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So optimieren Sie die Drehzahl­regelung eines Multikopters

| Autor / Redakteur: Kristen N. Mogensen * / Thomas Kuther

Ein Quadrokopter in der Luft: Je besser die elektronische Drehzahlregelung der Propeller, umso besser die Flugeigenschaften.
Ein Quadrokopter in der Luft: Je besser die elektronische Drehzahlregelung der Propeller, umso besser die Flugeigenschaften. (Bild: © vchalup – stock.adobe.com)

Kaum ein Fluggerät lässt sich so leicht steuern wie ein Multikopter. Das funktioniert aber nur, wenn die elektronische Drehzahlregelung der Propeller auch optimal ausgelegt ist.

Drohnen sind inzwischen allgegenwärtig, auch wenn es sich bei den typischen Drohnen, die wir in unserer Umgebung hören oder sehen, um Hobbyprodukte handelt. Schon vor Jahren ergab sich jedoch auch das Potenzial für den kommerziellen Einsatz von Drohnen. Man nutzt diese Fluggeräte vorwiegend, um einen bestimmten Bereich aus der Vogelperspektive sehen zu können, zum Beispiel in der Landwirtschaft, bei der Instandhaltung von Gebäuden oder im Immobilienhandel [1].

Ein weiteres expandierendes Einsatzgebiet von Drohnen ist die Paketzustellung. Ohne Zweifel wird man in den kommenden Jahren noch viele weitere Anwendungen für Drohnen ausmachen. Insofern hat man erst damit angefangen, Drohnen nicht mehr nur als Freizeitspaß anzusehen, sondern als ernsthafte Lösung für reale kommerzielle Aufgaben zu betrachten.

Vorüberlegungen zum Bau einer Drohne

Im Kern widmet sich dieser Artikel der Entwicklung einer elektronischen Drehzahlregelung (Electronic Speed Control – ESC) für bürstenlose Gleichstrommotoren. Die ESC besteht aus mehreren Baugruppen, wie etwa der Leistungsstufe, der Strommessung, dem für die Ansteuerung des Motors zuständigen Mikrocontroller und einer Kommunikationsschnittstelle zur Flugsteuerung (Bild 1).

Bevor über eine Lösung für die Drehzahlregelung einer Drohne entschieden wird, müssen verschiedene Entscheidungen getroffen werden:

  • Motorregelungs-Topologie abhängig vom gewählten Motortyp,
  • Abwägung zwischen ESC-Effizienz, Flugzeit und Kosten,
  • Festlegung der Batteriespannung für die Drohne,
  • Flugparameter, wie etwa die maximale Drehzahl der Drehzahlregelung von bis zu 12.000 min-1 oder mehr (elektrisch 1 kHz oder mehr),
  • elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zwischen Drehzahlregelung und anderen Modulen.

Die in diesem Beitrag wiedergegebenen Überlegungen zum Design beziehen sich ausschließlich auf bürstenlose Motoren, wie sie in Drohnen der mittleren bis oberen Kategorie üblicherweise zum Einsatz kommen.

Wie Sie einen geeigneten Motor auswählen

Bei der Auswahl eines bürstenlosen Motors gibt es unter anderem zwei mögliche Optionen:

  • Einen Motor, dessen drei Statorwicklungen gleichmäßig gewickelt sind und dessen Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) einen trapezförmigen Verlauf hat (so genannter bürstenloser Gleichstrom- oder BLDC-Motor (für „brushless DC“).
  • Einen Motor mit sinusförmiger Wicklungs-Verteilung und dementsprechend sinusförmig verlaufender Gegen-EMK (so genannter bürstenloser Wechselstrom- oder BLAC-Motor (für „brushless AC“). Auch die Bezeichnung „Permanentmagnet-Synchronmotor“ (PMSM) ist üblich.

Welche Motorbauart gewählt wird, hängt in der Regel vom Motorregelungs-Algorithmus ab – zum Beispiel gibt es die trapezförmige oder die Vektorregelung (auch als FOC für „Field-Oriented Control“ bezeichnet). Die Bewicklung des Motors entscheidet auch darüber, mit welchem Regelungsalgorithmus der beste Motorwirkungsgrad erreicht wird, während der gewählte Regelungsalgorithmus wiederum die Flugeigenschaften der Drohne beeinflusst. Häufig bevorzugt man sensorlose Regelungen, weil sie für geringe Designkosten sorgen und das System im Vergleich zu einem mechanischen Drehzahlsensor robuster machen.

Die Wahl eines trapezförmig bewickelten Motors wirkt sich folgendermaßen auf den Algorithmus und die Hardware aus:

  • Ansteuerung des Motors durch Sechs-Schritt-Kommutierung,
  • Detektierung des magnetischen Winkels des Rotors zur Kommutierung bei der richtigen Winkelstellung (60° bei Trapez-Ansteuerung),
  • bei einer sensorlosen Lösung wird der Kommutierungswinkel durch Erfassung der Gegen-EMK abgeschätzt.

Bei der Wahl eines sinusförmig bewickelten Motors kommen folgende Optionen für den Algorithmus und die Hardware in Frage:

  • Ansteuerung des Motors mit sinusförmigen Phasenspannungen oder -strömen (z.B. FOC),
  • Detektierung des Magnetfeldwinkels des Rotors mit einer minimalen Genauigkeit von 1° bis 5°, damit per FOC ein maximales Drehmoment erzielt werden kann,
  • Bei einer sensorlosen Lösung wird die magnetische Winkelstellung des Motors an Hand der Phasenspannungen und -ströme des Motors geschätzt.

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