Getriebemotor wird schwach bei niedriger Drehzahl

[klein_kariert]

Hallo

Bis jetzt benutze ich immer klassische H-Brücken wie den L298 zum ansteuern von gleichstrom Getriebemotoren via PWM.
http://www.rn-wissen.de/index.php/Getriebemotoren_Ansteuerung

Leider werden bei dieser Methode die Motoren sehr schwach bei niedrigen Drehzahlen. Glätten des PWM Signals hilft leider nur sehr begrenzt. Auch wenn ich den Motorstrom testweise direkt über ein Potentiometer regel bleibt der Motor bei weitem nicht so stark wenn er langsam dreht wie es bei einem Labornetzteil der Fall ist.

Dies scheint ein recht banales, bestimmt auch sehr logisches Problem zu sein, dennoch finde ich nichts dazu im Netz und habe selber nicht die Kenntnis auf die richtige Fährte zu stoßen.

Weiß jemand woran genau das liegt und wie ich einen Motortreiber baue (oder wo ich einen fertigen kaufen kann) den ich über PWM steuer und der den Motor bei niedriger Drehzahl vergleichbar kräftig drehen lässt wie es mein Labornetzteil tut?

grüße

[White_Fox]

Hm...kannst du deine Schaltung mal posten?

Dein Labornetzteil liefert eine konstante Spannung, wenn du das PWM-Signal aber "nackt" auf den Motor gibst gibt es Zeiten, wo Strom fließt und wo absolut keiner fließt.
Der Sinn bei PWM ist, die gewünschte Größe durch schnelles Schalten so "einzuruckeln", dass sie mit möglichst geringer Amplitude um einen gewünschten Mittelwert schwankt.
Hierzu benötigt man ein irgendwie geartetes Trägheitsmoment.

Stell dir vor, du sollst an der roten Ampel den Motor deines Autos möglichst genau bei 3000 Umin^-1 halten, darfst aber nur Vollgas oder Leerlauf geben.
So funktioniert PWM.

Damit dein Motor durchgehend Strom kriegt mußt du den Strom nach der PWM irgendwie glätten. Hast du einen Elko zum Glätten eingebaut?

[Geistesblitz]

Eigentlich braucht man das nicht glätten, das machen die Induktivität und das Trägheitsmoment des Motors schon von selbst genug. Nagut, kommt auf die PWM-Frequenz an, wenn die ausreichend hoch ist sollte es aber gehen. Dass ein ungeregelter Motor bei niedrigen Drehzahlen schwach ist, ist eigentlich normal, da der Motor ja auch nicht viel Drehmoment braucht, um diese Drehzahl zu halten. Besser wäre es, eine Drehzahlregelung zu verwenden, denn dann würde die Spannung bei Abbremsen des Motors (=Aufbringen eines Lastmoments) vom Regler erhöht werden, wodurch in diesem Fall das Drehmoment steigt, bis die Drehzahl wieder stimmt. Warum dein Motor am Labornetzteil besser läuft, kann ich mir nicht so recht erklären. Was für eine Spannungsquelle verwendest du denn, wenn du nicht das Labornetzteil nimmst?

[ranke]

Wenn ein Motor an einer Spannungsquelle (Labornetzgerät) mechanisch belastet wird und dadurch die Drehzahl sinkt, steigt der Motorstrom. Das liegt daran, dass die drehzahlproportionale Generatorspannung kleiner wird. Das Drehmoment ist aber proportional zum Motorstrom.
Wenn ein Motor über einen Vorwiderstand betrieben wird, kann der Strom wegen des Vorwiderstands nur begrenzt steigen. Dadurch ergibt sich eine andere Drehzahl/Drehmoment Charakteristik.
Bei idealem PWM-Betrieb sollte der Motor sich so verhalten wie am Labornetzgerät mit einstellbarer Spannung. Leider haben typische Motortreiber (besonders die mit Bipolartransistoren als Schaltglied) auch einen Innenwiderstand, der nicht zu vernachlässigen ist. Dadurch kommt auch eine entsprechende Wirkung, wie wenn ein Vorwiderstand vorgeschaltet wäre.

[klein_kariert]

wow Ihr jungs seid schnell - danke für die Antworten.

@ White-Fox und Geistesplitz, Bezüglich Schaltung und PWM (und PWM glätten)
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Also die Frage ist tatsächlich eine allgemeine Frage und bezieht sich momentan nicht direkt auf ein Projekt.
Ich benutze aber normalerweise je nach Motor eine dieser sehr häufig benutzten Schaltungen (welche im Prinzip auch von vielen "fertigen" Motortreibern benutzt werden):
http://www.rn-wissen.de/index.php/Bild:Hbrueckel298.gif
http://www.mikrocontroller.net/attachment/168137/bild.jpg

Ich weiß was PWM ist - ich steuer damit recht oft Motoren und Leds - mit entsprechender Schaltung dazwischen. Nach meinem Kenntnisstand stimmt die Aussage von Geistesblitz nach der ein Glätten des PWM signals nicht unbedingt notwendig ist. (dies machen scheinbar auch die meisten kommerziell verfügbaren Motortreiber nicht).

Dennoch habe ich über einen Low-Pass-Filter testweise mal das PWM "geglättet"
so änlich: http://provideyourown.com/2011/analogwrite-convert-pwm-to-voltage/
Ich habe damals auch mit verschiedenen Elkos rumgespielt, da dies die offensichtlichste Lösung zu sein schien.

Fazit: Glätten oder nicht Glätten hat eigentlich nie einen Unterschied gemacht, der Motor wird nur leiser (logisch: liegt an der PWM-Frequenz die standart-mäßig oft im hörbaren Bereich liegt, was auch mechanisch gesehen nicht unbedingt schlecht ist)

bezüglich Spannungsquelle und mechanischer Belastung:
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Also bei meinen Tests bin ich natürlich von gleicher mechanischer Belastung ausgegangen. Sprich ich habe zur Drehzahlregulierung am Labornetzteil die Spannung runter reguliert und beim Motortreiber das PWM geändert bis der Motor beide male die gleiche Drehzahl hatte. Wenn ich dann den Motor mit der Hand versuche festzuhalten fällt dies beim zweiten Fall sehr viel einfacher.
In beiden Fällen ist die Spannungsquelle das Labornetzteil. Nur eben einmal direkt reguliert und einmal mit dem Treiber (der h-brücke) zwischen Netzteil und Motor.

Wichtig scheint zu erwähnen, dass der Motor bei Hoher Drehzahl (oder hohem PWM) in beiden Fällen sehr viel ähnlichere Charakteristiken zeigt im Vergleich zu niedrigen Drehzahlen.

Durch eine Änderung der Frequenz des PWMs ändert sich lediglich die Lautstärke des Motor (vergleichbarer Fall wie beim Glätten, siehe oben) aber leider nicht die Kraft bei niedrigen Drehzahlen.

@ranke: Kennst Du "untypische" Motortreiber die keinen Innenwiderstand haben? Ich finde bei keinen Treibern Angaben zur Verwendung von Bipolartransistoren (ist das die "klassische" H-Brücke mit vier transistoren?)

nach Deiner Aussage muss ich also rausbekommen wie ich den idealen PWM-Betrieb erreiche. Meine jetzige Lösung liegt in der Programmierung (was ich besser kann als Elektronik) in der ich entsprechende Kurven einbaue je nach dem ob der Motor aus dem Stand bewegt werden soll (Beschleunigung von 0 aus) oder abgebremst werden bzw. die Geschwindigkeit halten soll (dann hat er noch "schub" und braucht weniger Strom zum halten der Drehzahl). Ich baue also Peaks ein.
Dafür baue ich nun immer einen Drehzal decoder mit an meine Motoren um zu wissen wo der Motor steht. (inzwischen meist einen MLX90316 Hall sensor)

Leider ist der Unterschied zum Labornetzteil aber so gravierend, dass ich nur noch einen sehr geringen Spielraum hierfür habe. Das heißt die Motorkraft nimmt im unteren Drittel des PWMs so schnell ab, dass ich hier mit sehr geringer PWM Auflösung arbeiten muss.

Inzwischen bin ich wegen dieses Problems fast komplett auf Schrittmotoren umgestiegen - was aber natürlich nicht immer praktikabel ist.

[hbquax]

Wenn du schreibst "bei kleiner Drehzahl" meinst du offenbar, daß du den Motor über die PWM auf kleine Drehzahl runtergeregelt hast. Das bedeutet, daß effektiv weniger Spanung am Motor anliegt und infolgedessen auch der maximal Strom kleiner wird (das ist der Strom beim Blockieren). Damit wird dann im gleichen Maße auch das Drehmoment kleiner. Völlig normal.

Wenn du eine kleinere Leerlaufdrehzahl, aber trotzdem volles Drehmoment brauchst, musst du die Übersetzung kleiner machen oder einen anderen Motor mit einer anderen Charakteristik verwenden. Oder eine Drehzahlregelung einbauen.

PWM ist wie das Gaspedal beim Auto: Weniger ist weniger...

[ranke]

Kennst Du "untypische" Motortreiber die keinen Innenwiderstand haben? Ich finde bei keinen Treibern Angaben zur Verwendung von Bipolartransistoren (ist das die "klassische" H-Brücke mit vier transistoren?)

Ganz ohne Innenwiderstand geht es noch nicht. Aber besser als der L298. Es geht bei den Bipolartransistoren tatsächlich um die Transistoren im IC, die den Strom des Motors schalten, also die H-Brücke. Bei Anwendungen mit relativ kleinen Spannungen und hohen Strömen sind heutige MOS-Transistoren den bipolaren deutlich überlegen.
Beispiel aus dem Datenblatt L298 (http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000240.pdf) (bipolare H-Brücke):
Source Saturation Voltage @ 2A: 2V (entspricht also einem Widerstand von 1 Ohm), Sink Saturation Voltage @ 2A: 1,7V, (0,85 Ohm), in der Summe also 1,85 Ohm.
Beispiel aus dem Datenblatt VNH3SP30 (http://www.pololu.com/file/0J51/vnh3sp30.pdf) (MOS-H-Brücke):
On-state high side resistance @ 12A: 0,023 Ohm, On-state Low side resistance @ 12A: 0,011 Ohm, in der Summe also 0,034 Ohm.
Da sollte also noch was gehen.

[Geistesblitz]

Dann sollte der Motor sich aber auch bei voller Spannung (Tastverhältnis=1) anders verhalten als an dem Labornetzteil, daher müsste es doch wenn dann mit den Schaltverlusten zu tun haben.
Ich finde es generell merkwürdig, dass dieser Effekt nur bei kleinen Drehzahlen auftritt. Kannst du die Spannung messen, die in beiden Fällen über dem Motor abfällt? Irgendwo muss es da ja einen Unterschied geben.

[ranke]

merkwürdig, dass dieser Effekt nur bei kleinen Drehzahlen auftritt

Wenn der Motor mit einer Drehzahl von 100/s läuft und durch eine Lasterhöhung auf 95/s gedrückt wird, nimmt man das hin. Wenn er mit 5/s läuft und die Lasterhöhung kommt, steht er. Der Effekt ist bei allen Drehzahlen da, bei niedrigen fällt er auf.
In meiner Abschätzung oben ist noch ein Fehler drin, eigentlich sollte man die differentiellen Widerstände rechnen beim bipolaren Treiber. Der restliche Widerstandsanteil wirkt nur wie eine Verringerung der Betriebsspannung und könnte durch eine Erhöhung derselben vollständig kompensiert werden. Die differentiellen Widerstände sind knapp halb so groß wie die absoluten, er ist also nur noch um den Faktor 30-40 (geschätzt) hochohmiger als der mit MOSTETs.

[Manf]

Nachdem wir jetzt schon so viele Angaben haben wäre es schön noch zu wissen, wie groß der Widerstand des Motors ist (bzw. Motortyp, Größe), damit man sich ein Bild machen kann bei welchen Werten der Effekt mit dem L298 merklich auftritt.

[hbquax]

Nachdem ich das alles hier gelesen habe, denke ich, man müsste mal bei bei allen fraglichen Zuständen Spannung und Strom direkt am Motor messen.

Scheint so daß die PWM bei ohnehin kleinem Tastverhältnis bei Belastung in der Spannung einbricht.

Hat der Treiberbaustein evtl. ne Strombegrenzung eingebaut?

[klein_kariert]

Ich habe zumindest für mich eine funktionierende Lösung gefunden.
Dieser Treiber funktioniert. Es scheint als würde er die Stromstärke messen und bei Belastung versuchen die Drehzahl konstant zu halten. Dadurch hat der Motor ich auch bei langsamer Motorendrehung (oder niedrigen PWM werten) noch viel Kraft.

-> http://www.elechouse.com/elechouse/index.php?main_page=product_info&cPath=100_146&products_id=2179

Ich habe Spannung und Strom an einem Testaufbau mit einer L298N H-Brücke und einem 12Volt Getriebemotor von Conrad getestet. Der Motor zieht bei Maximal Belastung bei 12V ca 2 Amps.

Wenn ich ihn direkt am Netzteil nur mit 4Volt betreibe zieht er bei Belastung ca 200mA.

Wenn ich ihm über die H-Brücke (oder auch einfach über einen Transistor) ein PWM-Signal schicke bei dem ich auch diese 4Volt messe zieht er lediglich ca. 50mA und ist schwach (dreht sich aber ungefähr gleich schnell ohne Belastung).

[hbquax]

Dann hat offensichtlich die Brücke einen nicht unerheblichen Innenwiderstand.

[Klebwax]

Nachdem ich das alles hier gelesen habe, denke ich, man müsste mal bei bei allen fraglichen Zuständen Spannung und Strom direkt am Motor messen.

Das wird so einfach nichts. Strom bzw. Spannung sind Rechtecksignale mit varierendem Dutycycle (eben PWM). Das misst kein Messgerät vernünftig. Das mindeste ist ein Scope und dann müßte man aus den Signalen auch noch einen irgendwie vernüftigen Effektivwert berechnen, um ihn mit dem DC Messwert des Netzteils zu vergleichen.
Ein System, daß mit einer PWM betrieben wird, eine induktive Last hat und außerdem noch soetwas wie eine drehzahlabhängige Gegen-EMK hat, ist so einfach nicht zu analysieren.

Ich habe zumindest für mich eine funktionierende Lösung gefunden.
Dieser Treiber funktioniert. Es scheint als würde er die Stromstärke messen und bei Belastung versuchen die Drehzahl konstant zu halten. Dadurch hat der Motor ich auch bei langsamer Motorendrehung (oder niedrigen PWM werten) noch viel Kraft.
Das ein Treiber einfach so das PWM-Signal änden soll, klingt ziemlich unwahrscheinlich. Und es ist eigentlich auch die Aufgabe deiner Steuerung.
Aber etwas anderes zeigt zumindestens das Datenblatt:
26607

Eine typische PWM Ansteuerung mit einem L298 geht über den Enable-Input der Brücke, diese Brücke wird aber über die Brückenzweige gesteuert. Die Stromverhältnisse sind also ganz anders. Dies könnte den Unterschied ausmachen.
Der Innenwiderstand der Brücke wird es nicht sein. Seine Wirkung ist proportional zum Strom, wirkt also bei kleiner Drehzahl weniger als bei großer Drehzahl, also umgekehrt als beobachtet. Die Last einer Brücke mag zwar induktiv sein, die Brückentransistoren sind es aber nicht. Ihr Verhalten ist ohmisch.

MfG Klebwax