Motor Ansteuerung mit Belastungskompensation

Diese Schaltung ist nicht unbedingt praxistauglich, daher habe ich sie auch unter Grundlagen eingeordnet.
Mit dieser Schaltung wird die Drehzahl eines Gleichstrommotors auch unter Last gleich gehalten, ohne dass am Motor ein Drehzahlsensor angebracht werden muss.

 

Ein Motor wird in der Theorie aus einer Reihenschaltung von dem eigentlichen Motor und den Wicklungswiderständen in Reihe beschrieben.
Die Drehzahl eines idealen Motors ist damit direkt proportional der Betriebsspannung, und vollkommen unabhängig von der Belastung.
Die Stromaufnahme ist direkt proportional der Belastung.
Fügt man jetzt noch den Widerstand hinzu, dann kann man einen realen Motor ausreichend genau beschreiben. Umgekehrt heißt das auch, dass man einen idealen Motor erzeugen könnte, wenn man die Wicklungswiderstände wegbekommen würde.
Aber leider geht das nicht so einfach, es sei denn man verwendet einen Supraleitenden Motor.
In der Theorie kann man einen Widerstand wegbekommen, wenn man einen gleichgroßen Widerstand mit umgekehrtem Vorzeichen in Reihe schaltet. Genau das macht diese Schaltung:

Die Schaltung besteht aus drei Verstärkern, von denen zwei die Steuersignale verstärken. Der dritte Verstärker ist eine Audioendstufe, die als Leistungsverstärker arbeitet und den Motor ansteuert.

Betrachtet man nur IC2A, dann stellt die Schaltung einen reinen Verstärker da: Die Eingangsspannung erscheint mit dem Faktor 5,7*0,5 verstärkt am Ausgang. So lässt sich mit 0-5V die Ausgangsspannung von 0-14V einstellen.

Der zweite Teil der Schaltung rund um IC2B misst den Motorstrom, wandelt diesen Wert in eine Spannung um und verstärkt diese. Diese Spannung wird nun zum Sollwert vom ersten Schaltungsteil hinzuaddiert.
Was das ganze bewirkt ist einfach: Steigt die Stromaufnahme des Motors aufgrund einer steigenden Belastung, fällt auch eine höhere Spannung am Wicklungswiderstand im Motor ab. Und genau diese Spannung wird der Motorbetriebsspannung wieder hinzugefügt: Die Spannung am eigentlichen (idealen) Motor bleibt somit gleich.

Der maximale kompensierbare Widerstand wird durch die Verstärkung begrenzt. Der maximale Verstärkungsfaktor der Schaltung beträgt:
0,9 x 48 x 0,5 x 5,7 = 123
123 x 0,25Ohm = 30,75Ohm

Wie bei allen Schaltungen, die eine Rückkopplung besitzen, kann auch diese Schaltung instabil werden und anfangen zu schwingen.
Dies passiert genau dann, wenn der Widerstand überkompensiert wird, der gesamte Widerstand in der Schaltung also negativ wird. Da der Motor und dessen Last, Trägheit usw. sich wie ein LC-Kreis verhalten beginnt dann alles zu schwingen.

Daher lässt sicht in der Praxis nicht der gesamte Widerstand kompensieren, aben selbst wenn man nur die Hälfte kompensiert, bringt das immerhin eine Verbesserung.

Da der Motor keine gleichmäßige Stromaufnahme hat, sondern aufgrund der Kommutierung ziemliche viele Spitzen verursacht, werden diese mit R3 und C1/C3 geglättet. Bei niedrigen Drehzahlen funktioniert das nicht ganz so gut, weshalb die Schaltung als erstes bei niedrigen Drehzahlen instabil wird.

 

 

 

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