Fragensammlung BLDC-Controller mit Hall-Sensoren

Sven G. schrieb:

Bei 100% PWM läuft der Motor mit maximaler Drehzahl (wenn keine mechanische Last anliegt) bzw. mit maximaler Leistung (wenn Last anliegt). Jedes PWM-Verhältnis zwischen 50% und 100% ist einer Leerlaufdrehzahl zugeordnet. Ist die tatsächliche Drehzahl niedriger, wird angetrieben, wenn sie höher ist, wird gebremst

Hmm, bevor wir zur PWM kommen:

Drehzahl und ob bremsen oder antreiben hängt beim BLDC nicht von der Spannung oder dem Unterschied zwischen Ansteuerdrehzahl und Antriebsdrehzahl ab,

sondern deine Hallsensoren geben vor, wie kommutiert werden muss. Und willst du vorwärts, muss deine Kommutierung etwas (manche sagen 30 Grad) vorher erfolgen, willst du rückwärts (oder bremsen) muss sie etwas später erfolgen

Und WIE dieser Phasenversatz erreicht wird, mit dem die Hallsensoren deine Kommutierung steuern, ob durch relativ zu den Magnetpolen verdrehten Hallsensoren oder zeitliche Interpolation der Steuerung, ist (uns) unbekannt.

Wenn man vernünftige Antworten will, dann hilft wohl nur eins: Aufbauen, Ausprobieren, Messen.

Für den Fall, das hier künftige Bastler mit ähnlichen Ambitionen vorbei kommen, veröffentliche ich meine Ergebnisse. Die konkreten Zahlen sind vielleicht nicht sonderlich hilfreich. Aber die Diagramme zeigen prinzipielle Zusammenhänge, die man evtl. wissen möchte. Außerdem hilft mir die Aufbereitung für die Veröffentlichung selbst, es vernünftig zu dokumentieren.

Versuchsaufbau:

• eine BLDC-Controller-Schaltung, die das oben als "bipolare PWM" beschriebene Kommutierungsschema realisiert
• brushless sensored motor, wie er für Skateboards etc. angeboten wird: KV=270 prm/V, 42 Komm.schritte/Umdrehung, 0,064 Ohm, P-Max.1820W
• 4s-LiPo-Akku (16,8V Leerlaufspannung wenn voll)
• Zahnriemengetriebe und 20''-Rad an einem Fahrradanhänger
• Leerlaufmessungen mit Getriebe und Rad ohne Bodenkontakt mit 2 Ladezuständen der Batterie

Die Geschwindigkeit in km/h mag für einen Elektromotor eine seltsame Einheit sein, aber für meine Zwecke passt das so. Steckt halt Getriebeübersetzung und Raddurchmesser schon drin.

Bild1: Strom, Spannung, Geschwindigkeit, Leistung über PWM duty cycle bei voller Batterie

Bild2: das gleiche bei fast leerer Batterie

Bild3: Wenn der Wirkungsgrad bei voller und leerer Batterie gleich ist, sollte die Kurve Leistung über Geschwindigkeit für beide Ladezustände ungefähr gleich sein. Passt für mittlere und höhere Geschwindigkeiten ganz gut.

Bild4: Für den realen Einsatz am Fahrrad möchte ich als Basis-PWM-Wert den Leerlaufwert passend zur aktuellen Geschwindigkeit nehmen und einen Offset je nach gewünschter Unterstützung addieren. Der Basiswert ergibt sich aus der folgenden Darstellung und ist erfreulich linear von der Geschwindigkeit abhängig. Für den Offset will ich im Realbetrieb ein Kennfeld I=f(PWM,v) (U erstmal konstant) vermessen. Das wird eine Weile dauern. Wenn alles gut geht, melde ich mich mit den Ergebnissen.

Überlegung zur Auslegung: Die max. Geschwindigkeit mag sehr hoch erscheinen. Man muss allerdings berücksichtigen, dass der Motor bei der max. Leerlaufdrehzahl kein praktisch nutzbares Drehmoment mehr abgibt. Trotzdem überlege ich, für die endgültige Version einen Motor mit kV=170rpm/V statt 270 zu kaufen. Eine kürzere Getriebeauslegung mit einer Stufe ist aus Platzgründen nicht möglich und eine 2.Stufe möchte ich nicht benutzen. Ist schon so alles komplex genug. Aber vor dem Neukauf erstmal weiter Testen....

Wie gesagt, gibt es ja unterschiedliche Darstellungen über die Details bei der Kommutierung im Netz. Nenne meinen ersten Ansatz hier "naiv", bin mir nicht ganz sicher, ob das einer unipolaren PWM entspricht.

Bei den Messungen mit der bipolaren PWM ist mir aufgefallen, dass der Motor deutlich lauter war als mit der "naiven" Kommutierung.

Die bipolare polt ja die Phasen synchron zum PWM um, während die naive K. die Transistoren bei PWM=low komplett öffnet. Damit bremst die bipolare, wenn die Geschwindigkeit zu hoch ist, während die naive einfach laufen lässt. Daher nehme ich an, dass Geschwindigkeitsschwingungen von der pipolaren agressiver beantwortet werden, während die naive entspannter ist. Daher die das laute Surren.

Ich habe also das Board mit der naiven K. nochmal vermessen (siehe Bild). Man sieht, es dreht sich ab ca. 1/3 PWM duty cycle und die Geschwindigkeit steigt dann auch wieder gut linear. Der Punkt 100% duty cycle muss identisch zur bipolaren PWM sein, da sich da beide gleich verhalten und er ist es in den Messungen auch.

Jetzt ein Wirkungsgradvergleich:

Ich kann den Wirkungsgrad nicht direkt messen, aber gleicher Wirkungsgrad heißt gleiche Leistung bei gleicher Geschwindigkeit. Es zeigt sich, dass bei der bipolaren PWM schon am Stand ein Strom fließt, während er bei der naiven vernachlässigbar ist. Bei höchsten Drehzahlen überholt die naive.

Das Board mit der naiven Kommutierung hat keine Hardwarefilter für Strom- und Spannungsmessung, daher ist die Kurve zappelig. Im oberen Bereich gab es Fehler beim Auswerten der Hall-Sensoren, daher die großen Zacken oben.

Fazit: Die naive K. ist wirkungsgradtechnisch nicht schlechter als die Bipolare. Zudem stellt die bipolare einen Stromregler vor ein Problem: Die Abhängigkeit Strom=f(PWM) ist nicht linear, sondern hat ein Miminum, wenn das PWM duty cycle zur aktuellen Drehzahl passt, darunter bremst der Motor und der Strom steigt wieder. Also möchte ich aktuell Ansatz 1 weiter verfolgen.

PS: Mir ist gerade aufgefallen, die rechte Achse ist ungünstig skaliert, beginnt bei -2.