Misurazione della velocità di rotazione nell'azionamento elettrico della girante

Da felice proprietario di un Unitest2, ho preso l’abitudine di misurare le prestazioni del sistema di propulsione (potenza, velocità di rotazione) di un modello elettrico prima del suo primo volo. Ora ho davanti a me l’EIT (Elektro-Impeller Trainer; www.keiro.ch) completato, con il Wemotec-Minifan integrato (ovviamente senza elica!) – e adesso?

Nonostante il sensore di velocità brushless annunciato da SM-Modellbau, ho deciso di sottoporre questo problema al nostro apprendista elettrotecnico Timm Baumann. Il circuito che ne è risultato consente una misurazione della velocità senza contatto ed è facile da riprodurre.

L’UniTest21 dispone di una funzione di misurazione della velocità tramite un sensore di luce già integrato. Normalmente, quindi, è possibile misurare la velocità in modo molto semplice utilizzando una torcia che illumina il sensore attraverso un’elica in rotazione. Nel caso dell’azionamento a girante, tuttavia, ciò risulta più difficile, poiché l’accesso è complicato.

Tuttavia, è possibile determinare la velocità meccanica del motore anche se si conoscono la frequenza elettrica e il numero di poli del motore. Con il circuito elettronico descritto di seguito, un diodo a emissione luminosa (LED) superluminoso viene pilotato in modo tale che la frequenza elettrica venga emessa sotto forma di luce modulata. Questa, a sua volta (come nel caso dell’elica), può essere rilevata dal sensore di luce dell’UniTest2.

Il regolatore di velocità genera nel motore una corrente alternata trifase tramite segnali di tensione sincronizzati. Tramite la modulazione di larghezza di impulso (PWM) (almeno in funzionamento a carico parziale) viene riprodotta su ciascuna fase del motore una tensione alternata quasi sinusoidale (U1, canale 1 dell'oscilloscopio). Le componenti ad alta frequenza del PWM devono ora essere filtrate. Nel circuito ciò viene realizzato con il filtro RC (R1, C1). Il LED emette quindi luce solo nella frequenza rilevante per la misurazione della velocità (U2, canale 2 dell’oscilloscopio).

Come si può vedere sull’oscilloscopio, la tensione sul LED presenta una forte componente di tensione continua. Ciò fa sì che il LED non «lampeggi», ma si illumini solo in modo più intenso o più debole. L’UniTest2 rileva comunque la velocità di rotazione, poiché reagisce solo alle variazioni di luce.

Per visualizzare il numero di giri, selezionare la funzione “Misurazione dell’azionamento”. Affinché venga visualizzato anche il numero di giri meccanico corretto, è necessario inserire il numero di poli del motore (commutare da “numero di pale” a “numero di poli”). Questo dato si trova (se si ha fortuna) nella scheda tecnica del motore fornita dal produttore.

A questo punto, il sensore di luce dell’UniTest2 va posizionato davanti al LED acceso. La distanza massima di lettura per una visualizzazione corretta è di circa 10 cm. I test hanno confermato l’intervallo di velocità previsto fino a 27 000 rpm.

Il successivo test pratico all’aperto ha dimostrato che la misurazione della velocità di rotazione funziona anche in presenza di luce solare.

• Motore*
• MEGA ACN 16/15/3 (motore brushless a rotore interno, 6 poli)
• Regolatore di velocità*
• PULSO DL33A+
• Batteria (Lipo)*
• Hyperion Lite Storm CX, 3S1P, 4250 mAh
• Tachimetro*
• UniTest2
• Oscilloscopio*
• Tektronix TDS 1001B

Nota: il circuito è stato testato solo con i componenti di azionamento sopra menzionati. In presenza di altri regolatori di velocità e a velocità notevolmente superiori, è probabile che sia necessario modificare i valori dei componenti. Se il circuito non funziona, collegare un oscilloscopio tra il polo negativo della batteria e una fase del motore consentirà sicuramente di fare chiarezza. Se l’oscilloscopio mostra valori diversi da quelli della misurazione sopra riportata (forma d’onda, offset CC), sarà probabilmente necessario apportare modifiche al circuito.

L’elemento più importante è un LED molto luminoso, poiché con i valori di resistenza scelti scorre solo una corrente ridotta ed è auspicabile una grande distanza di lettura. Il circuito di prova ha funzionato, tra l’altro, anche con LED di colore rosso, verde, giallo e bianco.

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

Figura 2: Ricevitore con motore (verde) e circuito di misurazione della velocità (blu).

len). Questi dati si trovano (se si ha fortuna) nella scheda tecnica del motore fornita dal produttore.

A questo punto, il sensore di luce dell’UniTest2 va posizionato davanti al LED acceso. La distanza massima di lettura per una visualizzazione corretta è di circa 10 cm. I test hanno confermato l’intervallo di velocità previsto fino a 27 000 giri/min.

Il successivo test pratico all’aperto ha dimostrato che la misurazione della velocità di rotazione funziona anche in presenza di luce solare.

CH2 (in alto): segnale sul condensatore (U2)
CH1 (in basso): segnale non filtrato del regolatore di velocità (U1)

Forme d'onda sull'oscilloscopio.

LED

• rosso 5 mm trasparente; luminosità 3000 mcd a $I_F = 20$ mA; angolo di emissione 30°
• Resistenze**
• A film metallico $\frac{1}{2}$ W 3,3 k $\Omega$
• Condensatore**
• Poliestere 100 nF/63 V
• Guaina termorestringente**
• $\varnothing$ 6,4 mm poliolefina

Fili TQ

• 0,25 mm^² nero (0 V) e giallo (fase motore)

La riproduzione è possibile anche senza circuito stampato. Il circuito, realizzato in modo compatto come mostrato nelle figure 2 e 4, viene ora saldato direttamente ai connettori a spina del regolatore di velocità (una fase qualsiasi del motore e il polo negativo della batteria) utilizzando fili intrecciati da 0,25 mm². Non è quindi necessario smontare il regolatore di velocità, con la conseguente perdita della garanzia! Successivamente, il tutto va avvolto in una guaina termorestringente. Ma attenzione: non deve verificarsi alcun cortocircuito tra i fili dei componenti!

A proposito: il circuito dovrebbe funzionare anche con un motore a rotore esterno con propulsione a elica. Solo che in questo caso esiste una soluzione più semplice: il LED integrato nel modello emette una luce continua attraverso l’elica (LED + 3,3 k $\Omega$ in serie direttamente dalla batteria).

La torcia tenuta in modo pericoloso dietro l’elica in rotazione appartiene ormai al passato!

Stampate e via nella stanza degli hobby
www.modellflugsport.ch

Chi fosse interessato a realizzare una replica può ricevere i componenti inviando una busta C6 affrancata e indirizzata, più CHF 2.- in francobolli, a Telma AG, Timm Baumann, Gewerbeweg 10, CH-3662 Seftigen (offerta valida fino ad agosto 2010).