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Technische Betrachtung der Anlaufgeschwindigkeit vierer Controller
jetzt mit neuer Firmware des Jazz-Controllers.

 
... die vier Probanden: MGM2512/3 - Swing3000LiPo - Jazz55 - Hacker-Master18/3 (keine LiPo-Abschaltung)


I
mmer mehr ins Gespräch kommt die Anlaufgeschwindigkeit und die spontane Gasannahme unserer
 Brushless Motoren. Gerade in der Fun/Slow-Flyklasse, also die Motoren unter 80g Gewicht heißt es, je
 spontaner desto besser!. Für mich stellt sich dabei die Frage: Welche Vor- oder Nachteile handle ich mir ein,
 wie kann ich diesen Wert beeinflussen damit der Controller den Motor noch schneller hochdreht?
 
Wer kennt das nicht: der dann stotternde Motoranlauf oder sogar das plötzliche Abschalten unter LiPo's ist
 hier zu zurechnen!
 Zur Verfügung standen mir "repräsentativ" der Swing 3000-Lipo (V: Februar 2004) von Kontronik und der
 (TMM) MGM 2512-3-PL (V2.31)
von KD-Modelltechnik wegen seiner ganzen Einstellmöglichkeiten.
 Der Jazz soll als "neutraler" Universal-Controller herhalten!
 
 MGM 2513-3-PL:  
 (Die komplette Anleitung hier als Pdf-Datei in deutsch - 980kbyte):

 Er zeichnet sich durch umfangreiche Programmier-
 Möglichkeiten aus.
 U. a. sind programmierbar, fünf Anlaufgeschwindig-
 keiten, sechs Bremsstärken, sechs Motortiming's,
 sowie das Verhalten bei Unterspannung und die
 Zellenart lassen sich vorgeben.
 
 Wenn "mal schnell so eben" der Controller
 umprogrammiert werden soll, bedarf es schon einiger
 Übung und Konzentration - sonst wieder "to Return"
 in der Anleitung!
 
 Swing 3000-LPo:
 Der sorglos Controller, da er über eine automatische
 Motoranpassung verfügt.

 

 Kurzportrait zum Controller > hier <

 Weiterer 3P-Controller: XENON 35 / PHX-35

 Erfahrungs- Telegramm während des Test's:
 - Sehr sicheres Anlaufverhalten, keinerlei Schlagen oder Pendeln des Props.
 - Anlaufdrehzahl am 14 Poler:   ~1330 U/min.
 - Minimaldrehzahl am 14 Poler: ~1330 U/min.
 - keine spürbaren Drehzahlsprünge dank der 1024 Step's.
 - volles Ausnutzen des Knüppelweges 0-100%.
 - Abschaltung LiPo: 3,05V/Z. -> frühes Abschalten!
 - Abschaltung NiMh/NiCd: ca. 0,8V
   -> Man hat die Wahl zwischen kompromissloses Abschalten des Motors beim Erreichen der Unterspannung,
       oder:
   -> sanfte Abreglung des Motors durch Spannungskonstante Lastreglung! Das funktioniert tadellos, ist aber
       (für mich) gewöhnungsbedürftig, da der Motor schleichend immer weniger Leistung hat!
 -
! Hohe Erwärmung bei Teillast, >50°C ohne Kühlung nach 1min und ~5A Motorstrom!
     -> auf gute Kühlung achten, gerade wenn BEC mit verwendet wird!
 - Sehr gut gefallen hat mir die zusätzliche Abschaltmöglichkeit beim "PL"-Controller mit einem kleinen
   EIN/AUS-Schalter. Dieser trennt aber nur die BEC, nicht den Flugakku! Drum nicht vergessen, auch immer
   den Flugakku mit abziehen, sonst ist dieser nach einigen Tagen eventuell leer gelutscht!
 

 Jetzt wird's technisch ...

 Erläuterungen zu den Scope-Diagrammen:
 - alle haben eine einheitliche Skalierung
   [1->] Nulllinie der Stromachse
   [2->] Nulllinie der Spannungsachse
   Y1 - Strom-Achse: 20mV/Divisor => 20A/Divisor
   Y2 - Spannungs-Achse: 5V/Divisor
    X - Zeit-Achse: 500ms/Divisor
 - Motor "AN" immer nach 1s für ca. 3s eingeschaltet
   -> Handstart- und Scope-Triggerungenauigkeiten
       inbegriffen!
 - Messungenauigkeiten ~1%

   -> Divisor, ist ein Punkt zu Punkt Abstand im
       Scope-Bild.

 Messumfeld:
 - 3S1P Konion-Pack's als Spannungsquelle, immer
   vollgeladen nach jedem Versuch!
   (Ri auf NiXx bezogen: 13mOhm/Z)
   (Ri auf das 3S1P-Pack: 114mOhm)
 - Messshunt: Indirekte Spannungsmessung,
   akkuseitig über einen 1mOhm/0,5% Widerstand.
 - Akkuspannung direkt am Akku gemessen.
 - Motor: Dancer-Pro
 - Prop: APC-Slow 9 * 4,7
 - Wirkungsgradmessungen am stabilisierten
   Netzteil (11V), der Reproduzierbarkeit wegen.
   Am Controllereingang 5mF/16V Impulskondensator
 - Nur automatisches Motortiming vorgegeben.
 - Hacker-Master "T4" = 30° -Timing!
 - MGM und Jazz zusätzlich:
   -> 3Z-LiPo-Modus und Motor "cut-off"
 - Servogeber: von -100% auf +100% in 0,05s konstant!

Jazz-Anlauf (alt) - Modus: vollautomatisch

Zur besseren Orientierung sind mal einzelne Werte
"gelb" direkt in diesem Diagramm eingetragen.
Die vertikalen Linien, voll und gestrichelt, sind
verstellbare Messmarken.

 
 Zeitpunkt 0s - 0.7s:
 - Motorstillstand
   -> Akkuspannung = 12,5V, Motorstrom = 0A

 Zeitpunkt 0,7s - 1,5s:
 - Die Auffälligkeit des Jazz beim Motorstart, das
   "etwas andere" Anlaufverhalten!
   Ich vermute, hier werden gezielte Stromimpulse
   ca. 0,5s lang zum Motorvermessen ausgegeben!
   Dabei fließen kurzzeitig Ströme bis zu 43A!
   Die Akkuspannung bricht dabei bis 9,1V zusammen.
 Zeitpunkt 1,5s - 2s:
   Danach kurze Motorhochlaufzeit: ca. 0,4s.
 -> Vom Stillstand bis zur Volldrehzahl: 0,9s!
 -> s. vertikalen Messmarkierungen
 Zeitpunkt 2s - 3,5s:
 - keine Stromspitzen, hervorragende Wirksamkeit
   der EMK-Kondensatoren und (vermutlich) des
   aktiven Freilaufs!
   -> U[motor] = 9,9V / I]motor] = 18A
 Resümee: Der Jazz mag niederohmige Stromquellen
 und dankt es mit sehr sicherem Anlaufen!


Jazz mit euer Firmeware ab Juli 2004!


Für mich jetzt der Maßstab im Anlauf
und Regelverhalten!


 Zeitpunkt 0s - 0.8s:
 - Motorstillstand
   -> Akkuspannung = 12,5V, Motorstrom = 0A

 Zeitpunkt 0,8s - 2,3s:
 - Der Jazz dreht die Motoren jetzt völlig ohne zu
   Schlagen oder ruckeln des Props in 400ms spontan
   hoch, hier am Beispiel des Dancer-Pro. Dabei fließen
   erst am Ende(!) kurzzeitig Ströme nur bis zu 25A
   während des Hochlaufens!
 -> Ein Spitzenwert bei der kurzen Anlaufzeit!
   Die Akkuspannung bricht unmerklich auf 9,7V ein!
 Zeitpunkt 2,3s - 3,3s:
 - keine Stromspitzen, hervorragende Wirksamkeit
   der EMK-Kondensatoren und (vermutlich) des
   aktiven Freilaufs! -> U[motor] = 9,9V / I]motor] = 18A
 Resümee: Das Update des Jazz ist unbedingt
   empfehlenswert! Der Controller dankt es mit noch
   sicherem und Stromschonenden Anlaufen!
   Z.Zt: Getestet an 2-4-10-14Polern bis 45A!


MGM-Anlauf
- Modus: 410ms Anlaufzeit

... alles optimal, keine Überlast!
Höhere Anlaufzeitmodi habe ich nicht getestet,
da die Tendenz eindeutig ist!

 
 Zeitpunkt 0s - 0.8s:
 - Motorstillstand
   -> Akkuspannung = 12,5V, Motorstrom = 0A
 Zeitpunkt 0,8s - 1,2s:
 - Erstaunlich, 410ms waren eingestellt und 410ms
   benötigte der MGM zum Hochlaufen. Dabei erzeugt
   er nur kleinste Stromimpulse!
 - Dabei steigt der Motorstrom stetig bis zu 22A 
   (gestrichelte Linie) um gleich wieder abzufallen
   auf den Normalwert von 18A!
   -> Ich begründe das mit einem harten Anlauftiming,
       das automatisch wieder zurückgestellt wird!
 Zeitpunkt 1,2s - 3,5s:
  - Wenig Stromspitzen, gute Wirksamkeit der EMK-
    Kondensatoren!
    -> U[motor] = 9,9V / I]motor] = 18A
 Resümee: Für mich das optimale Anlauftiming! Keine
 Überhöhten Stromimpulse und dennoch schnelles
 Anlaufen! Alle Komponenten werden nicht Über-
 strapaziert!

 MGM-Anlauf - Modus: 290ms Anlaufzeit

... schon grenzwertig, da hohe Stromspitzen


 Zeitpunkt 0s - 0.8s:
 - Motorstillstand
   -> Akkuspannung = 12,5V, Motorstrom = 0A

 Zeitpunkt 0,8s - 1,1s:
 - erstaunlich, 290ms waren eingestellt und 290ms
   benötigte der MGM zum Hochlaufen. Dabei erzeugt
   er Stromimpulse von bis zu 30A!
   Auch wieder eine kleine Erhöhung des Motorstroms
   bis zu 25A um gleich wieder auf den Normalwert von
   18A abzufallen! Dabei nur minimaler Spannungs-
   einbruch (9,7V).
(gestrichelte Linie)
   -> Begründung siehe: 410ms
 Zeitpunkt 1,2s - 3,5s:
  - Wenig Stromspitzen, gute Wirksamkeit der EMK-
    Kondensatoren!
    -> U[motor] = 9,9V / I]motor] = 18A
 Resümee: Schon kritisches Verhalten wegen der
 höheren Stromimpulse. Für etwas hochohmigere
 Zellen nicht mehr empfehlenswert!


MGM-Anlauf - Modus: 160ms Anlaufzeit

Kurzfristig habe ich die Lipoabschaltung auf
 "abregeln" des Motors umgestellt. Der Motor lief
ähnlich wie unter 290ms an!
Auch wurde der 160ms-Anlaufversuch mit NiMh-
 Zellen-Einstellung am Controller wiederholt, er verlief
 dann ähnlich wie beim 290ms Anlauf!
Die kleinen Zellen sind einfach nicht in der Lage diese
 extremen Stromspitzen zu liefern. Erst wenn die BEC-
Reserve gefährdet ist, ist Schluss!
 

 
 Zeitpunkt 0s - 1s:
 - Motorstillstand
   -> Akkuspannung = 12,5V, Motorstrom = 0A

 Zeitpunkt 1s - 1,3s:
 - Kurzes Motorzucken und aus und - piep - piep ...
   Dutzende Versuche erbrachten immer das
   gleiche Bild bzw. Ergebnis! Der Motor konnte dem
   Drehfeld in der Beschleunigung nicht folgen, da der
   MGM über das Drehfeld den Motor "zwangsgeführt"
   mitreißt! Abbruch dann nach 0,25s der Controllers.
   -> Kurze Stromspitzen bis zu 50A und höher(!)
       ließen die LiPo-Spannung teilw. weit unter 8,7V
       einbrechen.
(horizontale Linie)
       Bei diesem Spannungseinbruch (<8,7V) schaltete
       der MGM einfach ab!

        
Im Zeitraum von 0,25s sieht man Stromimpulse
       von ca. 32A als gescheiterter Anlaufversuch.
      
 - Hier half nur noch langsameres Gasgeben; und
   siehe da: sauberes Hochlaufen!
  Resümee: Schnellstes Anlaufen fordert Leistung, die
 die Akkuspannung tief einbrechen lässt. Das ist aus
 Sicht der Komponenten eine Extrembelastung, dazu
 gehört auch jede schlagartige Drehzahlerhöhung!
 Dabei kann dann schon mal das Drehfeld durch einen
 Spannungseinbruch abreißen und der Motor einfach
 stehen bleiben!
 

Swing 3000-Lipo:

Der Swing3000 kommt ohne EMK-Kondensatoren aus, deshalb auch die
nicht geglätteten Strom-/Spannungsspitzen!
Kann bei einigen Empfängern zu Problemen führen.
Dagegen liefert Kontronik Nachrüstkondensatoren!

 Zeitpunkt 0s - 0.6s:
 - Motorstillstand
   -> Akkuspannung = 12,5V, Motorstrom = 0A

 Zeitpunkt 0,6s - 1,4s:
 - Drehfeldrichtungsfindung ist angesagt in den ersten
   0,5s. Danach zügiges Hochdrehen innerhalb
   von 0,6s. Gesamte Anlaufzeit hier: 1,1s
   Die Stromimpulse ereichen dabei im Mittel 40A,
   entsprechend auch die Spannungseinbrüche bis 9,4V.
 - Das Anlaufen verlief einwandfrei, auch weil der
   Swing 3000-LiPo Spannungseinbrüche "tolerant"
   nach kurzzeitig oder schleichend unterscheidet!
   Nur bei "schleichend" schaltet er den Motor bei
   2,8VZ-LiPo ab!
   -> sehr gute Kapazitätsausnutzung der LiPo's unter
       Last!
 Zeitpunkt 1,4s - 4s:
  - Vereinzelnd Stromspitzen weil keine Kondensatoren
    zum Abblocken vorhanden sind.
    -> U[motor] = 9,9V / I]motor] = 18A
 Resümee: Automatik kostet Zeit, der Controller hat
 in diesem Versuchen bei den <80g Motoren den
 besten Wirkungsgrad! (s u.)

Hacker-Master 18-3:

Das Anlaufen hat Mustercharakter!
Lipo-Abschaltung konnte nicht getestet werden,
da mir "nur" ein Standard-Controller zur Verfügung
stand.


 Zeitpunkt 0s - 1,2s:
 - Motorstillstand
   -> Akkuspannung = 12,4V, Motorstrom = 0A

 Zeitpunkt 1,2s - 1,5s:
 - Das Anlaufen das Hacker Masters passiert
   innerhalb 200ms! Der Motor läuft ohne Stottern oder
   Schlagen kontinuierlich hoch, sehr gutes Anlaufen!
   Der Spitzenstrom erreicht in diesem Zeitraum
   ca.30A, dabei bricht die Spannung bis zu 8,9V ein.
  (durchgehende senkrechte Linie) um gleich wieder
   abzufallen auf den Normalwert von 18A!
   -> Ich begründe das mit einem harten Anlauftiming,
       das automatisch wieder zurückgestellt wird!

  Zeitpunkt 1,5s - 4s:
 - keine Stromspitzen, hervorragende Wirksamkeit
   der EMK-Kondensatoren!
   -> U[motor] = 9,9V / I]motor] = 18A
 Resümee:
Für mich ein hervorragendes Anlauftiming-
   verhalten! Akzeptable Anlauf-Stromimpulse und
   dennoch schnelles Anlaufen bei sehr feinfühligen
   Regelverhalten, aber mit kleinem Wirkungsgradverlust
   und eingeschränkten Knüppelstellweg!


Theoretische Betrachtung der Beschleunigungsleistung

 Bekannt ist, dass schnelles Anlaufen bzw. Hochdrehen auch das entsprechende Drehmoment des Motors
 fordert. Das Drehmoment wird u. a. von der Stärke des Drehfeldes erzeugt. Diese wiederum rührt aber von der
 Spannung und den fließenden Strom im Motor. Dabei gilt: je schwerer die Massen und je kürzer die
 Beschleunigungszeit, desto größer die aufzuwendende Energie des Motors!
 Zur Veranschaulichung mal hier ein Berechnungsbeispiel, gegeben:
 - n0 = 0U/min  -  n1-2 = 10.000u/min
 - t1 = 1s  -  t2 = 0,2s Beschleunigung
 - Motorglocke: r = 14mm / 22g
 - Prop1 = 12g (APC/E 9*4,5) -  Prop2 = 6g (APC/Slow 9*4,7)
 - ges.: P = W / t
Beschleunigungsleistung
Vergleich:n = 10.000U/mint1 = 1st2 = 0,2s
MotorglockeW1 = 2,36JP1 = 2,7WP1 = 11,8W
r = 14mm / 22g
APC 9*4,7W2 = 17,14JP2 = 17,14WP2 = 85,7W
Slow-Prop = 6g
APC 9*4,5W3 = 34,27JP3 = 34,3WP3 = 171,4W
E-Prop = 12g
Slow-Prop (6g):P1 + P2 =20W97,5W
E-Prop (12g):P1 + P3 =37W183W

Danke an Gerhard Hanssmann, der mir die Berechnungsgrundlage hergeleitet hat!
Hier die Notizen zum Nachvollziehen der Werte: pdf-1 und pdf-2 (30kByte).

 

 Erkenntnisse: Die Motorglocke kann von der Leistung vernachlässigt werden mit jeweils 2,7W und 12W.
 Was aber aufhorchen lässt, ist das Gewicht der Prop's! Die doppelte Masse - hier nur 6g - ergibt eine rein
 theoretische Beschleunigungsleistung von 183W bei 0,2s vom Stillstand bis 10.000/Umin.
 Da beim Anlaufen der Wirkungsgrad des Controllers und der des Motors schlecht ist, kommen die hohen
 Anlaufstromwerte zustande! Beispiel: 50% Wirkungsgrad (hoch gegriffen!) während des Anlaufens bedeutet
 beim 8-Zellen-Akku einen Anlaufstrom von ~35A, wenn der Akku das liefern würde!
 Aber Vorsicht, das Ergebnis verführt einen glatt die leichten APC-Slow Prop's außerhalb ihrer zulässigen
 Drehzahl zu betreiben! - APC gibt an: Max-Drehzahl = 65.000 / Durchmesser [inch]
 In Zahlen beim APC/Slow 9*4,7 = 65.000 / 9 = 7200U/min wäre das absolute Maximum!
 

Eta-Vergleichsmessung der drei Controller mit Messdaten!
Jazz 55Swing 3000MGM2512PL
U[V]I[A]n [U/min]U[V]I[A]n [U/min]U[V]I[A]n [U/min]
10,7818,33999810,7718,561005510,7917,539815
ETA:[%]-0,60  100,00  -1,7
Dancer Pro ~35°C - APC/E 9 * 4,5 - Autom.-Timing! 
Propmessungen: aus jeweils 20 Werten den Mittelwert gebildet!

Nachtrag: ETA Vergleich
Swing 3000 LiPoHacker-Master 18-3Speedstar 55
U[V]I[A]n [U/min]U[V]I[A]n [U/min]U[V]I[A]n [U/min]
9,6815,8292399,6516,2292359,6016,689419
ETA:[%]100,00  -2,30%  1,30%
Wie oben, nur Hacker-Master T4 = 30° Timing
Propmessungen: aus jeweils 20 Werten den Mittelwert gebildet!

Der Speedstar 55 wurde nur zu Vergleichszwecken im Autotiming mit gemessen! Das Anlaufen konnte
leider nicht mit gemessen werden, da er nicht mit den Mess-Shunt zum sauberen Laufen zu bewegen war!

Der Hacker-Master wurde bei Grenzbelastung betrieben, drum auch das etwas "schlechtere" Abschneiden!
Über die absolute Abweichung muss man sich nicht streiten, aber was wichtig ist, ist die Tendenz!
Bei allen Messungen mit mehr als 150 Einzelergebnissen, ging der Swing 3000-LiPo als zweiter
Wirkungsgradsieger hervor! Die kleine Wirkungsgraddifferenz zum Jazz 55 ordne ich dem aktiven Freilauf zu.
Bis auf den Hacker-Master arbeiteten alle Controller im automatischen Timing-Modus.
Am Rande bemerkt: Beim Nachmessen des Hackers und des Speedstars habe ich den Swing zum besseren
 Vergleich mit gemessen. Die Differenz der neuen und alten Messung ergab zu Gunsten der neuen Messung
ein Wert von +1,3%! Das ist ein hervorragend genauer Wert, entspricht es doch der Wirkungsgradsteigerung
des DancerPro zwischen 18A zu 16A!
 

Tipp: Wie ermittele ich die optimale Anlaufzeit wenn der Controller dafür einstellbar ist?
         1 - Mit der langsamsten Hochlaufgeschwindigkeit anfangen und den Gasknüppel immer schlagartig
              hochzuziehen, bei voll geladenem Akku. Modell natürlich gut Sichern!
               -> Ein Zeitgefühl dafür entwickeln!
         2 - Nächste kleinere Zeit am Controller einstellen
              -> Geschwindigkeitsgewinn deutlich spürbar, bei ja weiter  -  sonst siehe 3.
              -> wie bei 2 und die Zeit sukzessiv verkleinern.
         3 - ist kein Geschwindigkeitsgewinn mehr spürbar
              -> letzte Einstellung beim Direktantrieb wählen!
              -> bei Getriebeantrieben vorletzte Einstellung wählen!
 

Zusammenfassung

 Für den Überflieger sieht es so aus, als wenn der MGM schlecht(er) ist, weil er ja bei 160ms nicht läuft!
 Das ist aber falsch, denn:
 Schnelle Beschleunigung fordert viel Leistung. Die Erkenntnis sollte sein, dass es Sinn macht, die Anlauf-
 leistung genauso zu Optimieren, wie wir es mit der Antriebsleistung vollziehen! Alles andere ist verschenkte
 Energie, die nichts außer Zusatzleistung den Komponenten abverlangt und keinen Nutzen erzeugt!
 Es macht also Sinn sich vorher Gedanken zu machen, was am effektivsten für den Antrieb ist. Das ist
 pauschal betrachtet, nicht immer die kleinste Hochlaufzeit in Verbindung mit dem leichtesten Prop!
 In der Praxis sicherlich ein Kompromiss -> siehe 410ms, den der Antriebsstrang dann mit Zuverlässigkeit
 und Langlebigkeit dankt.
 Experimentieren lohnt also, gerade auch für Getriebeantriebe die mit größeren und schwereren Pop's arbeiten.

 Es gab nicht einen einzigen Fehlstart oder -Lauf während des gesamten Tests, ausgenommen die
 160ms-Anlaufzeit!
 

Stand: 26.05.2004 / Neu: 17.08.2004  - Texte und Photos © Gerd Giese