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.