Motoren mit PWM steuern

[nowayback]

Guten Abend,

ich habe mir die Seite https://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Pulsweitenmodulation durchgelesen, weil ich vorhabe, einen Motor (http://www.pollin.de/shop/detail.php?pg=OA==&a=MDE2OTg2OTk=&w=OTk4OTg4&ts=0) mit einer USB-I/O-Karte zu steuern. Diese hat 2 PWM-Outputs.
Weil diese natürlich keine 3-20 Ampere aushält, habe ich mir einen passenden Mosfet (http://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000-174999/162362-da-01-en-Mosfet_IRF1010N.pdf) zur Übertragung des PWM-Signals ausgesucht.

Allerdings hat mich die rote Box auf dieser Seite stutzig gemacht:

Bei induktiven Lasten wie einem Motor ist zusätzlich darauf zu achten, dass während der off-Zeit der Strom durch die Last weiterfliessen kann. Dazu wird der Last eine so genannte Freilaufdiode parallel geschaltet. Ohne eine Freilaufdiode würde sich trotz der Effektivspannung von 6V kein nennenswerter Stromfluss einstellen, und die beim Abschalten der Spannung entstehenden Spannungsspitzen würden zusätzlich Probleme bereiten oder die Schaltung sogar schädigen.

Wenn ich eine Freilaufdiode antiparallel zum Motor schalte, wird doch in den Off-Phasen der Motor durch Kurzschluss gebremst, oder?
Habe ich nun eine PWM von 50%, wird der Motor in einer Zeiteinheit mit Strom versorgt, in der anderen Zeiteinheit wieder gebremst; ergo sollte er stehen bleiben oder sich nur langsam drehen, würde ich sagen.
Wo liegt mein Denkfehler?

Danke, nowayback


PS: Ursprünglich wollte ich einen vorgefertigten Motorsteuerbausatz (http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/product_info.php?cPath=65&products_id=112) kaufen, aber leider zieht der Motor zu viel Strom.

[pctoaster]

Hi,
Dein Denkfehler liegt vermutlich darin daß Du davon ausgehst, daß während der gesamten Off-Phase der Strom durch die Freilaufdiode fließt. Das gilt aber nur solange, bis die in den Spulen gespeicherte Energie wieder abgegeben ist.
Deine Überlegung gilt also nur ab einer bestimmten PWM Frequenz. Die macht man nämlich nur so hoch wie unbedingt notwendig (auch schon wegen der Schaltverluste).

Gruß
pctoaster

[nowayback]

Hallo pctoaster,


danke für deine Antwort. Aber ist es nicht so, dass ein nicht mit Strom versorgter Motor, der aber noch läuft (also während den ganzen off-Phasen der Fall), als Dynamo fungiert? Denn dann würde er Strom antiparallel erzeugen, dieser Strom würde aber über die Freilaufdiode sofort wieder zurücklaufen und aus diesem Grund den Motor bremsen.

[Murdoc_mm]

Hi,

das mit der Off-phase und der Generatorfunktion ist eine sehr interessante Frage die ich dir auch nicht beantworten kann aber ich glaube ich weiß wie das Problem mit der Spannungsspitze gelöst wird:

Die Spannungsversorgung muss im Prinzip zwei Energien (in Form von Spg., Strom) an den Motor abgeben. Zuerst die Energie die nötig ist das Magnetfeld aufzubauen und dann die Energie die in Bewegung umgewandelt wird. Erstere ist nur am Anfang (da das Magnetfeld ja nur einmal aufgebaut wird) und verhältnismäßig klein und zweitere permanent (da man ja bewegung haben will) und verhältnismäßig groß. Wenn die Versorgungs-spg. jetzt abgeschaltet wird, wird die Bewegungsenergie noch weiter als Bewegungsenergie abgegeben (Nachlauf) und die Magnetfeldenergie als Spannungsspitze zurück zur Versorgung geschickt. Das heißt der Motor dreht sich weiter da er noch energie zum drehen hat und liefert trotzdem Energie zurück zur Versorgung ohne dadurch abgebremst zu werden (also Spg-spitze bremst nicht).

Ich hoffe ich hab jetzt nicht zu viel Unsinn geschrieben \:D/ und wie gesagt bei der Generatorbremse weiß ich auch keine Erklärung.

Gruß

[nowayback]

Naja, hört sich doch ganz plausibel an :)
Hauptsache, die PWM-Steuerung funktioniert ohne nennenswerten Energieverlust durch Abbremsung und der Motor dreht sich ;)
Also vielen Dank, murdoc_mm.

[pctoaster]

Ein Motor gibt ja im off Betrieb nicht ständig Gleichspannung ab, wenn er sich dreht, sondern sinusförmige Wechselspannung. D.h. einen nennenswerten Energieverlust hast Du nur dann, wenn die Spannung gerade in einem Scheitelpunkt steht, wenn Du die Spulen ausknipst.
Aber Du mußt schon darauf achten, daß die PWM Frequenz nicht zu hoch gewählt wird, gerade bei Motoren mit hohen Windungszahlen auf dem Anker.
Und wenn Du volle Leistung brauchst, ist PWM ja 100%, also auch kein Problem.

Gruß
pctoaster

[nowayback]

Ich habe folgende USB-Karte: Link (http://www.velleman.be/nl/de/product/view/?id=351346).
Leider steht hier nichts von Frequenz, diese werde ich aber demnächst mal ausmessen (hab leider kein Frequenzmeßgerät parat).
Bis zu welcher Frequenz sollte der Energieverlust in einem vertretbaren Bereich sein?

[oberallgeier]

Hallo pctoaster,


... bestimmten PWM Frequenz... macht man nämlich nur so hoch wie unbedingt notwendig (auch schon wegen der Schaltverluste)...
Bitte verrate mir, wie ich die notwendige Frequenz berechnen, oder grob abschätzen (wenn das einfacher geht) kann.

Ich betreibe einen gehackten Miniservo an einem L293D (Stromaufnahme im Leerlauf 20 ... 30 mA bei 2,7 ... 6 V und max 750+ Hz). UND ich habe nicht wirklich ne Ahnung vom Betrieb von Gleichstrom-Motoren :(. Also laufen tut das Teil ja, recht gut. Derzeit habe ich rund 32 kHz an der PWM (mega168, 20 MHz, PWM, Phase Correct, 8-bit).

Danke im Voraus,

[Feratu]

Würde sagen so gering wie es möglich ist
Also je nach größe des Motors würd ich jez mal spontan sagen 50 - 100 Hz.
Würde es aber einfach mal ausprobieren. Falls er bei 50Hz anfangen sollte zu stottern (was ich aber nicht glaube) dann drehste die Hz etwa höher.

[oberallgeier]

... so gering wie ... möglich ... spontan sagen 50 - 100 Hz...
Bei einer Drehzahl von 750 Hz die PWM mit 50 bis 100 Hz - - - so langsam? Hmmmm, hmmmmm - aber wie gesagt, ich verstehe nichts von Elektromotoren.

[pctoaster]

Hallo pctoaster,


... bestimmten PWM Frequenz... macht man nämlich nur so hoch wie unbedingt notwendig (auch schon wegen der Schaltverluste)...
Bitte verrate mir, wie ich die notwendige Frequenz berechnen, oder grob abschätzen (wenn das einfacher geht) kann.


Hab ich ehrlich gesagt keine Ahnung. Ich könnte ja mal versuchen, es abzuleiten. Aber ganz so einfach ist das auch nicht. Bei zu niedriger Frequenz werden die Rücksströme durch die Freilaufdiode wieder höher. Irgendwo gibt es da wohl ein Optimum. Das Problem dürfte auch sein, die notwendigen Parameter des Motors zu bekommen. Aber ich denke mal mit 1-10kHz liegt man auf jeden Fall im richtigen Bereich. Ich selbst lasse kleine Modellbaumotoren (1-70W) bei 3,5kHz laufen.
Ansonsten wäre das schon einmal mindestens abhängig von:
Diodenkennlinie, Induktivität, Motordrehzahl, Flankensteilheit der ansteuernden Brückenschaltung ect.
Etwas anderes ist es bei Servos > 100W. Da sollte man es schon mal berechnen können.
Wenn es Dir wichtig ist: Mess es aus. Leistungausgang / Leistungseingang. Und das bei verschiedenen Drehzahlen des Motors.
Viel Spaß ;-)

Gruß
pctoaster

[ManuelB]

Hallo,
bezüglich der Freilaufdiode sollte sich folgendes Verhalten einstellen:

http://666kb.com/i/aver7esvicg7rf66o.jpg

Während der Off-Zeit fließt der Strom über die Diode weiter. Wobei das eigendlich nichts mit Generator zu tun hat sondern mit der Induktivität des Motors. So wie Murdoc_mm das schon gesat hat.
Ist bei Freilaufdioden für Relais das gleiche.
Die Polung im Generatorbetrieb ändert sich nicht d.h. am + Anschluss ist auch im Generatorbetrieb +. Somit erzeugt die Diode im Generatorbetrieb keinen Kurzschluss.

MfG
Manu

[nowayback]

Genau das habe ich mir auch gedacht, habe aber deswegen eine Simulation mit Crocodile Clips durchgeführt. Laut Diagramm trat kein Strom in paraller Richtung in den Off-Phasen auf. Naja, wie ich grad sehe, unterstützt das Programm aber nicht die "Generator-Fähigkeit" von Motoren :(

[oberallgeier]

Grüß Euch alle,

tja, das Problem ist halt, dass ich meine Motoren über einen L293D fahre - den müsste ich aufbohren, um an die Freilaufdioden zu kommen :(.

Ich glaub, das ist ein hübsches Thema für einen interessanten Thread - nicht wahr? Denn dieser Titel ist zu allgemein gehalten.

[pctoaster]

Ohne Freilaufdioden lynchst Du 100%ig Deine Brücke.
Du brauchst also nicht bohren ;-)

Gruß
pctoaster