SinusLeistungsSteller - Drehzahl-/Drehmomentenregelung |
Drehzahl-/Drehmomentenregelung: Der SinusLeistungsSteller kann wahlweise die Drehzahl oder das Drehmoment des Antriebs regeln. Nachfolgendes Diagramm veranschaulicht die Zusammenhänge vom Prinzip her. Nach rechts ist die Drehzahl aufgetragen; nach oben das Drehmoment. Dieses Diagramm kann leicht von der mechanischen auf die elektrische ´Denkweise´ übertragen werden, wenn man zunächst einen idealen Motor (eta=1) zugrunde legt: die Drehzahl korrespondiert dann mit der induzierten Spannung und das Drehmoment mit dem Motorstrom. Wichtig dabei, daß es sich hier um den Strom in der Motorphase handelt; also nicht zu verwechseln mit dem üblicherweise im Modellbau verwendenten Batteriestrom! Die Leistung kann in beiden Denkweisen durch Hyperbelkurven dargestellt werden. Alle Punkte einer Hyperbel repräsentieren Arbeitspunkte gleicher Leistung. Ferner ist beispielhaft eine Kennlinie für einen Propeller eingezeichnet (rot durchgezogen). Bei Luftschrauben steigt das Drehmoment quadratisch mit der Drehzahl an - es handelt sich hier also um eine parabelförmige Kurve. Die rot gestrichelte Kennline stellt einen höher drehenden Propeller (kleiner Durchmesser bzw. kleine Steigung). Dieser Propeller erreicht gleiche Leistungen jedoch bei entsprechend höherer Drehzahl. Das Drehmoment sinkt im umgekehrten Verhältnis zur Drehzahlerhöhung - verglichen mit einem anderen Propeller. Mit dem SLS kann durch entsprechende Parametrierung ein SOA (Safe Operating Area; im Diagramm türkis hinterlegt), maßgeschneidert auf einen bestimmten Antrieb definiert werden: Mit n(max) wird verhindert, daß der Antrieb überdreht und dadurch mechanisch Schaden nimmt. Mit M(max) wird ein maximaler Motorstrom festgelegt, der das thermische Limit für den Motor darstellt. Theoretisch kann mit dem SLS auch auf eine maxmimale Leistung begrenzt werden, was jedoch erst bei Verwendung von Verstell-Luftschrauben von Vorteil ist. Das dunkle Dreieck links innerhalb dieses SOA stellt den Bereich von Arbeitspunkten dar, die ohne Lagegeber im Motor (´sensorless´) nicht erreichbar sind. Das maximale Drehmoment steht also erst ab einer minimalen Drehzahl zur Verfügung, was jedoch bei Anwendungen mit Luftschrauben leicht in Kauf genommen werden kann, da sich Propellerkennlinien von diesem Bereich fernhalten. Das so festgelegte SOA ist der äußere Rahmen innerhalb dessen nun ein Antrieb betrieben werden kann. Der Propeller schränkt die möglichen Arbeitspunkte des Antriebs weiter ein: nur die Arbeitspunkte, die tatsächlich auf der Propellerkennlinie liegen sind möglich. Das Hochfahren (ebenso natürlich auch das Herunterfahren) des Antriebs verläuft also entlang dieser roten Propellerkennlinie. Mit dem SLS ist es dabei möglich die Drehzahl n(soll) oder das Drehmoment M(soll) als Sollwert vorzugeben und lastunabhängig auszuregeln - die jeweils andere Variable ist durch die Propellerkennlinie eindeutig vorgegeben und stellt sich entsprechend ein. In der Praxis ändert sich die Propellerkennlinie jedoch dynamisch in Abhängigkeit von der Anströmung bei unterschiedlicher Eigengeschwindigkeit des Modells! So ist leicht zu verstehen, daß ein schnell fliegendes Modell weniger Leistung aufwenden muß um eine gewisse Drehzahl des Propellers zu erzeugen als ein Modell, das im Standschub die gleiche Drehzahl erreichen soll. Die Verhältnisse bei lastabhängiger Propellerkennlinie soll im folgenden Diagramm dargestellt werden: Abhängig von der Anwendung kann es von Vorteil sein auf Drehzahl oder auf Drehmoment zu regeln. Bei einem Helikopter-Antrieb ist es z.B. sehr wünschenswert, den Rotor auf eine konstante Drehzahl zu regeln - also unabhängig von der Pitch-Stellung. Bei konstanter Drehzahl des Hauptrotors treten keine Gegenmomente auf, welche den Helikopter bei Änderung der Pitch-Stellung um die Hochachse drehen, was durch gleichzeitiges manuelles Gegensteuern ausgeglichen werden müßte. Der Helikopter ist damit also stabiler in der Luft, leichter und präziser zu steuern! Bei einer Anwendung in einem RC-Car (wie unserem Monster-Truck) ist es dagegen besser, auf konstantes Drehmoment zu regeln. In diesem Fall wird die Knüppelstellung der Fernsteuerung als Drehmomentvorgabe M(soll) interpretiert und ausgeregelt. Dadurch ergibt sich ein natürlicheres Fahrverhalten - bei unveränderter Knüppelstellung paßt sich die Geschwindigkeit automatisch einer Steigung/Gefälle an. Beschleunigungsvorgänge können wesentlich feinfühliger gesteuert werden. ... hierzu ein kurzer Exkurs in die Regelungstechnik: In der Sprache des Regelungstechnikers stellt die feldorientierte Regelung die Struktur einer ´Drehzahlregelung mit unterlagerter Stromregelung´ dar. Das bedeutet, daß sowohl für den Strom als auch für die Drehzahl eine eigene Regelschleife mit Rückkopplung existiert, welche ´verschachtelt´(=unterlagert) sind. Das bedeutet weiter: es kann auch jeder Regelschleife ein eigener Sollwert vorgegeben werden - also gleichzeitig eine Soll-Drehzahl und ein Soll-Motorstrom. Jedoch kann das Gesamtsystem nur auf einen dieser beiden Sollwerte ausregeln - je nachdem, welcher zuerst erreicht wird. Ein Beispiel: Wird z.B. der Strom-Sollwert zuerst erreicht, dann wird auf diesen Strom geregelt, die gewünschte Drehzahl wird in diesem Fall nicht erreicht, da der Sollwert für den Motorstrom (=Drehmoment) zu klein vorgegeben ist, um eine höhere Drehzahl zu erreichen. Erhöht man nun die Sollwertvorgabe für den Motorstrom, so wird auf einen höheren Motorstrom geregelt, was wiederum auch zu einer höheren Drehzahl führt, sofern keine Änderung der Lastsituation erfolgt ist. Durch weitere Erhöhung des Motorstroms wird irgendwann die gewünschte Drehzahl (Soll-Drehzahl) erreicht. Das System regelt nun auf diese Solldrehzahl aus. Erhöhung des Motorstroms über diesen Punkt hinaus bewirkt keine Änderung, weder der Ist-Drehzahl noch des Ist-Stromes. Änderungen der Solldrehzahl werden nun ausgeregelt, solange sich der tatsächliche Motor-Ist-Strom innerhalb der Grenzen des Motor-Soll-Stromes bewegt. Daraus läßt sich erkennen, daß jeweils nur einer der Sollwerte wirksam wird. Es wird also nur auf den Motorstrom geregelt oder auf die Drehzahl. Der jeweils nicht wirksame Sollwert kann jedoch als Begrenzung aufgefaßt werden. In obigen Beispiel würde die Drehzahl auf die gewählte Soll-Drehzahl begrenzt werden, wenn die Belastung des Motors sinkt! Das System würde bei Lastreduzierung mit einer Drehzahlerhöhung antworten, da höhere Drehzahl mit höherem Motorstrom einhergeht - und zunächst der unveränderte Sollwert des Motorstroms wirksam bleibt. Mit anderen Worten: das System würde versuchen, den Motor-Soll-Strom durch Erhöhen der Drehzahl zu erreichen. Dies könnte (im nicht begrenzten Betrieb) durch Überdrehen zur Zerstörung des Motors führen! Die feldorientierte Regelung bietet also die beiden Betriebszustände: - Drehzahl-Regelung mit Motorstrom-Begrenzung - Motorstrom-Regelung mit Drehzahl-Begrenzung Da der Motorstrom (auf der elektrischen Seite) direkt mit dem Drehmoment (auf der mechanischen Seite) korrespondiert, spricht man auch von den beiden Betriebszuständen: - Drehzahl-Regelung mit Drehmoment-Begrenzung - Drehmoment-Regelung mit Drehzahl-Begrenzung Durch geeignete Vorgabe der beiden Sollwerte kann zwischen diesen beiden Regel-Modi umgeschaltet werden. Auch im laufenden Betrieb! Werden beide Sollwerte innerhalb der Nennwerte des jeweils eingesetzten Motors eingestellt, so ist eine Überlastung des Motors durch zu hohe Drehzahl oder durch zu hohe Motorströme praktisch nicht mehr möglich! Durch die echte Drehzahlregelung der feldorientierten Regelung besteht keine Abhängigkeit der Drehzahl von der Lastsituation. So bleibt die gewählte Drehzahl präzise erhalten auch wenn z.B. bei Betrieb in einem Heli-Modell das Pitch erhöht wird um Extra-Leistung anzufordern. Selbstverständlich würde hier ein Überlasten des Motors (durch Anforderung von zu viel Extra-Leistung) vermieden, da gleichzeitig die Strombegrenzung im Hintergrund arbeitet. |