Motoransteuerung mit PWM

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Allgemeines

Bei der Dimensionierung der Strombelastbarkeit der Bauteile muss man vor allem 2 Werte betrachten:

  • Stromaufnahme des Motors im normalen Betrieb (also mit der Last)
  • Stromaufnahme bei blockiertem Motor, bzw. Anlaufstrom. Hier wird der Strom nur durch den ohmschen Widerstand im Stromkreis begrenzt, er kann also je nach Motor schnell den 2-3 stelligen Amperebereich erreichen.

Die übliche Dimensionierung richtet sich vor allem nach dem ersten Wert und plant entsprechende Reserven ein (für ein paar Sekunden Faktor 2-5 des Stromes), da der zweite Wert in der Praxis aus Kostengründen meist nur schwer realisierbar und unnötig ist. Daher umgeht man das Problem entweder über eine schnelle Strombegrenzung oder über einen Sanftanlauf indem man die PWM langsam hoch fährt. Dadurch wird der maximale Strom auf einen deutlich niedrigeren Wert begrenzt, so dass die Bauteile schwächer und kostengünstiger ausfallen können.

Die Spannung am Motor und somit näherungsweise die Leerlaufdrehzahl ist proportional zu dem Tastverhältnis:

[math]\displaystyle{ \text{Motorspannung} = \text{Betriebsspannung} \cdot \mathrm{Tastverh\ddot{a}ltnis} }[/math]

Schaltungsvarianten

Mosfet mit Freilaufdiode, 1-Quadrantensteller

1-Quadrantensteller

Die einfachste Schaltung besteht nur aus Transistor T1, dem Motor, der Freilaufdiode D1, dem Kondensator C1, sowie der eigentlichen PWM-Erzeugung und dem Mosfettreiber.

In der Einschaltphase von T1 liegt am Motor die gesamte Betriebsspannung an. Die Differenz zwischen der vom sich drehenden Motor erzeugten Generatorspannung und der Betriebsspannung fällt am Wicklungswiderstand sowie der Wicklungsinduktivität ab. Man hat es also mit einer RL Reihenschaltung zu tun. Da der Wicklungswiderstand recht klein ist, steigt der Strom näherungsweise linear an, bis T1 abschaltet. Dann übernimmt D1 den Stromfluss und schließt den Stromkreis solange, bis T1 den Strom wieder übernimmt (oder der Strom abgeklungen ist = lückender Betrieb). Obwohl keine Energie mehr von außen zugeführt wird, wird der Motor weiterhin durch die in der Wicklung gespeicherten Energie versorgt. Der Strom fällt nun wieder linear ab, bis T1 wieder durchsteuert und wieder Energie zuführt.

Der Strom durch die Diode D1 ist von der Amplitude her genauso groß wie der Strom durch T1, je nach Tastverhältnis ist der Effektivwert aber kleiner als der durch T1 (bei über 50% Tastverhältnis), gleich (bei 50% Tastverhältnis) oder sogar größer (bei einem Tastverhältnis kleiner 50%). Daher muss die Diode genauso stark dimensioniert werden wie der Transistor (möglichst eine schnelle Schaltdiode (z.B. Schottky) verwenden, keine langsamen Gleichrichterdioden wie 1N400x). Der Kondensator C1 ist notwendig, um den durch die PWM gepulsten Strom zu glätten, da aufgrund der steilen Flanken ansonsten in den Zuleitungen ein Spannungsabfall bzw. Spannungsspitzen auftreten würden (am besten 2 oder mehrere Kondensatoren unterschiedlicher Kapazität und Bauart verwenden, meistens ein Folienkondensator mit einigen Mikrofarad parallel zu einem Aluminiumelektrolytkondensator).

Der Transistor, die Diode und der Kondensator sollen möglichst nahe zusammen plaziert werden (kürzeste Verbindungen). Wenn die Diode am Motor angebracht wird, strahlt die Zuleitung massiv Störungen ab. Die Leitungen sollten am besten verdrillt werden.

Synchrongleichrichtung, 2-Quadrantensteller

2-Quadrantensteller

Um die Verluste in der Freilaufdiode zu verringern kann man diese durch einen zweiten Mosfet ersetzen, der immer dann eingeschaltet wird, wenn der andere abgeschaltet ist.

Da dieser Mosfet im Gegensatz zu einer Diode in beide Richtungen Strom leitet, ist es damit möglich den Motor kurzzuschließen und so den Motor zu bremsen. Allgemein kann man sagen: Ist die durch die PWM erzeugte mittlere Spannung größer als die Generatorspannung des Motors, wird dieser beschleunigt. Ist die Spannung kleiner, wird der Motor abgebremst. Durch T2 wird der Motor dabei kurzgeschlossen, so dass sich durch die Generatorspannung zunächst der Strom in der Motorwicklung ab- und dann in umgekehrter Richtung wieder aufbaut. Beim Abschalten von T2 und Einschalten von T1 fließt dieser Strom über T1 in C1 und somit die Spannungsquelle zurück. Die Energie wird beim Bremsen also nicht vernichtet, sondern wieder in elektrische Energie zurückverwandelt. Dies sollte man bedenken wenn man eine große Masse abbremst, denn die Spannungsquelle muss die Energie aufnehmen können. Sollte die Spannungsquelle z. B. aus einem Transformator mit Gleichrichter bestehen, kann dieser die Energie nicht aufnehmen sondern nur C1, was dazu führt, dass die Betriebsspannung ansteigt bis eventuell einer der Transistoren zerstört wird. Um dies zu verhindern ist eine Überspannungsbegrenzung in Form eines Bremswiderstands vorzusehen (Bremschopper). In einfachen Fällen reicht auch eine Leistung-Z-Diode oder ein passende Nachbildung aus Z-Diode und Leistungstransistor. Besteht die Spannungsquelle z. B. aus einem Akku dann nimmt dieser die Energie auf und wird beim Bremsen wieder etwas geladen. Dies funktioniert allerdings nur, wenn das Tastverhältnis nicht 0% beträgt, also T2 und T1 abwechselnd schalten, so dass nicht die gesamte Energie in der Motorwicklung sowie T2 verheizt wird. Man sollte es daher vermeiden das Tastverhältnis schnell in eine der beiden Richtungen zu ändern, da dies zu einem hohen Strom führt.

Die Ansteuerschaltung muss weiterhin verhindern, dass T1 und T2 gleichzeitig leitend werden können, denn dies würde zu einem Kurzschluss der Betriebsspannung führen. Ein fertig aufgebauter Mosfet-Treiber verhindert dies.

H-Brücke, 4-Quadrantensteller

4-Quadrantensteller

Die H-Brücke, bzw. der 4-Quadrantensteller ist eine Erweiterung des 2-Quadrantenstellers durch eine zweite Halbbrücke. Diese ermöglicht neben dem Beschleunigen und Bremsen des Motors auch eine Umkehr der Drehrichtung. Dafür gibt es mehrere Ansteuerverfahren

  1. Das effizienteste ist, eine Hälfte wie beim 2-Quadrantensteller zu betreiben und mit der anderen den zweiten Motoranschluss an die Betriebsspannung zu legen. Für die andere Drehrichtung wechselt man einfach die Hälften, legt also den anderen Anschluss an die Betriebsspannung und verwendet die andere Hälfte als 2-Quadrantensteller.
  2. Das andere Verfahren steuert abwechselnd T1 und T4 oder T2 und T3 durch, legt also immer eine Spannung an den Motor. Ist das Tastverhältnis 50% fließt im Mittel ein Strom von 0A, da der Motor für jeweils die Hälfte der Zeit eine positive und eine negative Spannung erhält, der Motor steht also. Je nachdem ob man das Tastverhältnis darüber oder darunter wählt, legt man die Drehrichtung fest. Dieses Verfahren ist Ansteuertechnisch einfacher, erzeugt aber auch im Stillstand Schaltverluste in den Transistoren und Verluste im Motor.

Zusammenfassung der Eigenschaften

1 Quadrantensteller

  • Drehzahlvorgabe in eine Richtung

2 Quadrantensteller

  • Drehzahlvorgabe in eine Richtung
  • Aktives Bremsen möglich
  • Energierückspeisung vom Motor in die Stromversorgung möglich (engl. recuperation)
  • etwas geringere Verluste als 1 Quadrantensteller

4 Quadrantensteller

  • Drehzahlvorgabe in zwei Richtungen
  • Aktives Bremsen in zwei Richtungen möglich
  • Energierückspeisung vom Motor in die Stromversorgung möglich (engl. recuperation)
  • etwa doppelt so große Verluste wie 2 Quadrantensteller

Beispielschaltungen

1-Quadrantensteller mit diskretem Mosfettreiber

Einfacher 1-Quadrantensteller

Diese Schaltung eignet sich für Motoren bis etwa 35V und 10A Dauerstrom. Q1 und Q2 zusammen mit deren Beschaltung dienen als Pegelwandler von 3,3 oder 5V Digitalsignalen auf 12V für das Mosfet Gate. Die Schaltung arbeitet dabei invertierend, der Mosfet schaltet also bei einem Low am Eingang ein. Sperrt Q1, wird Q2 über R1 durchgesteuert und liefert etwa 11-11,5V ans Gate des Mosfets. R2 begrenzt dabei den Strom. Das Abschalten des Mosfets geschieht über den Pfad Q1 und D1. Gleichzeitig wird Q2 die Basisspannung weggenommen, so dass dieser sperrt. D2 zwischen Basis und Kollektor von Q1 verhindert, dass dieser in die Sättigung kommt, so dass dieser nahezu verzögerungsfrei sperrt, sobald der Eingang auf Low wechselt. Ab ein paar Ampere benötigt die Freilaufdiode D3 einen kleinen Kühlkörper, ebenso Q3. Sollte die Betriebsspannung V+ des Motors bei etwa 10-16V liegen, dann kann diese Spannung auch für die Mosfetansteuerung verwendet werden. Ansonsten sollte dafür eine getrennte Spannung mit etwa 12-15V verwendet werden.

1-Quadrantensteller mit diskretem Highside-Mosfettreiber

Einfacher 1-Quadrantensteller mit P-Kanal Mosfet

Diese Schaltung eignet sich für Motoren mit etwa 15-40V Betriebsspannung und mit bis zu 10A Dauerstrom. Schaltungen mit P-Kanal Mosfets sollte man wenn möglich vermeiden, da N-Kanal Mosfets prinzipbedingt um Faktor 3 bessere Werte aufweisen als P-Kanal Mosfets. Allerdings wird manchmal ein auf Masse bezogener Ausgang gefordert, dann ist diese Schaltung hier die richtige. Das Problem bei der Highsideansteuerung ist, dass man die Gate-Sourcespannung irgendwie auf max. 20V begrenzen muss, was hier durch eine zusätzliche Hilfsspannung von 12V wie bei der vorigen Schaltung, nicht so einfach geht. Daher wird hier ein anderer Weg eingeschlagen. Q1 und R2 bilden eine Konstantstromquelle. Dadurch, dass an der Basis eine feste Logikspannung ansteht, steuert Q1 so stark durch, bis er sich durch den Spannungsabfall an R2 selbst die Basisspannung reduziert. Der fließende Strom beträgt dabei (Logikpegel am Eingang - 0,6V Basis-Emitterspannung)/R2. Ein guter Wert für den Strom sind etwa 10-15mA. Bei der Dimensionierung sollte man auch die Verlustleistung beachten: 40V * 15mA = 0,6W. Dies ist für einen Transistor im TO92 Gehäuse deutlich zu viel. Dadurch, dass Q1 im Linearbetrieb arbeitet, kommt er nicht in die Sättigung, und es kann auf die Diode wie in der vorherigen Schaltung verzichtet werden. Ebenso ist ein Basiswiderstand unnötig bzw. sogar hier fehl am Platz. Da nun bekannt ist, dass im durchgesteuerten Zustand von Q1 bei 5V Logikspannung (5V-0,6V)/330Ω= 13,3mA fließen, kann man damit den Spannungsabfall an R1 berechnen, bzw. aus der gewünschten Spannung R1: U(R1)=13,3mA*1kOhm=13,3V. Im eingeschalteten Zustand ist die Spannung am Kollektor von Q1 also um 13,3V negativer als V+ und das unabhängig von der Betriebsspannung! Da diese Spannung durch die als Emitterfolger geschalteten Transistor Q2 und Q3 gepuffert auch an das Gate des Mosfets gelegt werden, bekommt dieser also rund 13V Gatespannung im eingeschalteten Zustand. Dies passt gut, denn für die meisten Mosfets sollte man einen Wert zwischen 10 und 15V verwenden. Durch den Spannungsteiler aus R1 und R2 ergibt sich allerdings auch eine untere Grenze der Betriebsspannung, damit die Schaltung sauber funktioniert: Um die 13,3V über R1 zu erhalten, bzw. die 4,4V über R2 sind mindestens 17,7V für V+ notwendig.

2-Quadrantensteller mit Halbbrücken Mosfettreiber

Einfacher 2-Quadrantensteller

Diese Schaltung eignet sich für Motoren bis etwa 35V und 20A Dauerstrom. Um den Aufwand zu minimieren wird für die Halbbrücke ein fertiger Halbbrückentreiber IR2184 verwendet. Dieser besitzt eine integrierte Totzeit (engl. dead time) von 500ns zwischen dem Umschalten der Mosfets, so dass ein gleichzeitiges Einschalten beider Mosfets ausgeschlossen ist. Da der Mosfet gegen V+ angeschlossen ist, arbeitet auch diese Schaltung invertierend. Der Grund, warum der Motor nicht gegenüber GND angeschlossen ist, ist folgender: Für die Ansteuerung des Highside Mosfets Q2 ist eine Spannung von etwa 10V mehr als die Betriebsspannung V+ notwendig. Diese wird über die Bootstrapschaltung aus C2 und D1 erzeugt. Ist Q1 durchgesteuert, läd sich C2 über D1 auf. Schaltet anschließend Q1 ab und Q2 ein, wird dessen Ansteuerspannung aus C2 entnommen. Da Q2 nun VS mit V+ verbindet, steigt auch das Potential an C2 an. An dem VB Pin stehen nun etwa V+ + 12V-0,7V (12V Betriebsspannung-Flusspannung von D1) an. Aufgrund von Leckströmen, entläd sich C2 allerdings innerhalb einiger Millisekunden. Daher ist die maximale Einschaltdauer von Q2 begrenzt. 100% Einschaltdauer wären daher nicht möglich. Um dieses Problem zu umgehen ist der Motor gegen V+ geschaltet, so dass für 100% Einschaltdauer Q1 eingeschaltet werden muss, was kein Problem ist, denn dessen Treiber wird direkt auf den 12V versorgt. Ist Q1 dagegen dauerhaft aus, Q2 also an, bremst der Motor, bzw. er steht, so dass kein Strom durch die Mosfets fließt. Daher ist es auch nicht weiter schlimm, wenn Q2 nach einer kurzen Zeit wieder abschaltet. Das einzige was nicht möglich ist, ist ein dauerhaftes Bremsen des Motors mittels Q2, aber dies wird in der Praxis auch nur in den seltensten Fällen benötigt. Über den IN Pin, wird das invertierte PWM Signal mit Logikpegeln eingespeist. Über den SD\ Pin, lassen sich beide Mosfets gemeinsam abschalten. Damit ist ein ungebremstes Auslaufen lassen des Motors möglich (Freilauf). Ab etwa 5Ampere benötigen die Mosfets einen kleinen Kühlkörper.

Wahl der PWM-Frequenz

Bei der Wahl der PWM Frequenz muss man mehrere Faktoren berücksichtigen und einen Kompromiss eingehen:

  • Die Motorinduktivität L glättet den Strom, der Wicklungswiderstand R führt zu einem Abfallen des Stromes, daraus ergibt sich die elektrische Zeitkonstante des Motors [math]\displaystyle{ t=\frac{L}{R} }[/math]. Bei vielen Motoren liegt diese um 1ms. Bei hochwertigen Motoren sollte diese Angabe im Datenblatt zu finden sein. Um den Stromripple gering, also das Drehmoment konstant zu halten, sollte die Periodendauer der PWM diese Zeit nicht überschreiten. Vor allem im 2 bzw. 4-Quadratentebetrieb ist dies wichtig, denn dort kann der Strom auch seine Richtung ändern, was zu einem Abbremsen, somit zu einem deutlichen Ruckeln und zu Vibrationen des Motors und zu unnötigen Verlusten führt.
  • Frequenzen zwischen 100Hz und 10kHz erzeugen hörbare Pfeifgeräusche im Motor
  • Mit zunehmender Frequenz steigen die Schaltverluste in den Transistoren sowie die Verluste in der Ankerwicklung sowie in deren Kern.
  • Einfache Gleichstrommotoren (Bürstenmotoren) mit eingebauten Entstörkondensatoren können nur mit relativ niedrigen PWM-Frequenzen von ca. 30-200 Hz betrieben werden. Bei höheren Frequenzen kommt es zu starken Schaltverlusten durch das Umladen der Entstörkondensatoren, wie man in diesem Beitrag sehen kann.

Ideale Frequenz

Die aus elektrischer Sicht ideale PWM Frequenz liegt für kleine Motoren daher meist bei 1-2kHz. Allerdings ist dies genau der Bereich, in dem das Gehör am empfindlichsten ist. Wenn das Pfeifen des Motors nicht stört, ist dies also der ideale Bereich. Da die untere Frequenz durch die elektrische Zeitkonstante des Motors begrenzt ist, kann man nur nach oben ausweichen. Ein Kompromiss ist daher der Bereich 5-15kHz in dem das Gehör deutlich unempfindlicher ist und sich die Verluste dennoch in Grenzen halten. Verwendet man die einfache Schaltung mit der Freilaufdiode und legt keinen Wert auf einen runden Lauf, bzw. hat eine hohe Masse am Motor, so dass dieser träge ist, dann kann man als Alternative zu den >5kHz die PWM Frequenz auch bis auf 200Hz reduzieren um das Geräusch erträglicher zu machen. Allerdings reduziert sich dann der Wirkungsgrad aufgrund des hohen Stromripples. Bei Hochstromanwendungen sind sonders die Umschaltverluste ein zusätzliches Problem.

Sehr kleine Stellmotoren für z.B. Quetschventile werden mit Schaltfrequenzen jenseits der 100kHz angesteuert.

Siehe auch

Links

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