-
Hintergrund
der Erfindung
-
Hubschrauber
sind Drehflügler-Fluggeräte, mit
wenigstens einem motorisch angetriebenen Rotor. Hubschrauber gibt
es in zahlreichen Ausführungsformen.
-
Am
meisten verbreitet sind solche mit einem Hauptrotor vornehmlich
zur Auftriebserzeugung (Hubrotor) und einem Heckrotor zum Drehmomentausgleich
des Hauptrotors. Anstelle des Heckrotors findet man auch steuerbare
Düsen,
bei denen die Rückstoßkraft eines
Gasstrahls für
den Ausgleich des Drehmoments genutzt wird. Beide Lösungen,
das Drehmoment des Hauptrotors zu kompensieren, haben einen Nachteil:
Der Drehmomentausgleich kostet Energie, die nicht für die Auftriebserzeugung
genutzt wird. Je nach Auslegung müssen hierfür ungefähr 20 % der gesamte Antriebsleistung
aufgewendet werden.
-
Daneben
findet man Hubschraubertypen mit mehreren Rotoren zur Auftriebserzeugung.
Von denen haben vor allem Hubschrauber mit zwei gegenläufigen Rotoren
Bedeutung erlangt. Diese sind dann entweder nebeneinander (kämmend oder
weiter auseinander), koaxial übereinander
oder hintereinander (Tandemhubschrauber) angeordnet.
-
Seltener
sind Hubschrauber mit drei und mehr Hubrotoren. Besondere Beachtung
verdient hier der 4-rotorige Hubschrauber, weil er systembedingte
Vorteile hat. Der 4-rotorige Hubschrauber ist vor allem mit Elektroantrieb
wirtschaftlich interessant. Bis auf ganz wenige Ausnahmen sind die
vier Hubrotoren in der Draufsicht an den Ecken eines Vierecks angeordnet,
oft sogar an den Ecken eines Quadrats. Die Achsabstände der Rotoren
sind typischerweise so groß,
dass sich die von den Rotoren definierten Kreisflächen in
der Draufsicht nicht überschneiden.
Eine Ausnahme wird im deutschen Gebrauchsmuster Nr. 20 2004 016
509.0 beschrieben. Der Drehmomentausgleich wird meist dadurch erreicht,
dass ein diagonal gegenüberliegendes
Rotorpaar in die eine Richtung dreht und das andere in die entgegengesetzte
Richtung. Davon abweichend wurde im deutschen Gebrauchsmuster Nr.
20 2004 010 057.6 der Drehmomentausgleich durch schräggestellte
Rotorachsen vorgeschlagen, bei voller Steuerbarkeit um alle Achsen.
-
Typischerweise
ist jeder Rotor mit einem eigenen Antrieb ausgerüstet. Die Steuerung des Fluggeräts um alle
Achsen (Hoch-, Längs-
und Querachse) ist dann allein durch Drehzahländerungen der Antriebe möglich. Voraussetzung
für dieses
Steuerprinzip ist, dass jeder Motor einzeln angesteuert wird. Mit
der Drehzahl ändern
sich Rotorschub und -drehmoment. Diese Kräfte und Momente wirken auf
das Fluggerät
ein und verändern
dessen Lage im Raum. Bei Bewegungen um die Längs- und Querachse ändert sich
die Richtung der resultierenden Auftriebskraft. Damit wiederum wird
das Gerät
in eine Raumrichtung beschleunigt oder verzögert. Drehungen um die Hochachse
werden durch unausgeglichene Drehmomente um die Hochachse erzeugt.
-
Die
folgende Tabelle zeigt das Funktionsprinzip eines 4-rotorigen Hubschraubers
im Detail:
-
Die
Steuerung von Mehrrotorenhubschraubern – der Begriff wird hier verwendet
für Hubschrauber
mit drei und mehr Rotoren – allein über die
Drehzahl der Rotoren bedarf nicht zwangsläufig genau vier Rotoren. Damit
die Steuerfunktionen Nicken, Rollen und Gieren getrennt voneinander
gesteuert werden können,
sind mindestens vier Rotoren erforderlich. Wenn man jedoch darauf
verzichtet Rollen und Gieren getrennt zu steuern, reichen drei Rotoren.
-
Das
Steuerprinzip eines 3-rotorigen Hubschraubers (mit Windfahne am
Heck) ergibt sich aus der folgenden Tabelle:
-
Bei
Mehrrotorenhubschraubern, deren Rotoren von getrennten Motoren mit
Drehzahlsteuerung angetrieben werden, kann auf die sonst übliche Steuerungsmechanik
(kollektive und zyklische Rotorblattverstellung, Klappen im Rotorstrahl,
etc.) verzichtet werden. Mechanisch bewegte Teile sind auf drehende
Antriebe beschränkt.
Das Fluggerät
wird dadurch einfach und robust im Aufbau. Die Nachteile der sonst üblichen
Mechanik (viele Teile, Verschleiß, aufwändige Einstellarbeiten, etc.)
entfallen.
-
Wegen
der im Vergleich zu fossilen Brennstoffen niedrigeren Energiedichte
elektrischer Energiespeicher, z. T. auch wegen der Kosten, sind
elektrisch angetriebene Hubschrauber derzeit hauptsächlich für kleine Baugrößen (Flugmodelle,
Mikrodrohnen, fliegende Kameraträger,
etc.) interessant. Beim elektrisch angetriebenen Hubschrauber kommt
es daher auch auf Energieeffizienz an, um eine ausreichend lange
Flugzeit und hinreichend hohe Nutzlast bei nicht zu großem Rotordurchmesser
zu erzielen.
-
Die
Drehzahlsteuerung kompakter Mehrrotorenhubschraubern ist kein triviales
Problem und gewinnt mit abnehmender Baugröße an Bedeutung. Ohne zusätzliche
Stabilisierungstechnik ist in der Regel kein kontrollierter Flug
möglich.
Hintergrund ist die fast immer fehlende Flugstabilität, oft gepaart
mit zu geringer Massenträgheit.
Anhand von Modellhubschraubern mit drei und vier Rotoren wurde gezeigt,
dass die menschliche Reaktion ohne Stabilisierungsmaßnahmen
nicht ausreicht, das Fluggerät
manuell gesteuert sicher zu beherrschen, nicht einmal für Sekun den.
Das Gerät
kippt so schnell ab, dass der Pilot nicht mehr rechtzeitig eingreifen
kann.
-
Abhilfe
schaffen gezielte Maßnahmen
zur Stabilisierung der Fluglage. Bewährt haben sich spezielle Sensoren,
die die Drehbewegung des Fluggeräts
erfassen, sogenannte Kreisel- oder Gyros-Sensoren. Deren Signale
werden in einer Elektronik erfasst, weiterverarbeitet und Drehzahlstellern
der entsprechenden Motoren zugeführt.
Das alles geschieht in Bruchteilen einer Sekunde.
-
Um
eine noch bessere Stabilisierung der Fluglage von Mehrrotorenhubschraubern
zu gewährleisten, gibt
es Ansätze,
neben der rotatorischen auch die translatorische Bewegung in allen
drei Raumrichtungen zu erfassen und signaltechnisch zu verarbeiten.
Hierzu wird eine Sensorik zur Erfassung aller sechs Freiheitsgrade
im Raum verwendet.
-
Trotz
erheblicher Anstrengungen auch namhafter Unternehmen ist es bisher
nicht gelungen, die Fluglage insbesondere von kleinen Mehrrotorenhubschraubern
so zu stabilisieren, dass das Gerät ohne Steuereingriff längere Zeit
in der Luft an einer Stelle stehen bleibt. Dieser selbststabilisierte
Schwebeflug ist jedoch Voraussetzung für zahlreiche Anwendungen. Außerdem ist
er die Grundlage für
eine automatische Flugführung (z.
B. Flug nach vorgegebenen Raumkoordinaten) oder eine autonome Flugführung (z.
B. Gerät
sucht selbsttätig
Flugbahn zwischen Hindernissen).
-
Die
am besten stabilisierten Mehrrotorenhubschrauber fliegen recht passabel,
erfordern jedoch immer noch besonderes fliegerisches Geschick des
Piloten, was den Kreis der Anwender empfindlich einschränkt.
-
Die
DE 20 2004 010 057
U1 beschreibt einen Elektrohubschrauber mit vier Hubrotoren,
die in einer Draufsicht an den Ecken eines Vierecks angeordnet sind.
Die Steuerung des Elektrohubschraubers erfolgt durch Verstellen
der Drehzahlen der elektrischen Antriebe.
-
Die
DE 296 07 484 U1 offenbart
einen bürstenlosen
Gleichstrommotor zum Antreiben einer Luftschraube eines Flugmodells.
Die Ansteuerung des Gleichstrommotors erfolgt unter Berücksichtigung
von Schaltsignalen, die von Hallsensoren erzeugt werden. Die Hallsensoren
sind an einer Sensorplatine angebracht und tasten eine Drehstellung
von Magneten eines Außenläufers des
Gleichstrommotors ab.
-
Die
DE 195 43 284 A1 betrifft
eine Antriebseinheit für
ein Modellflugzeug, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor
zum Antreiben eines Rotors umfasst. Die Stellung des Rotors wird
mit Hilfe von Hallsensoren erfasst.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch angetriebene
Mehrrotorenhubschrauber zu schaffen, dessen Fluglage besser stabilisiert
und dessen Dynamik verbessert ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe
zugrunde, ein verbessertes Ansteuerungsverfahren für Antriebe
von Mehrrotorenhubschraubern anzugeben.
-
Kurzer Abriss
der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein
drehzahlgesteuerter Hubschrauber zur Verfügung gestellt, der die im Patentanspruch
1 genannten Merkmale aufweist. Der erfindungsgemäße Hubschrauber mit drei oder
mehr Hubeinheiten mit jeweils wenigstens einem Rotor und wenigstens
einem, den Rotor antreibenden elektrisch kommutierten Gleichstrommotor
umfasst für
wenigstens eine Hubeinheit oder alle Hubeinheiten jeweils wenigstens einen
Sensor zur Erfassung der Drehbewegung einer rotierenden Komponente
der Hubeinheit.
-
Zusätzlich ist
ein Drehzahlsteller zur Ansteuerung wenigstens eines der Gleichstrommotoren
unter Berücksichtung
der Sensorsignale vorgesehen. Die Ansteuerfrequenz des Drehzahlstellers
beträgt
mehr als 50 Hz und kann mehr als 100 Hz oder auch mehr als 200 Hz
betragen.
-
Die
Sensoren zur Erfassung der Drehbewegung können nach einem magnetischen
Prinzip arbeiten. Beispielhaft genannt seien Hall-Sensoren. Es können auch
optische Sensoren oder Sensoren verwendet werden, die auf anderen
physikalischen Prinzipien beruhen. Die Sensorik kann auf inkrementellen
Messverfahren beruhen, mit unterschiedlich feiner Stufung. Es kann
zum Beispiel eine gezahnte Scheibe verwendet werden. Strichmarken
sind ebenso möglich.
-
Bei
einer ersten Variante genügt
ein Sensor je Motor. Es können
jedoch auch mehrere Sensoren pro Motor verwendet werden, vorzugsweise
drei (z. B. für
jede Motorphase einer). Die Sensorsignale können auch für andere Zwecke verwendet werden.
-
So
können
Signale z. B. in die zentrale Steuereinheit eingespeist und/oder
in die Logik der Fluglagestabilisierung eingebunden werden.
-
Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung sind die Sensoren außen an den Gleichstrommotoren
angebracht. Dieser Ansatz ermöglicht
das Nachrüsten
herkömmlicher
Antriebe. Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
sind die Sensoren in die Gleichstrommotoren integriert. Bei einer
weiteren Ausführungsform sind
die Sensoren im Rotorbereich angeordnet, insbesondere im Bereich
der jeweiligen Rotorwelle.
-
Die
Gleichstrommotoren können
Außenläufer oder
Innenläufer
sein. Bevorzugt sind Außenläufer, die auf
dem LRK-Prinzip (Lucas, Retzbach, Kühfuss) basieren. Gemäß dem LRK-Prinzip
wird der Stator nach einem speziellen Wickelschema bewickelt, z.
B. nur jeder zweite Zahn. Die Maßnahme wirkt drehmomentsteigernd.
-
Die
einzelnen Hubeinheiten sind zweckmäßigerweise getriebelos ausgebildet.
Beispielsweise lässt sich
eine getriebelose Ausbildung dadurch erzielen, dass der Gleichstrommotor
einer Hubeinheit eine Motorwelle aufweist, die gleichzeitig die
Rotorwelle der Hubeinheit darstellt. Die Motorwellen sind vorzugsweise
wenigstens zweifach wälzgelagert.
Als Wälzlager
können
Rillenkugellager zum Einsatz gelangen.
-
Die
Gleichstrommotoren können
jeweils ein gewichtsbezogenes spezifisches Drehmoment von wenigstens
1 Nmm/g aufweisen. Auch Gleichstrommotoren mit einem Drehmoment
von mehr als ungefähr
3 Nmm/g können
Verwendung finden. Die entsprechenden Werte können durch die Kombination
verschiedener konstruktiver Merkmale und Parameter erzielt werden,
insbesondere durch Außenläufer mit
größerer Polzahl.
-
Je
nach Leistungsfähigkeit
der Hubeinheiten (und vor allen der Motoren) kann der Hubschrauber
eine höhere
oder niedrigere Abflugmasse besitzen. So kann die Abflugmasse weniger
als ungefähr
10 kg betragen. Bevorzugt ist eine Abflugmasse von weniger als ungefähr 5,0 kg
und insbesondere von weniger als ungefähr 0,75 kg.
-
Der
Hubschrauber kann drei, vier oder mehr Hubeinheiten aufweisen. Sind
vier Hubeinheiten vorhanden, können
diese in einer Draufsicht an den Ecken eines Vierecks, insbesondere
eines Quadrats angeordnet sein.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hubschrauber mit drei oder
mehr, insbesondere mit vier getriebelos ausgebildeten Hubeinheiten
mit jeweils ei nem Rotor und einem den Rotor antreibenden, elektronisch
kommutierten Gleichstrommotor geschaffen, wobei der Gleichstrommotor
jeweils als Außenläufer ausgebildet
ist.
-
Schließlich stellt
die Erfindung auch noch ein Verfahren zur verbesserten Antriebssteuerung
von Mehrrotorenhubschraubern, mit wenigstens drei Rotoren, angetrieben
von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren bereit. Das Verfahren
enthält
die Schritte des (vorzugsweise kontinuierlichen) Erfassens der Drehbewegung
einer rotierenden Komponente einer Hubeinheit (beispielsweise einer
Rotorposition, insbesondere der Position einer Rotorwelle, oder
einer Drehzahl einer Komponente des Gleichstrommotors) mittels eines
Sensors sowie des Ansteuerns eines den Rotor antreibenden, elektronisch
kommutierten Gleichsstrommotors mittels eines Drehzahlstellers unter
Berücksichtigung
des Sensorsignals mit einer Ansteuerfrequenz von mehr als 50 Hz.
-
Die
Erfassung der Drehbewegung kann inkrementell erfolgen. Das jeweilige
Inkrement kann konstant oder veränderlich
sein. Als zweckmäßig hat
sich ein Inkrement- von
weniger als ungefähr
5° oder
weniger als ungefähr
2°, vorzugsweise
von kleiner als ungefähr
0,5°, erwiesen.
-
Ferner
hat sich herausgestellt, dass die Sensorsignale auch für andere
Zwecke als für
die Motorsteuerung Verwendung finden können. Diesbezügliche Beispiele
werden weiter unten näher
erläutert.
-
Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
die unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren erläutert werden:
-
1 zeigt
eine Draufsicht auf einen 4-rotorigen Hubschrauber gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
-
2 zeigt
eine Seitenansicht des Hubschraubers gemäß 1;
-
3 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Hubeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung; und
-
4 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Hubeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
-
5 zeigt
eine schematische Darstellung der Verarbeitung eines Sensorsignals
bei einer Hubeinheit gemäß 3 oder 4.
-
Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
-
Grundlage
für eine
verbesserte Fluglagestabilisierung ist eine hinreichende Dynamik
der Rotorantriebe. Die Drehzahl der Motoren sollte sich sehr schnell ändern können. Hierzu
wird in den Ausführungsbeispielen
jeweils ein Sensor zur Erfassung der Drehbewegung verwendet. Dessen
echtzeitnahes Signal wird bei der Kommutierung des zugehörigen Motors
verwendet. Mit Hilfe der Sensorsignale wird die Ansteuerung der
Motoren derart verbessert, dass die Antriebe Drehzahländerungen
schneller folgen können.
Auch in Kombination mit anderen Maßnahmen wird damit die Flugstabilität erhöht.
-
Die 1 und 2 zeigen
einen 4-rotorigen Hubschrauber 10, der als Mikrodrohne
zur Luftaufklärung
in urbanem Gelände
geeignet ist. Der Hubschrauber 10 umfasst ins gesamt vier
Hubeinheiten 12. Die Hubeinheiten 12 besitzen
jeweils einen im Ausführungsbeispiel
zweiblättrigen
Rotor 14 sowie einen den Rotor 14 antreibenden
elektronisch kommutierten (bürstenlosen)
Gleichstrommotor 16. In der Draufsicht gemäß 1 ist
gut zu erkennen, dass die Hubeinheiten 12 und auch deren
Rotoren 14 an den Ecken eines Vierecks, genauer gesagt
eines Quadrats, angeordnet sind. Die Hubeinheiten 12 sind
an einem Traggerüst 18 befestigt und
durch dieses miteinander verbunden. Das Traggerüst 18 trägt ferner
eine Nutzlast 20. Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 handelt
es sich bei der Nutzlast 20 um eine Kamera. Die Kamera
funkt ein Videobild echtzeitnah zum Boden. Dort wird es in einer
Videobrille oder auf einem Monitor dargestellt. So kann der Hubschrauber 10 über eine "Cockpit-Sicht" gesteuert werden,
auch ohne direkten Sichtkontakt vom Bediener zum Hubschrauber.
-
Die
technischen Daten des Hubschraubers
10 sind wie folgt:
| Abflugmasse: | 0.50
kg |
| Abmessungen über alles: | 0.95
m |
| Rotordurchmesser: | 0.38
m |
| Motormasse: | 4 × 0.035
kg |
| Rotordrehzahl
(Schwebeflug): | 1,500
1/min |
| Leistungsbedarf
(Schwebeflug): | 40
W |
| Flugzeit
mit einer Akkuladung: | 50
min |
-
In
den 3 und 4 sind zwei unterschiedliche
Hubeinheiten 12 für
den Hubschrauber 10 gemäß den 1 und 2 im
Querschnitt dargestellt. Identische oder übereinstimmende Elemente sind
mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Gemäß der in 3 dargestellten
Ausführungsform
der Hubeinheit 12 umfasst die Hubeinheit 12 zusätzlich zu
dem Rotor 14 und dem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 16 einen
auf dem Hall-Prinzip basierenden Sensor 22 und einen Drehzahlsteller 24.
Der Sensor 22 ist über
eine elektrische Zuleitung 26 mit dem Drehzahlsteller 24 und
dieser wiederum über
eine elektrische Zuleitung 28 mit dem Motor 16 elektrisch gekoppelt.
-
Der
Motor 16 besitzt eine Motorwelle 49, die gleichzeitig
als Rotorwelle 30 fungiert. Die Hubeinheit 12 kommt
daher im Ausführungsbeispiel
ohne Getriebe aus, ist also getriebelos. Die Motorwelle 49 ist
mittels zweier als Rillenkugellager ausgebildeter Wälzlager 32, 34 drehbar
in einem Lagerschild 36 gelagert. Das Lagerschild 36 wie derum
ist drehfest an dem auch als Motorhalterung fungierenden Traggerüst 18 befestigt.
-
Als
Stator 38 umfasst der als Außenläufer ausgestaltete Motor 16 ein
Blechpaket mit Wicklungen. Der Stator 38 ist starr mit
dem Lagerschild 36 verbunden. Die um den Stator 38 rotierende
Komponente des Motors 16 wird von einer Motorglocke 40 gebildet.
Die Motorglocke 40 umfasst Magnete 42, die an
einem Rückschlussring 44 befestigt
sind. Der Rückschlussring 44 wiederum
ist mittels eines Motorlagerschilds 46 starr mit der Motorwelle 49 gekoppelt.
Auf diese Weise überträgt sich
eine Drehung der Motorglocke 40 auf die Motorwelle 49,
die den Rotor 14 trägt.
An der Motorglocke 40 ist außerdem eine ferromagnetische
Zahnscheibe 50 angebracht, deren Zähne von dem Sensor 22 abgetastet
werden und die Grundlage für
das Sensor-Ausgangssignal
bilden.
-
Während in
der in 3 dargestellten Ausführungsform der Hubeinheit 12 der
Motor 16 zwischen dem Traggerüst 18 und dem Rotor 14 angeordnet
ist, ist bei der in 4 dargestellten Ausführungsform
der Motor 16 unterhalb des Traggerüsts 18 befestigt.
Mit anderen Worten, bei der Ausführungsform
gemäß 4 ist
das Traggerüst 18 zwischen
dem Rotor 14 und dem Motor 16 angeordnet. Eine
weitere Abweichung zwischen den Ausführungsformen von 3 und 4 besteht
darin, dass sich der Sensor gemäß 3 radial
zur Motorwelle 49 erstreckt, während der Sensor 22 gemäß 4 im
Wesentlichen in einer zur Motorwelle 49 parallelen Ebene
liegt.
-
Nachfolgend
wird die Ansteuerung des Motors 16 gemeinsam für die in
den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen
beschrieben.
-
Über die
elektrische Zuleitung 26 wird das Ausgangssignal des Sensors 22 dem
Drehzahlsteller 24 zugeführt. Zusätzlich erhält der Drehzahlsteller ein
Ansteuersignal über
eine weitere elektrische Zuleitung 48 von einer zentralen
Steuereinheit (nicht dargestellt). Basierend auf dem Ausgangssignal
des Sensors 22 und diesem Ansteuersignal ermittelt der
Drehzahlsteller 24 ein Drehzahlsteuersignal, das sogenannte
Kommutierungssignal, das dem Leistungsteil des Stellers zugeführt wird.
Die Ausgänge
des Leistungsteils führen über die
elektrische Zuleitung 28 zum Motor 16.
-
Diese
Funktionalität
wird nachfolgend anhand von 5 näher erklärt.
-
Der
obere Zeitstrahl in 5 zeigt die Zeitmarken des inkrementellen
Sensorsignals bis zu einem Zeitpunkt t0.
Die drei darunterliegenden Zeitstrahlen bilden die Schalt zustände der
insgesamt drei Ausgänge
des Drehzahlstellers 24 ab. Im unteren Teil der Figur ist
die Signalverarbeitung im Drehzahlsteller 24 schematisch dargestellt.
Die Schaltzustände
des Drehzahlstellers 24 werden in 5 vereinfachend
bei Volllast abgebildet. In Wirklichkeit arbeiten die Antriebe fortwährend in
Teillast (Pulsweitenmodulation).
-
Eine
Basisschaltung 51 des verwendeten Drehzahlstellers 24 ist
für den
Betrieb an Motoren ohne Sensoren konzipiert. Ein von der Basisschaltung 51 erzeugtes
Kommutierungssignal B wird daher auf herkömmliche Weise aus dem jeweils
offenen Ausgang A der Motorwicklung generiert. Hierzu wird der Nulldurchgang der
magnetischen Induktionsspannung herangezogen.
-
Dieses
(rohe) Kommutierungssignal B wird einer zusätzlichen, (logisch) getrennten
Schaltung 52 des Drehzahlstellers 24 zugeführt, die
außerdem
das Sensorsignal D empfängt
und aufbereitet. In der Schaltung 52 wird das Kommutierungssignal
B mit dem (aufbereiteten) Sensorsignal D korrigiert. Ein korrigiertes
Kommutierungssignal C wird anschließend einem Leistungsteil 53 des
Drehzahlstellers 24 zugeführt, welches die Motorwicklungen
bestromt. Bei der Korrektur werden auch die jeweiligen Motorströme berücksichtigt.
-
Das
korrigierte Kommutierungssignal C liegt näher am jeweiligen zeitlichen
Optimum. Das jeweilige Optimum ist der ideale Zeitpunkt (Timing)
für die
Kommutierung, bei dem der Motor sein maximales, bauartbedingtes
Drehmoment entfaltet. Wenn Mehrleistung abgefordert wird, steigt
das Drehmoment des Motors daher früher und steiler an, und damit
auch der Auftrieb am Rotor.
-
Optional
können
Sicherheitsschaltungen inplementiert werden, die die Korrektur des
Kommutierungssignals unterbinden, wenn unplausible Signale vorliegen
(Fail-Safe-Funktion).
-
Im
vorliegenden Beispiel nach 5 wird der
Kommutierungszeitpunkt t1 an einem beispielhaften
Ausgang 3 aus Informationen erzeugt, die bis zum Zeitpunkt
t0 gesammelt wurden. Die jüngsten Informationen stammen
vom Sensor (Zeitmarken unmittelbar vor t0).
So werden selbst die aktuellsten Drehzahltrends noch bei der Kommutierung
berücksichtigt.
Veranschaulicht bedeutet dies, dass bis kurz vor der jeweiligen
Kommutierung deren "geplanter" Zeitpunkt immer
wieder neu berechnet wird, mit den jeweils neuesten Sensordaten und
optional weiteren (anderen) Parametern. Die einzelnen vorausberechneten
Kommutierungszeitpunkte können
etwas vor (–)
oder nach (+) t1 liegen. Der letzte Wert
wird unmittelbar vor der Kommutierung "freigegeben" und definiert den tatsächlichen
Zeitpunkt der Kommutierung. Letztlich werden in der vorgestellten
Schaltung 52 zwei Drehzahlinformationen verarbeitet, die
aus den Induktionsspannungen gewonnene zum einem und die aus dem
Sensorsignal gewonnene zum anderen. Die Drehzahlinformation ist
also redundant, abgesehen von Qualität und Aktualität.
-
Je
niedriger die Drehzahl ist, umso schlechter ist die Drehzahlinformation
aus der Induktionsspannung. Die Qualität der Drehzahlinformation aus
dem Sensor ist hingegen näherungsweise
unabhängig
von der Drehzahl. Wegen der höheren
aerodynamischen Effizienz und aus Geräuschgründen werden häufig große und langsam
drehende Rotoren verwendet. Hier lohnt sich der Einsatz von Sensoren
also besonders.
-
Der
verwendete Motor des Ausführungsbeispiel
ist in vielerlei Hinsicht auf ein hohes Drehmoment bei niedrigen
Drehzahlen optimiert: Rund 400 mm Rotordurchmesser und 1500 1/min
Drehzahl bei nur ca. 0.035 kg Motormasse. Motoren dieser Gewichtsklasse
treiben herkömmlicherweise
Rotoren mit ca. 250 mm Durchmesser an, bei weit höheren Drehzahlen
ab ca. 4000 1/min.
-
Eine
große
Anzahl von Polen (über
ca. 18) trägt
zu dem hohen Drehmoment bei. Hohe Polzahl bedeutet aber auch, dass
pro Umdrehung mehr Kommutierungen stattfinden. Damit muß auch die
Kommutierung exakter zur jeweiligen Rotorstellung passen. Sonst
kann es passieren, dass sich die Polschuhe des Stators die falschen
Magnete als "Partner
aussuchen" und der
Motor mit einer anderen spezifischen Drehzahl läuft, was mit Wirkungsgradverlusten
einhergeht. Die hier verwendete Sensorik mit hoher Auflösung (kleines
Inkrement) beseitigt das Problem.
-
Die
Komponenten des Drehzahlstellers 24 können in moderner Microcontroller-Architektur hardwaremäßig umgesetzt
werden. Bei der Software kommt es in besonderer Weise auf ressourcenschonende
Programmierung an, da die Prozesse extrem schnell ablaufen (müssen) und
nur begrenzte Rechenleistung zur Verfügung steht.
-
In
Kombination mit einer hochfrequenten Ansteuerung durch das Eingangssignal
können
mit der verbesserten Antriebsdynamik Störungen der Fluglage, z. B.
durch Windböen,
selbsttätig
so schnell korrigiert werden, dass sie nach außen unsichtbar bleiben.
-
Auch
beim Anlaufen des Motors aus dem Stand kann die Zusatzinformation
aus dem Sensorsignal wertvolle Dienste leisten. Es können zudem
größere Rotoren
mit größerem Massenträgheitsmoment
zuverlässig
beschleunigt werden, wenn das Sensorsignal in den Anlaufalgorithmus
eingebunden wird.
-
Ohne
Sensor ist der Anlaufvorgang dagegen problematisch, besonders mit
großen
Rotoren. Mancher Antrieb bleibt ganz stehen, andere laufen mit zeitlicher
Verzögerung
an, z. T. ruppig und mit Geräuschentwicklung
verbunden. Hintergrund ist, dass der Motor im Stillstand noch keine
auslesbare Induktionsspannung zur Steuerung der Kommutierung ausgibt.
Also muss der Drehzahlsteller den Motor zunächst ohne diese Information,
quasi "blind", auf eine gewisse
Mindestdrehzahl beschleunigen. Dazu wird im Drehzahlsteller ein Soll-Drehfeld
erzeugt. Diesem kann der Motor jedoch von Fall zu Fall nicht folgen.
Mit Sensor können
die Startprobleme gelöst
werden. Die Sensoren unterstützen
den Vorgang wirkungsvoll, weil schon bei kleinen Drehwinkeln verläßliche Signale
für die
weitere Drehbeschleunigung anstehen (geringes Inkrement).
-
Als
Option können
die Signale der Sensoren auch für
andere Zwecke weiterverarbeitet werden: Drehzahlüberwachung, Böenerkennung
(infolge Drehzahlschwankungen), Einspeisung in eine zentrale Steuerelektronik
für verschiedene
Zwecke, z. B. Einbinden in die Logik der Fluglagestabilisierung.
-
In
Kombination mit der eingangs genannten, hochwertigen Sensorik zur
Erfassung der Fluggerätebewegung
im Raum und einer schnellen Signalverarbeitung bis hin zur Ansteuerung
der elektrisch kommutierten Motoren wird durch den Einsatz von Drehbewegungsgebern
an den Antrieben die Flugstabilität wesentlich gesteigert. Somit
werden kleinste Änderungen
der Fluglage fast verzögerungsfrei
erfaßt
und automatisch korrigiert.
-
Die
bisher gängige
Mehrrotorenhubschraubertechnik mit Bürstenmotoren hat hingegen einige
Nachteile, die nachfolgend kurz erläutert werden.
-
Beim
Mehrrotorenhubschrauber hängt
die Flugfähigkeit
von jedem einzelnen Antrieb ab. Fällt einer der Antriebe aus,
stürzt
das Gerät
ab. Die Absturzwahrscheinlichkeit infolge Antriebsausfall steigt
linear mit der Anzahl der Antriebe. Jeder Mehrrotorenhubschrauber
stürzt
irgendwann ab, wenn die Bürsten
verschlissen sind. Oft kündigt
sich dieser "Worst
Case" vorher nicht
einmal an.
-
Dieses
Problem ist auch deshalb so dramatisch, weil die Anforderungen an
energetische Effizienz dazu zwingen, kleine und leichte Motoren
zu verwenden und weit in Überlast
zu betreiben. Unter diesen Extrembedingungen werden oft nur wenige
Stunden Betriebsdauer erreicht.
-
Neben
dem plötzlichen
Totalversagen konnten auch zeitweise Aussetzer beobachtet werden,
wenn der Kommutator schon vorgeschädigt ist. Daneben wurden schleichende Änderungen
des Betriebsverhaltens beobachtet. In der Regel sind nicht alle
Antriebe gleich betroffen. Das Fluggerät ist dann gleichsam vertrimmt und
tendiert in eine bestimmt Flugrichtung.
-
Schließlich ist
die Leistungsdichte üblicher
Bürstenmotoren
unbefriedigend niedrig. Die oftmals viel zu hohe spezifische Drehzahl
verbietet die Verwendung langsamdrehender und daher effizienter
Rotoren. Das geht zulasten von Nutzlast, Flugzeit oder beidem. Außerdem kann
das Bürstenfeuer,
das am Kommutator entsteht, benachbarte elektronische Schaltungen
stören.
-
Alle
diese Probleme werden durch das Vorsehen eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten
Motors beseitigt, und zwar in besonders effizienter Weise dann,
wenn der Motor als Außenläufer ausgebildet
ist.
-
Die
Erfindung ermöglicht
somit einen leisen, hocheffizienten, um alle Achsen steuerbaren,
extrem flugstabilen, zuverlässigen,
durch die Software variabel konfigurierbaren, universell einsetzbaren
Hubschrauber, der außer
8 Kugellagern keine Verschleißteile
aufweist.
-
Das
erfindungsgemäße Fluggerät ist sehr
leicht zu bedienen: Ohne (internen oder externen) Steuereingriff
beispielsweise verharrt das Gerät
im Schwebeflug auf der Stelle, mit nur geringen Abweichungen um eine
Mittellage. Auch kleine Störungen,
wie Wind, führen
in nur geringem Umfang zum Wegdriften. Mit Steuereingriffen kann
das Gerät
an einen anderen Ort "verfahren" werden. Dazu ist
kein fliegerisches Geschick erforderlich. Wird beispielsweise der
Steuerknüppel
einer Fernbedienung (Kabel oder Funk) losgelassen, bleibt der Hubschrauber
wieder in der Luft stehen. Weil die Technik ohne GPS auskommt, kann
das Fluggerät
auch im Innern von Gebäuden
eingesetzt werden, wo keine GPS-Signale empfangen werden können.