Drehzahlmessung beim Elektro-Impellerantrieb

Als glücklicher Besitzer eines Unitest2 habe ich es mir zur Gewohnheit gemacht, vor dem Erstflug eines Elektro-modells dessen Antrieb (Leistung, Drehzahl) zu vermessen. Nun steht der fertige EIT (Elektro-Impeller Trainer; www.keiro.ch) mit eingebautem Wemotec-Minifan (natürlich ohne Propeller!) vor mir – was nun?

Trotz des von SM-Modellbau angekündigten Brushless-Drehzahlsensors entschied ich mich, unseren Elektroniker-Lehrling Timm Baumann mit dieser Problemstellung zu konfrontieren. Die Schaltung, die dabei herauskam, ermöglicht eine berührungslose Drehzahlmessung und ist einfach nachzubauen.

Das UniTest2¹ verfügt über eine Drehzahlmessfunktion mittels eines bereits integrierten Lichtsensors. So kann normalerweise mit einer Taschenlampe, die durch einen drehenden Propeller in den Sensor leuchtet, die Drehzahl ganz einfach gemessen werden. Beim Impellerantrieb ist dies jedoch schwieriger, da dieser schlecht zugänglich ist.

Die mechanische Drehzahl des Motors kann jedoch auch bestimmt werden, wenn man die elektrische Frequenz und die Polzahl des Motors kennt. Mit der im Folgenden beschriebenen elektronischen Schaltung wird eine superhelle Leuchtdiode (LED) so angesteuert, dass die elektrische Frequenz als moduliertes Licht ausgesendet wird. Dieses kann wiederum (wie beim Propeller) mit dem Lichtsensor des UniTest2 erfasst werden.

Der Drehzahlsteller erzeugt im Motor einen dreiphasigen Wechselstrom mittels getakter Spannungssignale. Durch Pulsbreitenmodulation PWM (mindestens im Teillastbetrieb) wird an jeder Phase des Motors eine quasi sinusförmige Wechselspannung nachgebildet (U₁, Oszilloskop Kanal 1). Die hohen Frequenzanteile der PWM müssen nun ausgefiltert werden. In der Schaltung wird dies mit dem RC-Filter (R1, C1) realisiert. Die LED überträgt dann nur Licht in der Frequenz, welche für die Drehzahlmessung relevant ist (U₂, Oszilloskop Kanal 2).

Wie auf dem Oszilloskop ersichtlich ist, hat die Spannung an der LED einen grossen Gleichspannungsanteil. Dies bewirkt, dass die LED nicht «blinkt», sondern nur stärker und schwächer leuchtet. Das UniTest2 erkennt dennoch die Drehzahl, da dieses nur auf Lichtänderungen reagiert.

Für die Anzeige der Drehzahl wählt man die Funktion Antriebsmessung. Damit auch die richtige mechanische Drehzahl angezeigt wird, ist noch die Polzahl des Motors einzugeben (Blattzahl auf Polzahl umstellen). Diese findet man (wenn man Glück hat) im Motordatenblatt des Herstellers.

Nun wird der Lichtsensor des UniTest2 vor die leuchtende LED gehalten. Die maximale Auslesedistanz für eine fehlerfreie Anzeige beträgt etwa 10 cm. Die Versuche bestätigten den erwarteten Drehzahlbereich bis 27 000 rpm.

Der spätere Praxistest im Freien hat gezeigt, dass die Drehzahlmessung auch bei Sonnenschein funktioniert.

• Motor*
• MEGA ACN 16/15/3 (Brushless Innenläufer, 6-polig)
• Drehzahlsteller*
• PULSO DL33A+
• Akku (Lipo)*
• Hyperion Lite Storm CX, 3S1P, 4250 mAh
• Drehzahlmessgerät*
• UniTest2
• Oszilloskop*
• Tektronix TDS 1001B

Bemerkung: Die Schaltung wurde nur mit den oben erwähnten Antriebskomponenten geprüft. Bei anderen Drehzahlstellern und bei markant höheren Drehzahlen ist damit zu rechnen, dass Bauteilwerte geändert werden müssen. Wenn die Schaltung nicht läuft, schafft sicher der Anschluss eines Oszilloskops zwischen Akku-Minus und Motorphase Klarheit. Zeigt das Oszilloskop etwas anderes als obige Messung (Signalform, DC-Offset), müssen wohl auch Änderungen an der Schaltung vorgenommen werden.

Das Wichtigste ist eine superhelle LED, da bei den gewählten Widerständen nur wenig Strom fliesst und eine grosse Auslesedistanz erwünscht ist. Die Testschaltung funktionierte übrigens auch mit LEDs in den Farben Rot, Grün, Gelb und Weiss.

¹ SM-Modellbau, Dipl. Ing. (FH) Stephan Merz, D-82407 Wielenbach; www.sm-modellbau.de

Bild 2: Empfänger mit Antrieb (grün) und Drehzahlmessschaltung (blau).

len). Diese findet man (wenn man Glück hat) im Motordatenblatt des Herstellers.

Nun wird der Lichtsensor des UniTest2 vor die leuchtende LED gehalten. Die maximale Auslesedistanz für eine fehlerfreie Anzeige beträgt etwa 10 cm. Die Versuche bestätigten den erwarteten Drehzahlbereich bis 27 000 rpm.

Der spätere Praxistest im Freien hat gezeigt, dass die Drehzahlmessung auch bei Sonnenschein funktioniert.

CH2 (oben): Signal über dem Kondensator (U₂)
CH1 (unten): Ungefiltertes Drehzahlstellersignal (U₁)

Signalbilder auf dem Oszilloskop.

LED

• rot 5 mm klar; Helligkeit 3000 mcd bei $I_F = 20$ mA; Abstrahlwinkel 30°
• Widerstände**
• Metallfilm $\frac{1}{2}$ W 3,3 k $\Omega$
• Kondensator**
• Polyester 100 nF/63 V
• Schrumpfschlauch**
• $\varnothing$ 6,4 mm Polyolefin

TQ-Litzen

• 0,25 mm² schwarz (0 V) und gelb (Motorphase)

Der Nachbau gelingt auch ohne Leiterplatte. Die gemäss Bild 2 und 4 kompakt aufgebaute Schaltung wird jetzt mit Litzen 0,25 mm² direkt bei den Steckanschlüssen des Drehzahlstellers (irgendeine Motorphase und Akku-Minus) angelötet. Das Enthüllen des Drehzahlstellers mit entsprechendem Garantieverlust ist also nicht notwendig! Anschliessend wird das Ganze in Schrumpfschlauch eingepackt. Aber Vorsicht: Zwischen den Drähten der Bauteile darf kein Kurzschluss entstehen!

Übrigens: Die Schaltung müsste eigentlich auch bei einem Aussenläufer mit Propellerantrieb funktionieren. Nur hier gibt es eine einfachere Lösung: Die fix im Modell eingebaute LED leuchtet mit kontinuierlichem Licht durch den Propeller (LED + 3,3 k $\Omega$ in Serie direkt ab Akku).

Die in gefährlicher Weise hinter dem drehenden Propeller gehaltene Taschenlampe gehört jedenfalls der Vergangenheit an!

Ausdrucken und ab in den Hobby-Raum
www.modellflugsport.ch

² Nachbauinteressenten erhalten die Bauteile gegen ein frankiertes und adressiertes Couvert C6 + CHF 2.- in Briefmarken bei Telma AG, Timm Baumann, Gewerbeweg 10, CH-3662 Seftigen (Angebot gültig bis August 2010).