Harjattomien tasavirtamoottoreiden ohjain lennokkikäyttöön

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Date
2006
Major/Subject
Power electronics and electrical drives
Sähkökäyttö ja tehoelektroniikka
Mcode
S-81
Degree programme
Elektroniikan ja sähkötekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
60, [10]
Series
Abstract
Radio-ohjattavissa lennokeissa on 1990-luvulta alkaen käytetty enenevässä määrin sähkömoottoreita vanhojen polttomoottoreiden sijasta. Sähkön edut ovat kiistattomat: hiljaisempi käyntiääni, olemattomat savu- ja öljypäästöt sekä halpa energia tekevät harrastuksesta huomattavasti mukavampaa sekä harrastajille että ympäristölle. 2000-luvulla suosituimmaksi sähkömoottorityypiksi on noussut harjaton tasavirtamoottori, jonka vääntömomentti kokoon nähden on suuri ja hyötysuhde parempi kuin harjallisilla moottoreilla. Moottoria kommutoidaan elektronisesti, joten ohjauselektroniikka on monimutkaisempaa kuin perinteisillä tasavirtamoottoreilla. Toisaalta ohjauksen ajoitusta ym. parametrejä voidaan säätää moottoriin koskematta. Tässä työssä suunnitellun moottorinohjaimen laitteisto kehitettiin laitteen käyttöolosuhteet huomioiden fyysisesti mahdollisimman pieniksi, ja erilaiset vaihtoehtoiset toteutustavat pyrittiin ottamaan huomioon. Käytännössä laitteiston toteutus on hyvin samankaltainen kaikissa lennokkiohjaimissa. Ainoa merkittävästi erilainen ratkaisu tässä työssä oli vaihejännitteiden kaksiportainen skaalaus ohjauksen pulssisuhteen mukaan. Ohjelmisto toteutettiin C-kielellä PIC-mikrokontrollerille. Pääpainotus ohjelman kirjoittamisessa oli sovelluksen mahdollisimman nopea suoritus, jotta moottorin ajoitukset pysyisivät hallinnassa vielä suurillakin kierrosnopeuksilla. Ohjaimen toiminta hiottiin ohjelmistoa parantamalla työn kuluessa kohtalaiseksi: Testimoottorit saatiin pyörimään silmämääräisesti arvioiden melko tasaisesti ja korkeillakin kierroksilla. Lähempi vaihejännitteiden tarkastelu oskilloskoopilla paljasti kuitenkin, että jaksosta jaksoon ajoituksen onnistuminen on vaihtelevaa, mikä laskee hyötysuhdetta. Jatkokehityksessä laitteen toiminnan kannalta ensisijaista on ohjelman suorituksen nopeuttaminen prosessorin tyyppiä vaihtamalla ja keskeytyksiä paremmin hyödyntämällä. Lisäksi tehokytkinten ohjausta tulisi parantaa siten, että laitteen minimikäyttöjännite saataisiin nykyistä alemmas.

Electric motors started to replace internal combustion engines in radio controlled model airplanes during the 90's. The benefits are significant: Electric motors are quiet, they don't produce oil or smoke and their energy is cheap. These facts make for a considerably nicer hobby both for the people involved and their surroundings. In recent years the brushless direct current motor has become the motor of choice due to its large torque-to-size ratio and superior efficiency. The motor is commutated electronically, making the driving electronics more complicated, but on the other hand the commutation timing of the motor and other similar parameters can be changed without touching the motor. In this thesis, a controller for brushless motors was designed. The hardware was developed to be as small as possible, while taking in account any alternative ways of implementation. All in all the hardware is very similar in all airplane controllers, the only significant improvement in this work was the inclusion of a dual scaling for phase voltages according to the duty cycle used. The software was developed using C language for a PIC microcontroller. The main emphasis during programming was for the execution of the program to be as fast as possible, allowing to maintain correct timing even at very high rotational speeds. During development the operation of the controller was tuned by tweaking the software. In the end the test motors could be run fairly smoothly and even at high speeds. A closer inspection of the phase voltages with an oscilloscope, however, revealed quite a bit of variation in the timing, which leads to a reduction in the overall efficiency of the drive. For further development, the most critical point is to make program run-time execution even faster by changing the processor to a more suitable type and by making the most of available interrupts. In addition, the drivers of the power switches should be improved to allow for a much lower minimum input voltage.
Description
Supervisor
Kyyrä, Jorma; Prof.
Thesis advisor
;
Keywords
brushless, motor, controller, model airplane, radio control, harjaton, moottori, ohjain, lennokki, radio-ohjaus
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-007532