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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Welche PWM-Frequenz für DC-Motorsteuerung?


Autor: Schoasch (Gast)
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Hi

Ich habe hier einen Motor mit Schneckengetriebe, den ich in der
Drehzahl steuern möchte.

Hier die Daten des Motors die ich besitze:
SWF-Schneckengetriebemotor mit ca. 120 Upm, rechts-/linkslaufend,
Betrieb an 12V=/ca. 6A, Motor läuft bereits bei 3V an.

Nun würde ich gern wissen, welche PWM-Frequenz ich am besten zur
ansteuerung wählen sollte, damit der Motor rund läuft.

Was für eine Frequenz sollte man wählen?
Oder sollte man ein anderes Ansteuerungsverfahren nehmen?

Das ganze soll dann mit einem PIC realisiert werden.

Ich danke euch für Hinweise und Tipps

mfg Schoasch

Autor: Steff (Gast)
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12V 6A - vermutlich geringe Induktivität. -> was willst du damit machen?
mußt du eine hohe Dynamik haben? Wie sieht die Meßwerterfassung aus?
verzögerungszeiten?
Ich würd schon auf 1k gehen? DArf man die Endstufe hören? Sonst mußt du
über 8K gehen. Willst du eine 4Q Endstufe realisieren?
Was kann dein PIC?

Autor: Schoasch (Gast)
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Ich will den Motor mit einer Seiltrommel verbinden und so eine art
kleinen Lastenlift damit bauen.
Daraus folgt, dass es keine hohe Dynamik haben muss bzw soll. Also will
ich sowieso keine ruckartigen bewegungen durchführen, sondern immer eine
schönen runden übergang zwischen den 2 Bewegungsarten.

Eigentlich würde es nichts machen, wenn man die endstufe hört(ausser es
ist ohrenbetäubend laut ;-)).

Was ist eine 4Q-Endstufe? Ist das eine 4Quadranten-Endstufe? Nein das
wäre nicht nötig und auch nicht sinvoll, da ja der Motor durch das
Schneckengetriebe nie in den Generatorbetrieb kommen kann. Aber ja, ich
möchte Rechts- und Linkslauf haben. Dazu will ich aber keine H-Brücke
nehmen, sondern einfach mit einem Relais die Drehrichtung
"umschalten" und das ganze mit nur einem FET ansteuern.

Über die Messwerterfassung habe ich mir noch nicht all zu grosse
gedanken gemacht, da ich ja momentan von einer Steuerung und keiner
Regelung ausgehe. Interessant wäre eine art Überlastschutz. Die
Endpositionen werde ich mit Endschaltern realisieren. Was für eine
Messwerterfassung würdest du empfehlen?

Der PIC soll die komplette Steuerung übernehmen. Die Drehzahl soll mit
einem Poti einstellbar sein. Dann soll es eben einen Tippbetrieb und
einen Fahrbetrieb geben.

So sind mal derweilen meine Gedanken.. aber wie ihr merkt, steckt das
ganze noch in den Kinderschuhen.

Also für Tipps bin ich sehr dankbar.

mfg Schoasch

Autor: Reiner (Gast)
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Hallo Schoasch,

Ich habe gerade sowas gebaut: Motor 12V, 10A, Geschwindigkeitssteuerung
und Drehrichtungsumkehr über einachsigen analogen Joystick,
Strombegrenzung macht der Prozessor mit.

Dein Motor läuft erheblich ruhiger und runder wenn Du auf eine PWM
Grundfrequenz von ca. 15-18KHz gehst.  Allerdings steigen die
Schaltverluste im MOSFET an.

Generell kann man experimentieren und mit einem Oszilloskop sehen, ob
der Motor seinen Maximalstrom bei einer gegebenen PWM Frequenz noch
zieht. (0,1 Ohm in die Source Leitung des MOSFETS und die Spannung
darüber oszilloskopieren).

Reiner

Autor: Schoasch (Gast)
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Wie kann ich die Schaltverluste am MOSFET berechnen? Von was ist sie
massgebend abhängig?

Wäre es möglich einmal ein Blick auf deine Schaltung zu werfen?

mfg Schoasch

Autor: Reiner (Gast)
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Hallo Schoasch

Vergiß die Schaltverluste. Der Kühlkörper wird noch nicht mal warm bei
10A.

Gruß
Reiner

Autor: Schoasch (Gast)
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Hallo Reiner

Das ganze sieht eh ungefähr so aus, wie ich es mir vorgestellt habe.
Wofür hast du denn BU2 vorgesehen? Und habe ich das richtig gesehen,
dass die Taster für die Drehrichtung an BU1.4 bzw BU1.5 angeschlossen
werden?

Eigentlich gefällt mir deine Schaltung sehr gut :-) Ich habe eigentlich
eh noch einen ATMega8 hier herumliegen und weis damit nichts
anzufangen.Das wäre nun der richtige Einsatz.. aber halt auch nur, wenn
du so nett wärst und mir das hex-File oder Source-File geben würdest,
wenn es dir nichts ausmachen würde.

Könnte man als alternative zum IRFP260 auch zb einen IRFP460 oder einen
IRFZ34 nehmen?

mfg Schoasch

Autor: Johannes (Gast)
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Hallo Schoasch,

die optimale PWM-Frequenz ist sehr stark abhängig von der Bauweise des
Motors und von den verwendeten Magneten und Eisensorten.

So sind für die relativ billigen 3-5poligen "Can"-Bürstenmotoren mit
Ferritmagneten und Ankern aus Standardtrafoblech 3-4kHz optimal, für
hochwertige Bürstenmotoren mit Neodym- etc. Magneten und entsprechend
besserem Ankerblech peilweise die doppelte Frequenz.
Brushless-DC-Motoren ohne bewegtes Eisen kann man dann schon getrost
deutlich über 10kHz takten, und Glockenankermotoren schließlich fühlen
sich erst oberhalb von 25-30kHz so richtig wohl.

Der Maßstab dabei sind nicht die Schaltverluste der Endstufe, sondern
die Ummagnetisierungsverluste im Motor, die bei grob unpassender
PWM-Frequenz unnötig bis übermäßig viel elektrische Energie in
womöglich schädliche Wärme umgewandeln, und darüberhinaus auf Dauer die
Magnete schwächen, was dazu führt, dass man mit der Zeit immer mehr
Power in den Motor pumpen muss, um denselben Effekt an der Welle zu
erhalten.

Ich hoffe, meine Ausführungen sind hilfreich.

Gruß Johannes

Autor: Reiner (Gast)
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Hallo Schoasch,

BU2 ist die Programmierschnittstelle (ISP).

BU1.4 und BU1.5 werden nicht benutzt, wurden aber vorgesehen, falls man
doch noch mal einen Port für irgendwas braucht.

Drehrichtung und Geschwindigkeit werden mit P2 gesteuert.  P2 ist ein
einachsiger Analogjoystick d.h. ein Poti, daß über eine Feder eine
definierte mechanische Mittelstellung hat.  Beim Programmstart wird
über den ADC diese Mittelstellung gelesen.  Wird das Poti danach in die
eine Richtung bewegt(nach Überschreitung einer "Toten Zone"), beginnt
der Motor in die eine Richtung zu beschleunigen.  Wird das Poti zur
anderen Seite bewegt, beschleunigt der Motor in die andere Richtung.
Man kann dazu auch jeden beliebigen PC-Joystick oder einen Joystick
einer Funkfernsteuerung hernehmen.  Meiner ist selbstgebaut.

Der MOSFET is unkritisch.  Er sollte eben eine geringes rds on haben
und den entsprechenden Strom abkönnen.

Gib mir mal Deine email Adresse.

@Johannes
Dem was Du schreibst stimme ich voll zu!  Das Problem dabei ist nur,
daß man bei "Basteleien" häufig nicht viel über den vorhandenen Motor
weiß.  Daher mein Vorschlag nachzumessen, ob der Motor bei einer
gewählten PWM Frequenz und Last noch seinen Nennstrom erreicht.  Wenn
nicht, dann muß die PWM Frequenz verringert werden (der Motor wird auch
gut warm bei zu hoher PWM Frequenz).  Andererseits hört man auch wenn
die PWM Frequenz zu niedrig ist:  Die Lager fühlen sich dann nicht mehr
wohl; der Motor läuft rauh.

Reiner

Autor: Schoasch (Gast)
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Achso .. das hört sich eigentlich alles eigentlich ideal an :-)

meine e-mail Adresse lautet: schoasch123 (ät) yahoo (punkt) de

Ich danke dir sehr.

Du hast recht. Das ist immer das Problem bei selbstbauprojekten, dass
man nie genau weis, wie die Eigenschaften von solchen Motoren sind.
Hier ist ein Foto von dem Motor:
http://www.neuhold-elektronik.at/catshop/images/la...

Ich danke euch.

mfg Schoasch

Autor: Johannes (Gast)
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Oha, das ist ja ein "Scheibenwischermotor", der sein statisches Feld
gar nicht mit einem Permanentmagneten macht, sondern mit einer zweiten
Wicklung auf noch mehr Eisen als im Rotor.

So einer ist nach meinen Erfahrungen per direkter PWM kaum noch
vernünftig zu steuern. Da würde ich eher vorschlagen, einen steuerbaren
getakteten DC-Spannungsregler zu verwenden...

Gruß Johannes

Autor: Schoasch (Gast)
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Ich habe leider noch keine PWM-Tests damit machen können, da meine
Netzgräte bis jetzt immer in die Knie gegangen sind :-)

Aan einen Schaltregler habe ich auch schon gedacht. Denn ich hab mich
mal wegen Trafopreise etwas erkundigt... naja so ganz günstig sind die
Dinger in der Preislage halt nicht. Darum würde ich eigentlich auch
gerne 2 Trafos parallelschalten,wenn möglich, denn da könnte ich welche
mit 11.8V und 50VA um ca 3Euro das Stück besorgen.

Gibt es nicht auch Schaltregler mit eingebauter Strombegrenzung? Ich
glaube mal einen gesehen zu haben, weis aber leider die bezeichnung
nicht mehr. Habt ihr noch vorschläge bezüglich der Stromversorgung?

mfg Schoasch

Autor: Dieter Werner (Gast)
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Ich glaube nicht dass die Bauart mit den Feldspulen heute noch
hergestellt wird, ist viel teurer als Ferritmagnete für das Feld.

Leider lässt sich durch das Schneckengetriebe der Motor nicht drehen so
dass es nicht möglich ist die Magnetpole zu fühlen oder eine induzierte
Spannung zu messen.

Autor: Schoasch (Gast)
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So, ich habe mal ein Foto des Motors gemacht. Es ist ein "normaler"
Gleichstrommotor mir permanentmagneten zur Erzeugung des erregerfeldes.
Anbei ein Foto.

Autor: Schoasch (Gast)
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Aber was mich nune etwas irritiert , ist die Tatsache, das der motor 3
Bürsten besitzt. Wozu ist die dritte? Eine davon ist mit dem Gehäuse
verbunden(im bild ganz vorne).

Autor: Schoasch (Gast)
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Hier noch ein Bild bezüglich den Bürsten.

Autor: Schoasch (Gast)
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gg
Das Habe ich mir Fast gedacht. Die 3 Bürsten sind da, damit man 2
verschiedene Geschwindigkeiten fahren kann. Ich bin sehr sehr froh das
ich den Motor aufgemacht habe :D

Wenn nehmlich den Motor an den 2 Anschlussdrähten anschliesse, zieht er
5A. Wenn ich ihn nun aber mit dem Gehäuse und einem Anschlusspin,
anschließe, dann zieht er nur 1A :D und ich habe noch 2 Verschiedene
Drehzahlen :-)

Somit erleichter sich die Schaltung erheblich. Nur wie sieht es jetzt
mit der PWM Frequenz aus?

Autor: Johannes (Gast)
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Ähm, nun, ja... also doch ein Scheibenwischermotor, wenn auch nicht ganz
so, wie ich erst gedacht hatte :-)

Also zur PWM würde ich da mal sagen, wie wär's mit zwei Endstufen? Je
eine für die beiden Bürstenanordnungen? Natürlich nur, wenn Du den
höheren Drehzahlbereich wirklich brauchst...

Gruß Johannes

Autor: Norbert (Gast)
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Hi,

Die PWM-Frequenz bei einem normalen Bürstenmotor ist relativ unkritisch
was den Motor angeht. Einige kHz geht immer gut und ist noch gut zu
handhaben. Die oben gepostete primitive Ansteuerung des IRFB260 ist max
für einige kHz gut, im zweistelligen Bereich werden die Schaltverluste
heftig.

Mosfetauswahl: Als erstes steht der Rdson, dann, bei PWM, die
Gateladung. Der max. Strom ist meist uninteressant, den erreicht man
normalerweise nie.

Gruß,
Norbert

Autor: Schoasch (Gast)
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Naja.. 2 Endstufen?! hm.. Ich glaube, ich würde das umschalten zwischen
den 2 Geschwindigkeiten mittels Relais bevorzugen...

Wird wahrscheinlich auch etwas einfach gehen als mit 2 Endstufen.

Autor: Johannes (Gast)
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Also ehrlich, bei den heutigen MOSFET-Preisen (z.B. 1,15 Euro bei
Reichelt für einen IRL3803N mit max 9mOhm Rdson@4,5V Ugs) würde ich
kein Relais mehr nehmen. Einfacher geht es doch wirklich nicht. Es sei
denn, Dein PIC hat keine zwei PWM-Ausgänge...

Gruß Johannes

Autor: Schoasch (Gast)
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Naja.. für eine H-Brücke bräuchte ich dann ja 4 Stück.. ein Relais
kostet mir 90Cent ;-). Ausserdem möchte ich einmal meine Fets
verarbeiten, die ich zuhause habe.

>>Es sei denn, Dein PIC hat keine zwei PWM-Ausgänge...
Bis jetzt habe ich mich noch für keine entschieden. Aber vl wirds auch
ein ATMega8. Und ausserdem kann man auch gewisse sachen mit Software
machen.

Autor: Reiner (Gast)
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@Robert
"Die oben gepostete primitive Ansteuerung des IRFB260 ist max
für einige kHz gut, im zweistelligen Bereich werden die Schaltverluste
heftig."

Anschauung macht Gedanken, aber die Schaltung läuft mit 18KHz PWM
Frequenz und der angeschlossene Motor zieht 10A.  Der MOSFET wird
selbst ohne Kühlkörper nicht wärmer als 40°C.

@Schoasch
Eines verwirrt mich jetzt an der Diskussion:  Wozu zwei umschaltbare
Geschwindigkeiten vorsehen wenn man plant eine PWM
Geschwindigkeitsregelung aufzubauen.

Gruß
Reiner

Autor: Reiner (Gast)
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"Gibt es nicht auch Schaltregler mit eingebauter Strombegrenzung? Ich
glaube mal einen gesehen zu haben, weis aber leider die bezeichnung
nicht mehr. Habt ihr noch vorschläge bezüglich der Stromversorgung?"

Die Dinger heißen PC-Power Supplies und schaffen die 12V/6A leicht):-
(Gibt's auf dem Schrott)

Gruß
Reiner

Autor: Norbert (Gast)
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@Reiner:

Da kann was nicht stimmen. Der IRFP260 hat 55mOhm. Das macht bei 10A
ohne Schaltverluste schon 5,5W Verlustleistung.

Dazu braucht er vom Beginn des Schaltens bis zum vollen Durchschalten
etwa 60nC. Das ist diese Rampe bei "Gate Voltage vs. Gate-Source
Voltage". Das ist der fiese Linearbetrieb. Bei 6V Gatespannung die er
dann hat lässt der 560R 11mA fliessen, das dauert dann etwa 5,5µs.
Deine 18kHz hat ne Periode von 55µs. Also 10% der Zeit ist das Ding im
Linearbetrieb.

Wie gesagt, da stimmt was nicht. So wie gepostet muß der schweineheiß
werden, ohne Kühlung raucht er ab.

Gruß,
Norbert

Autor: Johannes (Gast)
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@Schoasch
Ich hatte nicht gleich an eine ganze H-Brücke mit FETs gedacht. Ich
hatte nur die getrennte Ansteuerung der beiden Bürsten für die beiden
Drehzahlbereiche gemeint.

Allerdings hat Reiner schon recht, wenn er fragt, warum beide
Drehzahlbereiche überhaupt getrennt ansteuerbar sein sollen. Per PWM
reicht schließlich einer (im Zweifelsfall der schnellere). Oder gibt es
einen bestimmten Grund, unbedingt beide zu nutzen? (Z.B. das hörere
Drehmoment beim unteren)

Gruß Johannes

Autor: Reiner (Gast)
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@Norbert

Na ja, abgeraucht ist er bisher nicht, aber vielleicht war meine
Aussage über die 40grad Celsius etwas optimistisch.  Der Motor treibt
über ein Planetengetriebe eine Hubspindel und hebt dabei eine Last von
ca 50Kg ca. 0.7m hoch.  Dazu braucht er einige Sekunden. Dann muß er
mit Minimallast wieder abwärts. Ich habe also nicht wirklich Zeit um
den Motor im Dauerlauf unter Vollast zu testen.  Während der Tests lief
der FET ohne Kühlkörper.  Er hat jetzt, nachdem das Ganze zusammengebaut
ist, natürlich einen Kühlkörper.

Ich habe aber auch noch mal nachgerechnet und rekapituliert:
Die Einschaltdauer erreicht maximal 70% d.h. die maximale
Verlustleistung ohne Schaltverluste liegt bei 3,9W. (10A, 55mOhm, 70%)

Die Schaltzeit werde ich mal messen, aber Deine Rechnung ist schon
richtig. (Statt der 6V UGS während der Ladephase würde ich 5V annehmen,
was die Sache aber nicht besser macht)

Wenn ich von 10% Linearbetrieb ausgehe liege ich überschlägig bei 4W an
Schaltverlusten.  Zusammen macht das also ca 8W.  Also, ein kleiner
Kühlkörper muß schon sein.

Gruß
Reiner

Autor: Schoasch (Gast)
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Hi

Sorry, dass ich erst jetzt schreibe. Naja.. die wahl der
geschwindigkeit ist ja nicht schwierig. Dazu würde ich einfach einen
Schalter und ein Relais nehmen. Weiters ist es manchmal Praktisch wenn
man schneller fahren kann und manchmal auch praktisch langsam zu
fahren. Ausserdem wird auch das Moment abhänghig sein von der der Wahl
der benutzen Bürste.

Aber wie gesagt, das ganze steck noch in Kinderschuhen. Ich muss zuerst
einmal ein paar Tests machen... Aber eigentlich ist es, ehrlich
gestanden, ein dumme Angewohnheit von mir, dass ich immer alle
Möglichkeiten eines Bauteils ausnutzen möchte.

Vl. hat es ja auch wirklich keinen sinn die Umschaltung zu machen. Aber
wie erwähnt, könnte man das ganze auch recht einfach machen.

mfg Schoasch

Autor: Reiner (Gast)
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Hallo Schoasch

"Ausserdem wird auch das Moment abhänghig sein von der der Wahl
der benutzen Bürste."
Richtig,  Die 5A Variante gibt das höhere Drehmoment.
(Drehmoment = Pe*9550/n, Pe in KW, n in U/min)

"Weiters ist es manchmal Praktisch wenn man schneller fahren kann und
manchmal auch praktisch langsam zu fahren."
Auch richtig, aber deshalb macht man ja die PWM um das zu können.
Die Umschaltung macht nur dann Sinn, wenn Du dieselbe Drehzahl
(einstellbar mit der PWM) mit zwei verschiedenen Drehmomenten erreichen
willst.

Gruß
Reiner

Autor: Schoasch (Gast)
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Ist wirklich die 5A Variante  die, mit dem grössten Drehmoment? Immerhin
sind da die Bürsten gerade einmal ca 85Grad versetzt. Aber ehrlich
gestanden würde ich die 1.5A bevorzugen. Aber ob das ausreicht um meine
gewünschten Lasten zu heben, weis ich noch nicht. Da muss ich zuerst
einmal einen Versuch machen und ausserdem zuerst einmal genau wissen,
in welchem Bereich die Last liegt. Ich schätze mal, dass es so ca 5kg
bis 10kg sein werden. Aber genaueres kann ich derweilen noch nicht
sagen und auch nicht berechnen, da der mechanische Aufbau noch nicht
fertig ist.

Autor: Schoasch (Gast)
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Hi

Ich habe jetzt endlich einmal ein Spannungsquelle, die den fliessenden
Strom aushält. Damit habe ich gleich einmal ein paar Tests gemacht.

Durch Zufall bin ich dann auf eine Artikel in einem alten Elrad
gestosse, wo diese ein Drehzahlsteuerung mit einem NE555 gemacht haben.
In der Originalschaltung wird ein BD439 verwendent, da ich den gerade
nicht zuhause habe und auch keinen kaufen möchte, habe ich mir gedacht,
dass es auch sicher möglich wäre einen MOSFET dafür zu benutzen. Zuerst
habe ich einfach nur den MOSFET(IRFP450) eingesetzt aber da dieser
ziemlich warm wird, wurde ich etwas stutzig. Ansich sollte es ja kein
Problem sein, denn der Transistor wird ja nur als Schalter verwendet.
Aber was ich übersehen hatte war ja die Gate-Kapazität, die ja mir
2600pF nicht gerade wenig ist.
Ist die Gate-Kapazität in Verbingung mit dem Widerstand R4
verantwortlich für die Erwärmung(da das abschalten sehr träge von
statten geht)? Oder ist es schlicht und einfach der Strom die Ursache?
Immerhin verbrattet der FET ca 0.9W.. aber kann durch diese 0.9W der
Fet brennend heiß werden?

Nunja.. jetzt hätte ich mir halt das ganze etwas anderst überlegt und
wollte euch fragen, ob das so funktionieren könnte wie im Schaltplan
den ich angehängt habe?

Ich danke für die Hilfe.

mfg Schoasch

Autor: Uwe (Gast)
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Hi!
Mit 1W kannst du problemlos ein TO220 zum abkochen bringen.
Zur PWM Freq.: Dein Motor dürfte eine recht hohe Ind. haben und der
nutzbare Strom geht bei hohen Freq. ordentlich runter.(Das Drehmoment
natürlich auch)Wenn dich ein brummender Motor nicht stört versuche mal
mit 100-300Hz PWM. Der Motor hängt dann besser am Tastverhältnis deiner
PWM und hat ein deutlich höheres Drehmoment in den kleinen Drehzahlen.

Viel Erfolg, Uwe

Autor: Schoasch (Gast)
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Die Frequenz liegt ca bei 60Hz.Man hört es auch schön brummen:-)

Naja.. es ist ja kein TO220 gehäuse sondern ein TO247AC Gehäuse... aber
selbst für das wird es zu viel sein.. Aber wieso das bei der
Originalschaltung nichts macht ist mir ein Rätsel.

Autor: Thomas O. (Gast)
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Ich habe ein Schweißgerät mit einer eigenen Steuerung ausgerüstet dort
war auch so ein Scheibenwischermotor mit Untersetzungsgetriebe, das
Ding läuft mit allen PWM Frequenzen(Hardware) die der AVR zur Verfügung
stellt ruhig, habe dazu nen IRF540 oder nen BUZ11 verwendet, das Ding
wird handwarm aber man braucht umbedingt ne hohe Gatespannung sonst
erwärmt er sich sehr stark. Ich habe da einfach mittels Widerstand und
Z-Diode gemacht und das ganze mit nem kleinen BC5XX aufs Gate gegeben.
Durch die starke Untersetzung hat das Ding in allen lagen genügend
Drehmoment.

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