbarkeit. Dauerbelastbarkeit wird auch heute noch von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich definiert. Bis zum Beginn der Lipoära bedeutete das : eine typische Akkukapazität = 1600mAh. Mit der gewachsenen Kapazität der Akkus wird nicht mehr jeder Steller, der vor einigen Jahren als dauerbelastbar zu bezeichnen war, heute noch diesem Anspruch gerecht.

Eine weitere Kenngröße ist die Maximalspannung, sie liegt meistens zwischen 16 und 40V. Die maximal Spannung ist die maximale Klemmenspannung beim unbelasteten Akku! Für BL-Steller ist zudem (zumindest für manche Anwendungen) die maximale Drehzahl des Steuerfeldes relevant. Bei Stellern mit BEC sollte außerdem noch die maximale (Dauer+ Impuls)Strombelastbarkeit für die Empfänger- (und Servo!-) Stromversorgung angegeben sein.

Features BL Steller

Im folgenden werden Eigenschaften aufgelistet, die Motorsteller haben können, jedoch nicht müssen.

Motorbremse
Wird eine Klappluftschraube eingesetzt, ist das Mitdrehen den Motors bei ausgeschaltetem Motor unerwünscht, da das Drehen das Anklappen der Luftschraube verhindert. (bzgl. Funktionsweise siehe Weblink unten)
Langsamanlauf
Vor allem bei großen Motoren und großen beschleunigten Massen (Helikopter) ist ein geregelter langsamer Anlauf des Motors wichtig.
Anlaufsperre
Da unkontrolliertes Anlaufen das Motors meist Gefahr für die Umgebung bedeutet, überprüft der Motorsteller nach dem Einschalten zunächst, ob das Gas auf Leerlauf (Aus) steht. Erst danach nimmt er Stellkomandos an.
Failsafe Stellung
Kann der Motorsteller keine gültigen Signale vom Empfänger auswerten, wird der Motor abgeschaltet.
Timing
Um Brushless Motoren richtig anzusteuern muss das vom Strom erzeugte Magnetfeld den Magnetpolen des Stators voraneilen. Dieses Timing ist einstellbar oder wird vom Motorsteller automatisch gewählt. Gutes Timing erkennt man an guter Leistungsabgabe des Motors, ohne dass er "hart" klingt oder gar stottert.
Frequenz
Idealerweise sollten die drei Phasen eine Sinusform haben. Das Erzeugen und Abbauen von Magnetfeldern ruft eine Gegenspannung hervor, so dass die Flanken des Signals nicht zu steil sein sollten. Steller simulieren eine solche Sinuskurve durch gepulstes An- und Ausschalten des Signals und anschließendes Glätten mittels Kondensator. Meist können Steller auf 8kHz, 16kHz oder 32 kHz eingestellt werden. Wird ein schnell drehender Motor angesteuert, kann die 8kHz Einstellung zu langsam sein, um eine Flanke zu simulieren. Dagegen sind bei einem langsam drehenden Motor mit vielen Wicklungen 32kHz zu hochfrequent, so dass die Schaltverluste im Umrichter anteilig zu hoch werden. Optimierung: Einstellung wählen, nach vergleichbaren Motorlaufzeiten Statortemperatur messen, Einstellung mit niedrigster Temperatur wählen.
Governor Mode
Der Motorsteller wird auf eine feste Drehzahl eingestellt und regelt dem Motor in Abhängigkeit von der angeforderten Last. Sehr gut eignet sich dieser Mode für Helikopter.

Hinweise

Durch die von Stellern geschalteten hohen Ströme entstehen starke elektromagnetische Wechselfelder. Diese sind zwar für Menschen nicht gefährlich, können aber in andere elektronischen Baugruppen einstrahlen und dort Störungen verursachen. Deshalb gilt als Faustregel, den Steller im Modell so weit wie möglich vom Empfänger entfernt einzubauen. Keinesfalls sollten beide direkt nebeneinander positioniert werden.



Weblinks