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Moderne Regler ESC für MultiCopter Quadrokopter Hexakopter

Turnigy KForce 40A Back
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MIT UNSEREN MIKROKOPTERN KANN IHRE KAMERA FLIEGEN
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PIXHAWK V2.4
Quadrocopter X650
Für den Antrieb unseres MultiCopters brauchen wir bürstenlose Gleichstrommotoren sog. Brushless Motore. Diese sind von der Technik mit Synchron- oder Schrittmotoren zu vergleichen. Die Vorteile dieser Motoren sind ihre hohe Leistungsdichte (Leistung zu Gewicht) und sie sind verschleissfrei, weil sie keine Bürsten oder Getriebe haben. Allerdings benötigt man eine Elektronik (Brushless-Regler), die das synchrone Drehfeld der Motoren erzeugt und mit der man die Drehzahl regeln kann. Die Regler Hersteller möchten sich gerne den erforderlichen Gatetreiber für die N-FET Transistoren sparen und arbeiten häufig mit einer Mischbestückung aus P-FET und N-FET. Der P-FET ist aber fertigungstechnisch bedingt immer sehr hochohmig. Fast alle Regler bis 30 A haben aus Kostengründen noch die Mischbestückung und sind aus meiner Sicht nur für leichte und schwache Copter geeignet. Sie sollten wegen der hohen Verlustleistung gut gekühlt montiert werden. Man muss sich auf geringe Flugzeiten einstellen. P-FET Transistoren haben auf einem modernen Regler nicht zu suchen. Ein moderner Regler hat eine komplette FET Bestückung aus N-FET Transistoren mit einem Gatedriver. Der Regler muss eine Spannung erzeugen, welche dem Sinusverlauf angenähert ist. Das wird durch eine Halbbrücke (1/3 Drehstrombrücke), die aus zwei FETs besteht erreicht. Der Innenwiderstand dieser FETs ist für den Wirkungsgrad extrem entscheidend. Die über den Regler abfallende Spannung multipliziert mit dem Strom ergibt die Verlustleistung. Diese wird direkt in Wärme umgesetzt und ist vorrangig der limitierende Faktor des Reglers. Würde nur 1V Spannung über den Regler abfallen, ergibt das mit 50 A multipliziert eine Verlustleistung von 50 W. Das führt zum sofortigen Hitzetod des Reglers. Regler gibt es wie Sand am Meer, die Preise fangen bei 8 EUR an. Man kann aber auch über 1000 EUR für eine Reglergruppe ausgeben.
Hexacopter H800 Turnigy Plush 40A
Der wohl bekannteste Regler aus dem Kopterbereich. Der BL-CTRL 2.0 wird in fast allen Mikrokoptern schon seit Jahren verwendet. Technisch ist er völlig veraltet. Der Prozessor ist ein ATMega 168, er wird mit dem ungenauen Takt des internen Oszillators mit 8 MHz angesteuert. Die Endstufe besteht aus einer Mischung von P-FET und N-FET Transistoren. Es gibt keinen Gatedriver. Um die hohe Wärmeverlustleistung des Reglers abzuführen muss dieser im Luftstrom der Propeller montiert werden. Er lässt sich über den I²C Bus oder über ein PPM Signal ansteuern. Mikrokopterpiloten haben hier nicht viel Auswahl weil die FC nur den I²C Bus unterstützt.
Der ESC32 ist von Bill Nesbitt aus den USA entwickelt worden und wird in Deutschland hergestellt. Der Regler ist mit der 72 MHz CPU, Gatedrivern und N-FET Bestückung technisch auf hohem Niveau. Er kann mit LiPos bis 5S betrieben werden. ESC32 Features: - STM32F103 72MHz ARM 32-bit Cortex(TM) M3 MCU - All N-FET design with gate drivers - 2S through 5S battery voltage - Option to power logic side via UART or PWM IN at +5V - CAN transceiver hardware support onboard - Firmware written completely in C - Cortex SWD connector pads for real-time debugging - Communications ports: PWM IN / UART / I2C / CAN Bus - Communications protocols: PWM IN / CLI / binary / 1-wire / I2C** / CAN** - 4KHz to 64KHz PWM out - Current sensing / limiting with real shunt resistor - Virtual current limiter - Regenerative braking (experimental) - Closed loop control modes - Lot of available RAM / FLASH for experimentation and development ** I2C and CAN drivers not yet released Alle wesentlichen Parameter können über die QGround Control Software per USB UART eingestellt werden. Ich war mit diesem Regler nicht zufrieden. Er lässt sich nur mit 5S betreiben und ich konnte kein sauberes Flugverhalten auf meinem Copter erzielen. Ein Wechsel auf einen KForce hat das Problem behoben.
Der Turnigy Plush 40A ist fast baugleich mit dem Hobbywing Platinum Pro 40A. Beide Regler sind mit der schnellen Silabs CPU ausgestattet. Die Regler unterstützen 2S bis 6S Betrieb. Die Schaltgeschwindigkeit ist sehr hoch. Die FET Widerstände beim Turnigy Plush 40A betragen rund 1.3 mOhm und 0.75 mOhm beim Hobbywing Platinum Pro 40A für Low-Side und High-Side (typ. bei 10V). Low und High Side FETs sind N-FETs. Der Turnigy Plush 40A wird auch als Hobbywing FLYFUN und HiModel Professionell verkauft. Damit die beiden Regler mit der hohen PWM Frequenz von 490 Hz beim APMCopter angesteuert werden können, sollten sie mit einer passenden MultiCopter Firmware umgeflasht werden. Ich benutze die BLHeli ESC Multicopter Firmware. Der Flashvorgang dauert nur wenige Sekunden und man kann unendlich viele Parameter einstellen. Das ist mein Favorit, der Turnigy KForce 40A. 40A Dauerstrom und 57A für 10s - das sollte auch für einen schweren Copter reichen. Er unterstützt 2s bis 6s Akkus und den fully damped Mode und hat ein Dual BEC eingebaut. Das BEC hat eine Twin voltage selection und lässt sich auf 5.25V oder 6V per Software einstellen. Die FET Widerstände betragen rund 0.7 mOhm für Low-Side und High-Side (typ. bei 10V). Low und High Side FETs sind natürlich N-FETs. Damit ist der Turnigy KForce 40A der niederohmigste Regler den ich kenne. Das Gewicht beträgt 38 Gramm. Die Rückseite des Turnigy KForce 40A.
Regler für Multicopter Hobbywing Platinum Pro 40A
Turnigy Plush 40A
Turnigy KForce 40A
Hobbywing Platinum Pro 40A
5S oder 6S Betrieb hat viele Vorteile: Bei der Nutzung von 5S oder 6S Akkus hat der Copter wesentlich mehr Leistung. Bei 6S ist es schon fast zu brutal. Durch die höhere Spannung werden die Motorströme und damit die Störfelder geringer. Die Kabelquerschnitte der Motor und Batterieleitung können kleiner gewählt werden, das spart Gewicht. Die Stromverteilerplatine und die Akkus werden nicht so stark belastet. Übergangswiderstände wirken sich bei höherer Spannung nicht so stark aus. Die Stützkondensatoren auf den Reglerzuleitungen können kleiner gewählt werden, müssen aber mindestens 35V Typen sein. Natürlich müssen alle Baugruppen des Copters “Hochspannungstauglich” sein. Also bei den beiden BECs für die FC und den Gimbal, Ledtreiber und allen weiteren Spielereien darauf achten, dass sie mindestens mit 26 V versorgt werden dürfen.
09.09.2013 OT Ich möchte Euch meine schlechten Erfahrungen mit MHM-Modellbau mitteilen und von dem Kauf eines falsch gelabelten Reglers erzählen. Am 26.08.2013 hatte ich dort 7 Stück Regler Hobbywing Platinum Pro 40A bestellt. Ich hatte diese Regler auf einem Hexacopter verbaut. Mir fiel auf, dass der Hexa sehr unruhig in der Luft lag. Nach der Überprüfung aller in Frage kommenden Komponenten kamen nur noch die Regler als Problemursache in Frage. Um das Problem weiter einzugrenzen, blieb mir nichts anderes übrig, als die Regler vom Schrumpfschlauch zu befreien. Dabei stellte sich heraus, dass einer der Regler ein minderwertiger Turnigy Plush 40A war. Dieser Regler war aber als Hobbywing Platinum Pro 40A gelabelt. Da ich bei MHM-Modellbau schon für mehrere Tausend EUR eingekauft hatte und mich als Stammkunde fühlte, dachte ich mir: Kein Problem, die werden mir den unwissentlich falsch gelieferten Regler schon umtauschen. In dem nun folgendem Mailverkehr wurde mir zunächst geschrieben, dass ich die Garantie durch das Entfernen des Schrumpfschlauches verloren habe. Ich wies darauf hin, dass ich einen falschen Artikel geliefert bekommen habe und nur durch das Entfernen des Schlauches diesen identifizieren konnte. Mittlerweile hatte ich auch Fotos des Hobbywing  und des Turnigy  Reglers meiner Mail hinzugefügt. Leider kannte Herr Wehner von MHM seine Produkte nicht so genau und sprach von einer geänderten Bauweise und verweigerte den Umtausch. Er konnte mir auch nicht erklären, wie ich den Unterschied der beiden Regler anders als durch das Entfernen des Schrumpfschlauches hätte feststellen können. Trauriges Fazit: Die nächsten Regler werde ich in China kaufen. Der Turnigy Plush 40A  kostet dort nur 17 EUR plus MwSt. Bei MHM habe ich 42 EUR bezahlt und viel gelernt! Ich denke, dass ich bei einem chinesischen Händler auch keinen schlechteren Service erhalte.
Die Tabelle oben zeigt wievielt Wattstunden pro Gramm die unterschiedlichen Akkus liefern. Für den Vergleich wurden normale Turnigy und Turnigy nano Akkus verwendet. Der 4s 5000 mA/h Akku liefert mit 128,5 W/kg die geringste Ausbeute. Die beiden 4S 6000 mA/h und 5s 5000 mA/h Akkus liefern mit 148,7 W/kg die meiste Energie pro Kilogramm. Der 6S 6000 mA/h Akku belegt den dritten Platz. Schade, ich hätte gedacht dass der 6S Akku die höchste Energiedichte hat. Ich bevorzuge dennoch den 6S 6000 mA/h Akku. Gegenüber dem 4S 5000 mA/h Akku hat man 59,2 Wattstunden mehr Energie auf dem Copter. Dadurch steigt die maximale Flugzeit.
Energie Kapazität Spannung Zellen Gewicht Wattstunden Wattstunden A/h V Anzahl Gramm pro Kilogramm 74,0 5 14,8 4 576 128,5 88,8 6 14,8 4 597 148,7 92,5 5 18,5 5 622 148,7 111,0 5 22,2 6 813 136,5 133,2 6 22,2 6 908 146,7
Welcher Akku liefert die meiste Energie pro Kilogramm:
Hexacopter F680
Turnigy KForce 40A
Turnigy KForce 40A Programmer Pins
Die Programmer Pads habe ich bei meinen Reglern auf eine DF13-4 Buchse geführt. So lässt sich der Regler schnell im eingebauten Zustand umflashen oder die Parameter verändern.
Turnigy Plush 80A Turnigy Plush 80A
Es geht doch noch niederohmiger: Der Turnigy Plush 80A hat 0.5 mOhm und ist natürlich für die Low-Side und die High-Side mit N-FETs ausgestattet. Mit 80A Dauerstrom und 90A für 10s ist dieser Regler auch für sehr schwere Copter geeignet.