Eingabe von Phasenversatz- und Shift-Winkel

[didithekid]

Hallo liebe Forumskollegen,

oft tauchen hier Diskissionen auf, welche motorspezifischen Angaben bei den Sinus-Controllern programmiert werden müssen.
In der Hoffnung, dass meine aus "endless-sphere.com" gewonnenen Erkenntnisse der Wahrheit nahe kommen, möchte ich dazu Etwas zu Einstellungen bei 120°-Nabenmotoren schreiben. Ggf können ja Experten unter Euch, die im Thema sicher sind, kommentierend und korrigierend eingreifen. Mit 120°-Motor bezeichne ich dabei Motoren, deren Motorphasen Wechselströme in der Versatz-Folge von 120° erwarten.
Generell gehören solche Motoren ja zu den PMSM (Permanent-Magnet-Syncron)-Motoren oder BLDC-(Brushless DC-) Motoren, je nach dem, ob man die Speisung aus dem Gleichstrom-Akku oder speziell deren Fütterung mit synthetischem 3Phasen-Wechselstrom (Drehstrom) aus dem Sinus-Controller betonen will. Typisch im Zweirad ist die Ansteuerung über drei Hall-Sensoren im Motor, die sowohl moderne Sinus-Controller als auch einfache "Rechteck"-Controller takten können.

Meiner Erkenntnis nach, sind die großen QS-Nabenmotoren (die ich als Beispiel wähle) inzwischen standardisiert in der folgenden Form aufgebaut.
Ob die jeweiligen Hall-Senoren auf Nord- oder Südpol-Magneten reagieren, habe ich allerdings noch nicht überprüfen können.

Die Angaben des SIA-Hersteller-Konsortiums (Quanshun Motors, Kelly, Sabvoton/MQCON, far driver) sind, dass deren Nabenmotoren einen Phasenversatzwinkel von 120° aufweisen und der sich aus der Montage der Hall-Sensoren ergebende Shift-Winkel -60° wäre.
In den Phasenkabeln fließt mit Sinuns-Contoller also "Drehstrom", bei dem jedes Magnet-Pol-Paar (auf der Nabe), dass eine Wicklung des Stators passiert, von genau einer vollen Phasenschwingung (über 360° Phasenwinkel) beeinflusst wird:

Die Motor-Phasen folgen im Abstand von 120° der Bewegung der Magnetpaarungen.
Die Hall-Sensoren (zur Syncronisierung der Sinus-Schwingung mit der tatsächlichen Motordrehung) können ihrer Aufgabe nur nachkommen,
wenn deren Montage in unterschiedlichen Orientierungen erfolgt.
Es gibt also Hallsensoren die bei Durchgang von Südpol-Magneten aktiv werden und andere, die auf Nordpol-Magneten reagieren.
Hier im Beispiel erfolgt die Hall-Taktung der Folgephase V -60° vor der Taktung der vorherigen Phase U (-> Position/Orientierung des Sensors).
Die alternativ möglichen Kombinationen von drei Hall-Sensoren sind in dieser Tabelle (aus endless sphere) zu finden:

Der Shift-Winkel (den einige Controller im Selbsttest ermitteln können) ergibt sich offenbar aus der Anordnungsfolge der Hall-Sensoren (unter Einbeziehung der magnetischen Orientierungen) und ggf. deren Montageungenauigkeiten (wenn es um Fine-Tuning geht).
Programmierbare Controller (ohne Selbsttestfähigkeit) verlangen die Eingabe des Shift-Winkels.
Leider ist der Winkelwert aber abhängig davon, welche Drehrichtung der Controller erwartet.
Betreibt man einen älteren Motor mit neuem Controller, oder sind die Hersteller (von der Winkeldefinition her) unterschiedlich,
kann es daher sein, dass als Wert für den Shift-Winkel statt beispielsweise im Bereich -60°->0°, dann doch im Bereich 120°->180° eingegeben werden muss, damit die Drehorientierung in der Paarung Controller/Motor wieder stimmt.
(Mittels softwareseitiger Umschaltung der beiden äußreren Hallsensor-Signaleingänge stimmt der Wert dann wieder)
Auch kann der Eingabewert des Shift-Winkels in der einen Controller-Software von 0° bis 360° verlangt sein und beim anderen Controller-Hersteller zwischen -179° und 181°(siehe rote Ergänzungen in der obigen Tabelle).

Das macht die Programmierung des Controllers ggf. kompliziert, wenn er den Shift-Winkel-Wert (in der Form, wie er ihn braucht) nicht per Selbsttest ermitteln kann.


Viele Grüße
Didi

[brunodtr]

Hallo, sehr interessant Dein Beitrag,
im Netz habe ich hierzu auch das
https://www.digikey.de/de/blog/using-bl ... ers-part-1
mal als Ergänzung gefunden ...

Viele Grüße

[Peter51]

Tja, probieren geht über studieren. In der Praxis wird man alle 6 Hallsensoren - Kombinationen durchtesten müssen. Das gleiche gilt für die 6 Motorphasen-Kombinationen = 36 Möglichkeiten Der Hallsensoren- Shiftwinkel wird auch mit Offset z.B. -60° bezeichnet. Der mittlere Hallsensor ist oft 180° verdreht eingebaut.....
(Prinzipiell kann man 3 kleine LEDs an die Hallsensoren anschliessen, ob man dann schneller an eine Lösung kommt, weiß ich nicht. In Hamburg waren es heute Morgen - 2° Cel. Zu kalt zum Basteln oder fahren).

[didithekid]

Hallo Peter,
Eure im Forum erarbeiteten Erkenntnisste, dass der mittere der Hallsensoren "kopfüber" montiert werden muss, hatte ich in der ersten Abbildung versucht zu berücktigtigen, mit der N S N -Sensitivität der Sensoren.
Ob der in der Mitte montierte Hallsensor allerdings auch (in jeder Konfiguration) der Jenige ist, der in einer vom Controller vorgegebenen U-V-W-Phasenfolge tatsächlich die mittlere Phase V taktet und ob er (anders als die anderen beiden) der ist, der auf Südpole reagiert, bring vielleicht weitere Diskussion und Erkundung am offenen Motor heraus.
Denkbar scheinen auch Motoren, wo einer der äußeren Hall-Sensoren zu den beiden anderen gedreht montiert ist, was den Shift-Winkel gemeinsam mit der Rotationsrichtung beeinflussen kann.

Ich probiere momentan mit VOTOL EM und QS273 28Pol-Paar, 63-Spulen-Motor herum, um weitere Erkennnisse zu gewinnen, habe aber keinen Motor offen (und auch sonst keinen modernen 16-Pol-Paar-Motor, der offenbar jetzt standardisiert ist). Der neue QS-Motor (16PP, 36 Spulen) hat aber auch eine Konfiguration, bei der immer drei benachbarte Stator-Spulen in AaA-Konfiguation mit der gleichen Phase bestromt werden, wie schon der Alte.

Viele Grüße

Didi

[Peter51]

Der mittlere Sensor kann gedreht sein - ist bei den E-Max Motoren so - muß aber nicht. Brauchst ja das Rad nicht neu erfinden: https://de.nanotec.com/knowledge-base/s ... -animation
Aus 72V DC lassen sich 51V AC machen. Die 72V reichten gerade für die positive Halbwelle. Am Ausgang des Controllers ist eine B6 Brücke (Wechselrichter). D.H. wird eine Spule vorwärts durchstromt, fließt der Strom in den anderen beiden Spulen rückwärts.

[didithekid]

Hallo Peter,
welcher der drei Hallsensoren H1, H2, H3 (siehe Tabelle) in der gegensätzlichen magnetischen Orientierung arbeitet, ist dem Controller ja zunächst unbekannt, aber der Shift-Winkel-Wert gibt ihm diese Information.
Ohne diese Gegensätzlichkeit der nahe zusammenliegenden Hall-Sensoren laufen unsere großen Nabenmotoren nicht.
(3 gleich orientierte Hall-Sensoren müssten jedenfalls weiter auseinander liegen)
Viele Grüße
Didi

[Peter51]

Nun, beim Einschalten des Controllers sieht der Controller schon die Stellung der 3 Hallsensoren z.B. N - S - N. Hat ein Drehstrommotor nur U + V und W fehlt, läuft er wegen Einphasenlauf nicht an. Die Hallsensoren stehen bei höher poligen Motoren mechanisch eng zusammen, elektrisch aber, haben sie einen Phasenversatz von 120°.
Bei Boheme Jupiter11 sagte ein QS Techniker: Früher hätten ihre Motoren einen Hall value (shift) von -180° und heute -60°. Mit dem Shift, Offset wird wohl die Stellung der Hallsensoren zu den Spulen beschrieben. Die Hallsensoren können auf den Polschuhen montiert werden oder in den Nuten.

[didithekid]

Hallo Peter,
weil ich das zunächst auch so geglaubt hatte, habe ich jetzt ja hier die für mich neue Erkenntnis kund getan, dass es nicht alleine die Hall-Sensor-Position zum Polschuh ist, die mit dem Shift-Winkel in die Steuerung einfließst, sondern der hauptbestimmende Anteil am Shiftwinkel die Anordnungsreihenfolge der drei Sensoren ist. Und auch die erkennen die Sabvoton-Controller erst nach dem Selbsttest. Selbst bei Motoren, bei denen die Hallsensoren mittig auf den Polschuhen sitzen, ist der Shift-Winkel abhängig von der Drehorientierung. Bei gleichem Motor wird aus 120° statt dessen -60° (wenn anders herum gedreht wird).
Und auch der alte QS-Motor mit in den Nuten zwischen der Polschuhen angeordneten Hall-Sensoren läuft bei mir im Bereich -60° bis 0° Shift-Winkel (allerdings mit getauschten Phasen- und Hall-Kabeln zur Anpassung an die neue Farbfolge):

PS: Eine Schaltfolge der Hall-Sensoren in einer 120°Folge (entsprechend der U-V-W-Phasenfolge) würde gleichorientierte Hall-Sensoren (und dazu passende Motor-Geometrie) erfordern. Mit der Wechselorientierung der Hall-Sensoren kommen dann Schaltfolgen zu Stande, die den Phasen voreilen; mit z. B. -60°. Wenn es um "vor" oder "nach" geht, ist aber dann die Drehrichtung wichtig.

Viele Grüße
Didi

[Peter51]

Moin Didi,
Ich glaube nicht, dass dein QS-Motor 63 Statorarme/Polschuhe hat - 36 machte Sinn. Es ist so, dass der Shift Winkel (Offset) für Rechtslauf und Linkslauf unterschiedlich ist. Und ja, die Reihenfolge muß stimmen, sonst gibt es Fehlzündungen. Ein Controller kann elektronisch die Drehzahl wenden. Auch bei den Umrichtern in der Industrie gibt es bei Hubwerken Probleme, wenn "aufwärts" nicht Rechtslauf und "abwärts" nicht Linkslauf ist.
2014 habe ich eine Rohwasserpumpe eines Wasserwerks mit PMSN in Betrieb genommen. Der japanische Umrichter konnte Autotuning und arbeite sensorlos. Beim Start fragte er die Stellung der Magnete ab und lief an.
Btw: Ein Standard-Controller bestromt einen BLDC Motor nur 2 Spulen gleichzeitig. Schließt man einen Sinus-Controller an werden immer 3 Spulen gleichzeitig bestromt und der Motor wird zu einem PMSM.
Ich denke, du machst dir zu viel Arbeit mit deinen Zeichnungen.
In den 80ziger Jahren gab es noch Autos mit einem von der Nockenwelle angetriebenen Zündverteiler mit Zündkontakt. Stimmte die Reihenfolge der gesteckten Zündkabel nicht, lief der Motor nicht oder sehr schlecht. Des Weiteren konnte man den Verteiler drehen um das "Timing" den Zündzeitpunkt zuverändern....

[didithekid]

Hallo Peter,
mit Kenntnis der Pol-Paar und Spulen/Wiklungsanzahl geht es natürlich einfacher sich die optimale Motor-Konfiguration hier direkt berechnen zu lassen:
https://www.bavaria-direct.co.za/scheme/calculator/
Die "krumme Zahl" 63 für den alten QS-Motor mit 28 Pol-Paaren hatte mich auch zunächst irritiert, aber das sieht dann so aus:

Die Anzahl hatte boheme gezählt: viewtopic.php?f=57&t=20545&start=120
Du magst beim alten QS-Motor aber gerne selbst nachzählen:


Vermutlich laufen die neuen curved magnet - Motoren jetzt besser, weil die Zahlen 16Pol-Paare (32 Magnete) und 36-Spulen harmonischer sind

Viele Grüße
Didi