pátek 19. září 2008

Základní znalosti o regulátorech


Dost často se setkávám s dotazy, které se týkají základních věcí zapojení pohonných jednotek a souvisejících záležitostí. Abychom pochopili význam regulátoru, musíme si nejprve zopakovat základní znalosti o motoru. Motor s regulátorem totiž tvoří soustrojí.

Zapojení pohonného systému:

1.gif

Motor 
Musíme se krátce vrátit do hodin fyziky. Do mezery mezi dvěma permanentními magnety umístíme přímý vodič a jeho konce připojíme ke zdroji stejnosměrného proudu. Vodič bude z mezery vytlačován jistou silou, její směr závisí na smyslu připojení plus a minus k vodiči.


Motor se skládá z vinutí na kostře, magnetů a komutátoru. Komutátor prohazuje plus a minus - směr proudu ve vodiči. To proto, aby se vodič mohl otáčet kolem hřídele - jednou je "dole", jednou "nahoře". 
Povšimneme si, že přepínání smyslu proudu komutátorem se děje skokově, proudové impulzy do motoru jsou obdélníkové. 
Motor je proto označován jako STEJNOSMĚRNÝ KOMUTÁTOROVÝ.

Komutátor je složen z podélně rozřezaného válce a uhlíkových kartáčků. Válec se pod kartáčky otáčí.

Pozn: Střídavé motory jsou napájeny střídavým proudem, jeho průběh je sinusový a mění se jeho směr (plus / minus). Jedná se o jiný typ napájení. 

Zdroj řídícího signálu 
Zdrojem řídícího signálu je nejčastěji přijímač. 
Z přijímače se vysílá do regulátoru signál. Velikost otáček je dána šířkou pulzu tohoto signálu. Zcela stejně jako u signálu pro serva, šířka pulzu signálu je obvykle v rozmezí 1 až 2 milisekund (neutrál serva je obvykle 1,5 milisekundy).

Přijímač je ovšem řízen vysílačem. Moderní vysílače dovolují naprogramovat koncové body a celou křivku řízení plynu. 
Pozor: Plynová páka v poloze STOP pak nemusí odpovídat šířce pulzu 1 ms což může být zdrojem problémů při aktivaci regulátoru po jeho připojení k baterii.

Namísto přijímače je pro diagnostiku (a zapojování systému) vhodné použít jako zdroj signálu servotester, protože tak přesně víme, jaký signál do regulátoru posíláme. Můžeme tak testovat správnou funkci jen a jen samotné sestavy pohonu. Pokud pohon funguje správně, případná chyba je zřejmě ve funkci vysílače nebo přijímače. 

Regulátor 
Původní a základní funkcí regulátoru u klasických stejnosměrných motorů s kartáčky bylo opravdu jen regulovat velikost otáček motoru na základě velikosti šířky pulzu vstupního řídícího signálu.

S nástupem mikroprocesorů ovšem došlo k zásadnímu průlomu: mechanický komutátor se nahradil elektronickým. Mohl se tak vystěhovat ven z motoru, k jeho novému umístění se samozřejmě nabídl dosavadní regulátor. Do motoru se i nadále vysílají obdélníkové "stejnosměrné" pulzy. 
Novým, takto zjednodušeným motorům se u nás sice běžně říká "střídavé" ale není to správně. Přesnější název je "STEJNOSMĚRNÝ MOTOR S ELEKTRONICKOU KOMUTACÍ" resp. "bezkartáčový motor". V tomto smyslu se motory označují i v jiných jazycích: brushless, burstenloss, bezkefové ...

Elektronický komutátor má následující výhody:

Odpadly mechanické kontakty (obvykle uhlíky na válci). To byl významný zdroj poruch. Kartáčky se opotřebují, může dojít k poruše jejich uložení, drážky na válci se zanášejí. Kromě toho je komutátor zdrojem elektromagnetického pole, které může rušit spolupráci RC soupravy. Kvůli potlačení rušení bylo nutno instalovat na kontakty motoru kondenzátory.
Počet přívodních vodičů motoru není omezen na pouhé dva, jako optimální vzhedem ke konstrukci a elektrickým vlastnostem se běžně používají tři.
Elektronický komutátor s mikroprocesorem je možno naprogramovat na režim, který je pro danou aplikaci optimální. Programování je omezené jen schopnostmi programátora firmware a schopnostmi uživatele.
Elektronický komutátor umožňuje naprogramovat i spoustu dalších parametrů, které jsou pro celou pohonnou jednotku (včetně baterie) vhodné. 

Programovatelné funkce
Častý začátečnický dotaz - co a proč vlastně programovat ? Odpověď vyplyne z následujícího textu.

V jednoduchých případech je možno použít regulátor tak, jak byl zakoupen. Většinou ale je třeba "našít" regulátor potřebám motoru, modelu, stylu létání.

Regulátor je obecně možno programovat následujícími způsoby, ne všechny regulátory je ovšem umožňují: 
Plynovou pákou - k programování stačí vysílač, u některých regulátorů se ale v programu snadno ztratíte
Programovací kartou - jednoduché, levné, neumožňuje programovat všechno
Počítačový program - maximální komfort a přehlednost, nastavení přesných velikostí parametrů. Obtížnější programování na letišti, regulátory však umožňují i programování plynovou pákou.

Nejdůležitější programovatelné funkce: 

Brzda vrtule 
U elektrovětroňů je nezbytně nutné, aby se hřídel vrtule po stažení plynu nuceně zastavila. Jen tak je možné, aby došlo ke sklopení vrtule. Pokud není brzda naprogramována, vrtule se sama nesklopí. Obvykle by se to nezdařilo ani po úmyslné ztrátě rychlosti (zhoupnutí).
Pro ostatní modely je naopak vhodnější, když se vrtule protáčí, protože má menší odpor než stojící.
Brzdu také nebudeme zásadně používat u vrtulníků.

Vypínací napětí
Pokud se napájecí napětí sníží na nastavené "vypínací", motor se zastaví. V akumulátoru je sice ještě dost náboje pro ovládání serv, nicméně je třeba myslet na přistání.
Dalším důvodem pro nastavení vypínacího napětí je, že lithiové akumulátory jsou velmi citlivé na včasné ukončení vybíjení a dalším vybíjením by se mohly poškodit. 
Občas používaný termín "Lithium kompatibilní" způsobuje občasné zmatení. Motoru je úplně jedno, z jaké baterie elektrony pocházejí. Důležitá je jen a jen velikost vypínacího napětí, a ta musí být nastavena podle požadavku baterie (typ a napětí). Levnější regulátory nastavují vypínací napětí automaticky, dokonalejší regulátory dovolují nastavit buď automatické vypnutí nebo umožňují nastavit velikost napětí podle přesných požadavků uživatele.


Další užitečné možnosti programování:

Intenzita brzdění, rychlost brzdění 
Je možno nastavit rychlost, se kterou dochází k zabrzdění. Příliš rychlé zastavení motoru by mohlo být např. příčinou poškození převodovky.

Rychlost odepínání motoru
Souvisí s vypínacím napětím. U "běžných" modelů je rychlost odepínání celkem lhostejná. U vrtulníku způsobí vypnutí nebo rychlé snížení výkonu motoru katastrofu. Podobně to může dopadnout i u vícemotorových modelů: zastavení jednoho motoru bude nejspíš příčinou havárie.

Rychlost rozběhu motoru
Vysoká rychlost rozběhu může mít podobně neblahý vliv, jako vysoká intenzita brzdění. Může dojít k destrukci převodovky, dojde k vysoké proudové špičce při odběru z baterie. Na pomalý "ruční" rozběh motoru plynovou pákou vysílače se nelze spoléhat. Bohužel, nedá se vyloučit rušení, díky kterému si motor může nekontrolovaně "vrknout".

Ochrana proti proudovému přetížení 
Regulátor se odepne při vysokém protékajícím proudu. To jej chrání proti zničení třeba v případě havárie, pokud okamžitě nestáhnete plyn.

Časováni - "předstih"
Nastavitelný "předstih" je další výdobytek elektroniky. Podobně jako u spalovacího motoru, kde horní úvrať pístu není vhodným momentem pro odpálení jiskry, také u elektromotoru je výhodné pohybovat s okamžikem komutace. Občas se uvádí doporučná hodnota předstihu pro daný motor, obecně však zřejmě platí

větší předstih = větší výkon, větší spotřeba (větší proud) 
menší předstih = menší výkon, menší spotřeba

Spolehlivou odpověď dají jen letové zkoušky resp. měření.

Kalibrace plynu
Kalibrací se rozumí nastavení odpovědi regulátoru na rozsah poloh plynové páky (nastavení koncových poloh plynu): otáčky se mohou např. měnit v celém rozsahu pohybu plynové páky, nebo jenom "od-do".
Regulátor umožňuje nastavit automatickou kalibraci, nebo vybrat koncové body plynu nebo nastavit režim governor

Rychlost odezvy plynu
Dovoluje nastavit rychlost, s jakou plyn sleduje pohyb plynové páky vysílače. Příliš vysoká rychlost může být nebezpečná pro převodovku, může nadměrně zatížit akumulátor.

Governor
Jedná se o speciální režim pro vrtulníky, který udržuje konstantní otáčky rotoru nezávisle na velikosti zatížení (na úhlu natočení rotorových listů).

Zisk governoru
Umožňuje nastavit úroveň zpětné vazby tak, aby otáčky byly co nejplynulejší.

Rychlost roztáčení rotoru "SPOOL UP" 
Umožňuje nastavit pomalé a plynulé roztáčení rotoru vrtulníku při okamžitém přestavení plynu z nuly na maximum.

Atd.

Další funkce regulátoru 
Obvod BEC (battery eliminating circuit). Jedná se o obvod v regulátoru, který sráží napětí pohonné baterie na cca 5V. Toto napětí se zavede do přijímače a používá se pro napájení přijímače a serv. Napájecí napětí se přivádí do přijímače trojžilovou propojkou (servokablíkem), který propojuje přijímač a regulátor a který slouží zároveň pro přívod signálu do regulátoru.

Velikost proudu, který mohou zpracovat obvody BEC, je dost důležitým parametrem regulátoru ale nedá se ani zcela jednoduše definovat. Serva pracují z pohledu celkové spotřeby proudu chaoticky, takže nevyžadují maximální proud současně v jednom delším časovém okamžiku.

Čím více serv použijeme, tím větší budou proudové požadavky na jejich napájení.


Spotřeba proudu je také závislá na typu serva. Větší serva mají pochopitelně větší spotřebu, větší proud potřebují také digitální serva. 
Obvyklý BEC je "lineární" regulátor napětí . Čím větší napětí má pohonná baterie, tím větší jsou výkonové ztráty při redukci napětí na 5V. Výkonové ztráty nejsou samozřejmě neomezené, ale právě naopak.

Přesněji:
Ztrátový výkon při transformaci NAPĚTÍ BATERIE na NAPĚTÍ PRO NAPÁJENÍ RC SOUPRAVY odpovídá součinu
PROUD x (NAPĚTÍ BATERIE - NAPĚTÍ PRO NAPÁJENÍ RC SOUPRAVY).

2.jpg

Typické zapojení s použitím obvodů BEC.Přijímač je napájen z regulátoru (serva na obrázku pro jednoduchost nejsou). Povšimněte si, že krystal v přijímači je pojištěn lepící páskou. Bez této pojistky je skoro jisté, že krystal dříve nebo později vypadne což má za následek jistou havárii.

Čím větší napětí baterie, tím větší ztrátový výkon. BEC se dá prakticky použít pro baterie max. 3S. Pro větší napětí je nutné použít pro napájení RC soupravy jinou metodu:

další baterii o napětí 5-6V (nejspíš 4x Ni-xx), přitom je ovšem nutné vypojit napájení BEC z regulátoru. To se udělá velmi jednoduše - v kablíku od regulátoru do přijímače se vypojí střední vodič (podle obrázku). Vodič ještě otočíme zpátky a zaizolujeme.


použijeme speciální regulátor napětí ("externí BEC") který je možno napájet buď z pohonné baterie nebo z dalšího speciálního zdroje (pravděpodobně 2x Li-xx). 
Problémy s obvody BEC se při napájení z baterií Ni-xx příliš neřešily, protože napětí baterií bylo malé a ten, kdo používal velký počet článků, věděl oč jde. Se vstupem baterií Li-xx se napětí typicky zvýšilo a neinformovaný uživatel se může dostat do potíží, které pak neprávem přičítá regulátoru. 
Regulátory na vysoké napětí obvykle obvody BEC vůbec nemají. 

4.jpg

Typické zapojení BEZ využití obvodu BEC. Střední kablík z propojky mezi regulátorem a přijímačem je přerušen (viz předchozí obrázek). Přijímač (a serva) jsou napájeny z další baterie, na obrázku zelený čtyřčlánek vpravo.


Dimenzování regulátoru 
Ve věci výběru vhodného regulátoru se dost často setkáváme s nedorozuměním. Uživatelé se domnívají, že regulátor je potřeba vybrat motoru "na míru". Není to tak. Stačí, aby regulátor byl dimenzován nejméně na proudy, protékající motorem (a celou soustavou). Je tedy možno použít v podstatě jakýkoliv regulátor na větší proud než protékající. 
Nicméně - čím větší regulátor, tím dražší a tím těžší. Takže je třeba vybrat vhodný kompromis. Pokud nám ovšem doma zahálí větší regulátor a model ho snadno uveze, je možno ho použít i když je proudově zbytečně velký.

Dalším parametrem pro volbu regulátoru je velikost proudu obvodu BEC, který slouží pro napájení přijímače a serv.

Vícemotorové modely 
Jedná se o stručný překlad článku. Originál si můžete přečíst ve zpravodaji Castle Scribe na stánkách firmy Castle Creations nebo na diskusním fóru RCgroups.com

Odpovědi jsou sice formulovány s ohledem na regulátory Castle Creations ale většina informací samozřejmě platí obecně, pro libovolné značky.

Častý dotaz je "mohu ovládat dva střídavé motory jediným regulátorem"?

Je to sice možné ale jen za dodržení řady omezení:
Motory musí být naprosto totožné. Zejména se to týká parametru ot/V (KV), který musí být shodný v toleranci max. 1%. Pokud tomu tak není, potřebný proud pro motory se jistým způsobem "průměruje" a celkově zvyšuje, což způsobí zvýšení teploty motorů i regulátoru.
Motory se pokaždé nemusí správně a současně nastartovat. Pokud se roztočí jen jeden motor, může se tím regulátor zničit. Takže je nutné nastartovat motory na zemi a nepokoušet se o jejich restart během letu. Pokud se jen jediný motor neroztočí ,je nutné okamžitě stáhnout plyn. 
Regulátor musí být dimenzován na proud, který je asi o 30% větší, než spočtený pro dva motory prostým součtem. Je nutné vyhýbat se zatížení s velkým momentem setrvačnosti: velké vrtule, převodovky. 
Pokud chcete ušetřit zrovna na jednom regulátoru, je to tedy sice teoreticky možné ale není to zjevně dobrá volba.

Určitě bude lepší použít ověřenou a vyzkoušenou metodu, kdy každý motor má svůj regulátor.
Ale i tak je potřebné dodržet následující zásady:

Ačkoliv jsme se doslechli o úspěšném použití jednoduchých regulátorů, nemůžeme je s klidným svědomím doporučit. Nemají potřebné možnosti pro naprogramování.
Oproti tomu máme nejlepší zkušenosti s plně programovatelnými regulátory řady PHOENIX.

Při výběru regulátoru je třeba mít na paměti tři následující zásady:

Regulátory musí mít stejnou "velikost" - tj. musí být na stejný proud.
Regulátory musí být stejného typu - různá konstrukce se může projevit různým výkonem motoru.
Regulátory musí být vybaveny stejným programem a musí být stejně naprogramovány.
Poznámky k naprogramování:

- V první řadě je naprosto nutné vyřadit proudovou ochranu. Tím se odstraní nebezpečí náhlého zastavení jednoho motoru, které může mít pro model fatální následky. Pokud znáte odebíraný proud při plném plynu a regulátory jsou na něj dimenzovány, nejedná se o žádné riziko.

- Je třeba naprogramovat pevné koncové pozice plynu. Autokalibrace plynu není v tomto případě vhodná. Pevné koncové pozice zajistí nejlepší synchronizaci otáček motorů.

- Naprogramujte regulátory na měkké vypnutí. Tím zajistíte, že se jeden z motorů náhle nezastaví při poklesu napětí pod nastavenou hranici (u Lipol 3V/článek)

- Naprogramujte měkký start motorů.

Dalším problémem může být spojování jednotlivých částí soustavy. U některých regulátorů může být nutné vyřadit BEC jednoho regulátoru. Regulátory PHOENIX jsou navrženy tak, že systémy BEC mohou pracovat paralelně, dostupný proud BEC se pak násobí počtem regulátorů. Můžete pak použít větší počet serv.
Nicméně, v každém případě otestujte celý systém na zemi: roztočte motory na půl plynu a pohybujte současně všemi servy. Testujte asi minutu. Pokud motory "kašlou", proud BEC nestačí.

Pro spojení baterie a regulátorů použijte rozdvojky "Y".

To nejdůležitější: Ať máte kolik motorů chcete, použijte jen jedinou baterii. Pokud potřebujete větší proudy, spojte články paralelně ale do jediného výstupu. 
Tím bude zajištěno, že všechny motory dostávají stejné napětí, točí se stejnými otáčkami a v případném dosažení vypínacího napětí se zastaví současně.

Článek převzat se svolením Ivana Hořejšího z firmy Hořejší model.

Žádné komentáře:

Okomentovat