stromgesteuerter Bremschopper für mehrachsige Servomotoranwendung

[Felix L. (biernot)]

Werte Elektroniker,

seit einiger Zeit mache ich mir Gedanken zu Servomotoren im 
generatorischen Betrieb, genauer beim Abbremsen einer bewegten Masse. Im 
speziellen ist ein Gerät mit bis zu vier Servomotoren der 180W-Klasse 
geplant. Jeder Servomotor wird über eine eigene Platine mit µC und 
Servo-Driver angesteuert. Alle Platinen werden von einem zentralen 
48V-Netzteil mit Strom für die Motoren versorgt (sowie einem weiteren 
24V-Netzteil für die Digitalelektronik). Gebaut werden sollen ca. 200 
Geräte/Jahr, es geht hier also um eine professionelle Anwendung.

Der klassische Chopper scheint nach meiner Recherche wie folgt zu 
funktionieren (bitte korrigieren, wenn ich falsch liege): Ausreichend 
viele parallel geschaltete Elkos fangen den generierten Motorstrom auf 
und begrenzen die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit. Ein Komparator prüft 
die aktuelle Elkospannung gegen einen Schwellwert (hier z.B. 49V) und 
schaltet bei Überschreitung einen Transistor durch. Dieser Transistor 
entlädt die Elkos über dicke Lastwiderstände, bis U_Elko wieder < 49V 
ist. Dieses Prinzip arbeitet also spannungsgesteuert.

Ich sehe in bezogen auf meine Anwendung ein paar Nachteile: 1.: Bei bis 
Motorströmen bis zu 4A (kurzzeitig möglicherweise auch mehr) muss schon 
gut Platz für die Elkos eingeplant werden, ebenso für die 
Lastwiderstände. Ein Kühlkörper ist btw schon im Design drin (Entwärmung 
des Servo-Drivers) und könnte zum Abgeben der Bremsenergie an Luft 
verwendet werden (wird natürlich dann entsprechend größer 
dimensioniert). 2.: Ein spannungsgesteuerter Chopper könnte bei mehreren 
parallel geschalteten Platinen dieser Art zu unvorhergesehenen Effekten 
führen. Sind die Schwellwerte der Chopper nicht alle exakt gleich, 
springt ev ein Chopper auf einer ganz anderen Platine beim Bremsen eines 
Motors an, manche vielleicht auch gar nicht (das mag zur Überlegung 
führen nur eine einzige Chopper-Platine nahe beim Netzteil zu 
platzieren, diese Lösung möchte ich aber zunächst nicht anstreben). 3.: 
Damit möglichst wenig Bremsenergie vom Netzteil aufgenommen wird (dafür 
ist das Ding schließlich nicht gebaut), sollte die 
Chopper-Schwellspannung nur ganz leicht > 48V sein. Heißt im Hinblick 
auf Serienfertigung: Entweder Netzteilspannung und/oder 
Schwellwertspannung(en) müssen justiert werden.

Meine Idee ist demnach einen stromgesteuerten Chopper auf jeder Platine 
unterzubringen, der den Stromfluss von der Platine zurück ins 48V-Netz 
unterbindet. Grob bestehend aus: Halleffekt-Stromsensor (möglicherweise 
auch High-Side-Shunt-Current Sensor, z.B. INA168), OPAMP und Transistor, 
in welchem überschüssige Energie verheizt wird. Vorteil: kaum große oder 
teure Teile!

Im Anhang die Schaltung, welche ich bereits zusammengelötet und getestet 
habe. Funktioniert prinzipiell, leider neigt das Ding aber ganz arg zum 
Schwingen bei beginnendem Leiten im MOSFET, obwohl über den 
geschlossenen Regelkreis ja nun eine negative Rückkopplung realisiert 
ist. Ich habe zwischen OPAMP-Ausgang und Gate noch ein RC-Glied aus 10k 
und 100µ eingefügt, welches nun die Schwingung weitestgehend unterdrückt 
(geringe Oszillation der Gate-Spannung noch sichtbar). Wie könnte man 
die Stabilität der Schaltung eigentlich auf akademischem bzw. 
systematischem Wege feststellen bzw. das Design so anpassen, dass es 
stabil ist? Ich vermute, die U/I-Kennlinie des Sensors und des MOSFETs 
spielen mit rein…

Viele Grüße,
Felix

(Noch eine Anmerkung: Die Schaltung ist in aktueller Version sicherlich 
auch deswegen noch nicht perfekt, da allein aus Bauteiltoleranzgründen 
die Referenzspannung nie exakt der Hallsensorspannung bei 0A entsprechen 
wird. Ich habe so designt, dass aufgrund der etwas geringeren Referenz 
von 2,495V immer noch ein kleiner Strom von ca 200mA (gemessen) von der 
Platine zurückfließen kann. Abhilfe sehe ich da in der Verwendung einer 
High-Side-Shunt-Messung mit dem INA168 und wenn nicht ists auch egal, 
ein bisschen Senke spielen kann das Netzteil auch…).

[Deltal (Gast)]

Ohne jetzt auf deine Frage einzugehen (sorry).. aber in der Industrie 
werden heutzutage Spannungsgeführte Chopper eingesetzt. Der Schaltpunkt 
liegt sehr weit oberhalb der Zwischenkreisspannung (ca 820V z.B. bei 
einem SEW Gerät).

Grundsätzlich haben die FU eine Spannungsüberwachung, bei zu hoher 
Generatorischer Spannung wird die Ausgangsstufe gesperrt. Dazwischen 
müssen irgendwo die Elkos dimensioniert werden, wobei die in den letzten 
Jahren deutlich kleiner geworden sind (Was wohl an der Technologie als 
auch am Schaltungsaufbau liegen wird). Die Reaktionzeit des Choppers ist 
natürlich auch wichtig und sollte so schnell sein, dass die Energie 
schnell genug umgewandelt wird.

Bei Modularen Systemen sitzt der Chopper meistens im Netzmodul oder 
extern am ZK. Koppelt man FUs über den ZK wird auch meistens ein 
externer Chopper eingesetzt.

[Antimedial (Gast)]

Die Energie in einem Transistor zu verbraten ist völliger Unsinn, das 
wird eindeutig teurer und größer als die klassische Widerstandslösung. 
Man braucht dann auf jeden Fall immer einen Kühlkörper - Widerstände 
kann man auch passiv kühlen. Außerdem kann man die Energie, die in den 
Kondensatoren gespeichert wird, sehr gut nutzen, wenn man wieder in den 
motorischen Betrieb übergeht. Man will ja schließlich nur die absolut 
überschüssige Energie verbraten und nicht sämtliche motorische Energie. 
Große Elkos sind auch nicht unbedingt erforderlich, wenn der 
Bremschopper schnell schalten kann. Und eine Parallelschaltung ist 
überhaupt kein Problem, dafür gibt es verschiedene Verfahren. Das 
Netzteil muss natürlich gegen Rückspeisung gesichert sein und die 
maximale Chopperspannung abkönnen, ansonsten packt man eine Diode in 
Reihe. Das ist aber auch Standard.

Deine Lösung hat keine Vorteile, nur Nachteile und ist daher Murks. Es 
gibt schon einen Grund, wieso die Industrie die Chopper genau so baut 
wie sie heute sind.