Servos Entstören

[HannoHupmann]

@all ich hätte jetzt behauptet, dass die 100nF für kleine Spitzen sind und die 2200µF für deutlich größere Spannungsspitzen. Ich werd mal sehen ob ich nicht doch einen etwas kleineren Wert nehme, da die 2200µF von der Größe her schon ganz schöne Prügel sind.

[ranke]

Wenn man es von der anderen Seite betrachtet und man möchte mit dem Stromimpuls eine Spannungsänderung am Elko erzielen, wie verhindert man dass der Strom schon vorher aus der Spannungsversorgung nachfließt? Man kann dünne lange Kabel nehmen und Akkus mit relativ hohem Innenwiderstand nur ganz wird man den Strom auch damit nicht aufhalten.

So erkläre ich mir dann den Wert der beim Test herauskommt, der Wert für den Elko ist wohl bestimmt durch die zulässige Absenkung der Versorgungsspannung der Elektronk im Servo.

Man kann jedenfalls sagen, daß eine niederohmige Spannungsquelle, die mit möglichst kurzen (geringer ohmscher und induktiver Widerstand) Leitungen angeschlossen wird, das Problem entschärft.

Besonders bemerkenswert finde ich, daß man mit relativ kleinen Kapazitäten (es wurden z.B. 470 uF genannt) eine eindeutige Entstörwirkung erzielt. Wirksam sind ja offensichtlich Werte, deren nutzbarer Energiegehalt (sehr grob geschätzt) vielleicht 1% der notwendigen Energie für das Anlaufen eines Servos beträgt.
Es kann sich also nur um das Puffern von Stromspitzen handeln, umso interessanter, als der Motor ja eine induktive Last darstellt, bei der zeitliche Stromänderungen nicht beliebig schnell erfolgen können.
Offenbar sind Akkus (inklusive Zuleitung) eben auch induktive Spannungsquellen.

@MeckPommER:
Sicherlich wäre es günstiger gewesen, die Kondensatoren näher an die Servos zu legen. Aber wenn es trotzdem klappt, soll man nicht klagen (Da siegt die Praxis über die Theorie!). Die Kondensatoren sind ja alle schon am Sternpunkt, wo sich die Leitungen auftrennen. Hier kann man sich fragen, ob es statt 18 x 100uF auch 1 x 1800 uF getan hätte.

[lowtec-ing]

Hallo erstmal.

Zur Diemensionierung des Elkos scheinen mir nach der alten Netzteilregel 1000µf/A ausreichend.

Das Parallelschalten einer kleinen Kapazität zum Elko hat den Sinn, daß diese für höherfrequente Signalanteiele eine viel geringere Impedanz haben.

Ich würde für jedes Servo (0,5A) also in unmittelbarer Nähe zum Anschlußstecker zuerst einen guten keramischen 1nF Kondensator, dann einen 100nF Kondensator, auch keramisch, und dann erst den 470µF Elko vorsehen.

Diese Anordnung ist auf jedenfall bis in den Bereich mehrer 10MHz wirksam.

Da der Spannungseinbruch an den Anschlußklemmen des Servos daher rührt, daß die Zuleitungsinduktivität ihren energetischen Zustand beibehalten möchte, sollten die Leiterbahnen für die Servoversorgung so breit wie irgend möglich ausgelegt werden.
Merke: je dicker der Draht, desto kleiner die Induktivivität.

Diese Regel befolgend, reichen vieleicht auch schon 470µF/A. Lässt sich sowieso nur experimentel ermitteln, getreu dem Motto: Versuch macht kluch.

Ich hoffe es konnte Dir weiter helfen.

georg

[Manf]

Ich habe oben den Wert 470µF genannt. Er war wie gesagt experimentell ermittelt.
Wie läuft soetwas ab: Man hat die Schaltung und sieht dass es ohne Pufferung zu Störungen kommt. Dann nimmt man Elkos aus dem Vorrat mit verschiedenen Werten. Alter, Farbe, Baugröße, Spanung, ESR und was noch, ach ja Kapazität. Mit einem Wert geht es dann, der wird aufgestockt und dann weiß man etwas mehr.
Von daher ist es gut, ein paar Erfahrungswerte zusammenzutragen und den Mittelwert oder etwas entsprechendes zu bilden.

[lowtec-ing]

Es kann sich also nur um das Puffern von Stromspitzen handeln, umso interessanter, als der Motor ja eine induktive Last darstellt, bei der zeitliche Stromänderungen nicht beliebig schnell erfolgen können.
Offenbar sind Akkus (inklusive Zuleitung) eben auch induktive Spannungsquellen.


Nochmal hallöchen.

Es ist zwar richtig, daß elektrische Maschinen induktive Lasten sind, und jetzt kommt was kommen muß, aber Elektromotore haben auch einen nicht unerheblichen Wirkanteil und im Verhältnis gesehen, ist die mechanische Zeitkonstane immer um ein beachtliches Maß größer als die elektrische Zeitkonstante.
Will sagen, da steckt durchaus ein Faktor tausend bis hunderttausend drin.
Andersrum betrachtet: Ehe ein elektrischer Antrieb eine so hohe Drehfrequenz erreicht hat, daß durch die in der Maschine induzierte EMK eine Strombegrenzung stattfindet, kann solange dauern, daß ein schwaches Netz längstens zusammengebrochen ist.
Da die el. Zeitkonstante des Motors also sehr klein ist, bedeutet das Einschalten des Motors quasi (ein schönes italienisches Wort) einen Kurzschluß am Ende einer Leitung. Diese Information benötigt nun allerdings einige Zeit, bis sie beim Generator (hier der Akku) angekommen ist.
Die Kondensatoren stützen also nur das schwache Netz und deren wissenschaftlich fundierte Auslegung hängt von der Leitungslänge, den spezifischen Leitungseigenschaften, also L/l, C/l, R/l und G/l, ab und entzieht sich jeder anschaulichen Darstellung. Die Eigenschaften der Spannungsquelle spielen bei der Gesamtbetrachtung eher eine untergeordnete Rolle.

Und nun zur belibig schnellen Stromänderungsgeschwindigkeit beim Motor. Hier ist zu sagen, daß der zeitliche Verlauf des Ankerstroms eine Funktion höherer Ordnung ist und beim Einschalten die Geschwindigkeit gleich U/L ist. Unter Berücksichtigung des obigen Zeitkonstantenverhältnisses ist also leicht einzusehen, daß die Ankerstromstärke in der Zeitspanne 4..5*L/R auf fast den Wert U/R ansteigt, um dann mit steigengender Drehfrequenz des Ankers auf den Wert (U-EMK(n))/R zu fallen. Dieser Anstieg ist in Diagrammen folglich fast senkrecht und somit als beliebig kurz anzusehen. Damit so ein Motor einen möglichst großen Wirkungsgrad hat, wird der Ankerwiderstand möglichst gering gehalten (da wären dann schon wieder die dicken Drähte, wegen derer die Induktivität dann wieder klein ausfällt). El. Zeitkonstante im Bereich von µs..ms, mechanische Zeitkonstante im Bereich von ms..min(Stunden).

Fällt mir grade noch so nebenbei ein: In Straßenbahnen sind auch solche Stützkondensatoren drin. Und die günstigsten Werte für deren Kapazität haben die Altvorderen auch empirisch bestimmt.

Wie gesagt: Versuch macht kluch.

georg

[lowtec-ing]

nochmal hallöchen.

Ich habe oben den Wert 470µF genannt. Er war wie gesagt experimentell ermittelt.
Wie läuft soetwas ab: Man hat die Schaltung und sieht dass es ohne Pufferung zu Störungen kommt. Dann nimmt man Elkos aus dem Vorrat mit verschiedenen Werten. Alter, Farbe, Baugröße, Spanung, ESR und was noch, ach ja Kapazität. Mit einem Wert geht es dann, der wird aufgestockt und dann weiß man etwas mehr.
Von daher ist es gut, ein paar Erfahrungswerte zusammenzutragen und den Mittelwert oder etwas entsprechendes zu bilden.

Den Ablauf würde ich vieleicht so gestallten:
-an den Versorgungsspannungsanschluß des Servos die beiden keramischen Kondensatoren anlöten. (siehe vorherigen Beitrag, können auch 100pF statt 1nF sein)
-ein Oszilloskop am Versorgungsspannungsanschluß anschließen, Triggerung auf intern, single, AC und negative Flanke
-eine Auswahl verschiedener Elkos passender Spannungsfestigkeit bereitlegen; Werte 10µF, 22µF, 47µF, 100µF, 220µF, 470µF (Farbe, Alter und ESR spielen keine Rolle, ESR wegen der beiden Keramischen nicht)
-nur ein Servo anschließen.
-einschalten; Servo hin- und herfahren lassen; Spannungsverlauf über die Zeit skizzieren; es interessiert nur der Spannungseinbruch im Moment des Loslaufens des Motors
-nun nacheinander einen Elko nach dem anderen anschließen und den vorherigen Schritt wiederholen, bis man den besten Wert gefunden hat, subjektiven Eindruck auf die Störungen für jeden Kapazitätswert schrifftlich festhalten

"Den besten Wert"(den es übrigens nicht gibt) ermittelt man anhand der skizzierten Spannungsverläufe und den Kommentaren zum Störungsverhalten, unter Berücksichtigung, dessen was an Störungen noch tolerabel ist. Man sucht also ein Optimum, daß auch die Kosten niedrig hält.

Bei schon vorhandenen Platinen hilft es eventuell, wenn man die Leiterbahnen mit aufgelöteten Kupferdrähten verstärkt. Senkt den Widerstand und die Induktivität. Für empfehlenswert halte ich die Drähte aus einem Rest Klingelleitung mit 0,8². Gibt es beim freundlichen Elektroinstallateur von nebenan.

georg

[oberallgeier]

Hallo,

... Versuch macht kluch ...

@ georg, Die Postings hier sind recht nach meinem Herzen. Nicht dass ich (unüberwindliche) Mühe mit theoretischen Betrachtungen hätte, na ja, die Elektronik ist für mich SEHR neu, aber ich hatte immer mit mir gehadert, dass sich so viel teste. Gerade die Entstörung, die bei Servos noch dazu dämlich ist wegen des verbleibenden Zitters durch die mangelhafte Steifigkeit und Reproduzierbarkeit von Ausgangsgröße (Abtriebswinkel) zu Messwert (Poti) - der unsinnig viel Strom zieht. Erinnerte mich irgendwie an Vorträge, wo der ehrenwerte Referent nach der Frage der Konvergenz seiner Simulation ins Stottern gerät.

@Manf, danke für die Richtwerte. So etwas hilft sehr. Obwohl ich bei meinem derzeitigen Servoeinsatz keine Entstörung habe - einfach kein Platz - und dabei dreht der Servo am Labornetzteil bei Strombegrenzung unter 0,8 .. 0,6 A garnicht mehr ruckelfrei (eines von den mini-digi-Dingern).

[Besserwessi]

Die Servos haben in der Regel einen H Brückentreiber drin, und das gibt es auch welche (vor allem die schlecht gemachten), die kurzzeiting bei Umschalten doch etwas Querstrom zulassen.
Ich habe in einem Servo selbst auch schon mal 1000 µF als Elko gefunden, und trotdem hat der noch Störungen (Strompulse) verursacht.

[lowtec-ing]

Nochmal Hallöchen.

Hallo,

... Versuch macht kluch ...

@ georg, Die Postings hier sind recht nach meinem Herzen. Nicht dass ich (unüberwindliche) Mühe mit theoretischen Betrachtungen hätte, na ja, die Elektronik ist für mich SEHR neu, aber ich hatte immer mit mir gehadert, dass sich so viel teste. Gerade die Entstörung, die bei Servos noch dazu dämlich ist wegen des verbleibenden Zitters durch die mangelhafte Steifigkeit und Reproduzierbarkeit von Ausgangsgröße (Abtriebswinkel) zu Messwert (Poti) - der unsinnig viel Strom zieht. Erinnerte mich irgendwie an Vorträge, wo der ehrenwerte Referent nach der Frage der Konvergenz seiner Simulation ins Stottern gerät.

So viel Theorie fand ich, war das garnicht. Wenn ich anfange mit den partiellen Differetialgleichungsystemen, die da dazugehören, um mich zu werfen, dann wird´s theoretisch.
Und nach Göthe gilt: Alle Theorie ist grau und grün der Baum des Lebens.
Die Differentialgleichungen nutzen allerdings nur was, wenn der mechanische Aufbau sich nicht ändern kann. Ein Käbelchen leicht anders gekrümmt wie in der mathematischen Beschreibung und schon stimmen die theoretischen Ergebnisse nicht mehr.

Gegen den Jitter helfen allerdings wirklich nur dicke Drähte, speziell in der Masseleitung. Je dicker der Draht,... Aber das hatten wir schon. Wichtig in diesem Zusammenhang: Masseleitungen der Servos so kurz wie irgendmöglich sternförmig zu einem und nur einem Punkt zusammen führen, und an diesen Sternpunkt die Masse der steuernden Digitalschaltung über einen Entkopplungswiderstand führen (so um die 100 Ohm). Und dann jedes einzelne Servo entkoppeln direkt am Anschlußstecker!!!!
Vieleicht hilft auch eine smd-Spule (1..2µH) in der Plusleitung. Also Ltg, Spule, Kondensatoren und der Anschlußstecker. Alles so dicht es irgend geht zusammen.

Das soll wohl reichen.

georg

[HannoHupmann]

Nachdem ich jetzt den ganzen Thread sehr aufmerksam mitgelesen habe möchte ich mal die Erkenntnisse zusammen fassen:

Bild hier  

Falls es nicht noch weitere Vorschläge gibt, würde ich diesen Schaltplan auch so in die Wiki übernehmen, da die Frage der Servoentstörung wohl noch häufiger kommen wird. Gerade bei Hexabots mit 18 Servos ist dies interessant.