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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik H-Brücke Stromverlauf am DC Motor


Autor: Kay S. (darkmoon84)
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Hallo!

..nun will ich auch mal einen Beitrag verfassen.
Zur Ansteuerung eines Brushless-Motor verwende ich eine 
Vollbrückenschaltung. Da der Motor zur Positionsregelung in einem sehr 
kleinen Bereich eingesetzt wird, benutzte ich nur eine Wicklung, so dass 
sich der Motor wie ein DC-Motor verhält.
Ich habe nun die Schaltung in der Simulation aufgebaut und gebe eine 
sinusförmige Spannung auf den Motor. Als Brückentreiber setze ich den 
HIP4080 von Intersil ein. Durch die Induktivität im Motor sowie die 
Gegen-EMK kommt es nun zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und 
Spannung. Genau hier liegt mein Problem. Bei positiver Spannung und 
eigentlich negativem Strom ist dieser in der getakteten Endstufe gleich 
0 (siehe Anhang). Grün ist hierbei der Verlauf mit der linearen 
Endstufe, rot ist die H-Brücke. An dieser Stelle kommt es in der 
PWM-Spannung zu Überhöhungen. Ich habe gleichzeitig das Motormodel mit 
einer linearen Spannung simuliert, um den erwarteten Stromverlauf als 
Vergleich aufzuzeigen. Der Strom in der getakteten Endstufe wird erst 
negativ, wenn auch die angelegte Spannung negative wird. Ich takte bei 
der H-Brücke jeweils den High-Side-Transistor und schließe den Low-Side 
für die entsprechende Zeit. Ich würde den Stromverlauf nun wie im 
Anhang2 erwarten. Wenn T1 und T2 geschlossen sind, wird das Magnetfeld 
aufgebaut, beim Öffnen von T1 fließt der Strom weiter über D4. Bei einem 
negative Ankerstrom und weiterhin positiver Spannung fließt dieser dann 
schließlich über die Body-Diode von T1 ab. Wo liegt nun der Fehler?

Danke im Voraus!
Kay

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Hm.. Weiß nicht ob es daran liegt, aber hast du einen ordentlichen 
Kondensator als Zwischenkreiskapazität?

Autor: Kay S. (darkmoon84)
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Ja, da habe ich 100µF dafür vorgesehen. Aber in der Simulation sollte 
das kein Problem darstellen, denn da ist ne ideale Spannungsquelle drin.

Autor: dfdf (Gast)
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hast du an den aktiven oder passiven Freilauf an den 
Transistoren/Mosfets gedacht?

Autor: Kay S. (darkmoon84)
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Was meinst du mit aktiven oder passiven Freilauf? Die Freilaufdioden 
sind in den MOSFETs mit der Bodydiode integriert. Oder muss ich weitere 
Freilaufdioden in die Schaltung bringen. Die H-Brücke ist wie im Anhang 
aufgebaut.

Autor: Kay S. (darkmoon84)
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Was ich noch vergessen habe zu erwähnen: In der Gate-Source-Strecke sind 
jeweils Z-Dioden eingebracht um die evtl. Spannungsspitzen 
wegzuschneiden. Dazu liegt ein Widerstand parallel, der die Z-Diode vor 
zu großen Strömen schützt. Kann durch diese Dioden zu irgendwelchen 
Rückwirkungen kommen?
Weiterhin hatte ich auch schon extra Freilaufdioden parallel zu den 
MOSFETs. Das Ergebnis war aber unverändert.

Autor: yalu (Gast)
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> Durch die Induktivität im Motor sowie die Gegen-EMK kommt es nun zu
> einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.

Für Phasenverschiebung des Sinussignals ist fast ausschließlich die
gegen-EMK verantwortlich. Die Wicklunginduktivität ist zu klein , um
sich bei dieser niedrigen Frequenz bemerkbar zu machen. Bei der
wesentlich höheren PWM-Frequenz verhält es sich anders, aber darum geht
es in der Fragestellung ja nicht.

Die Gegen-EMK kann nie höher als die maximale von außen an den Motor
angelegte Spannung werden, solange diesem keine zusätzliche mechanische
Energie  zugeführt wird (bspw. durch einen zweiten Motor, der ihn
zusätzlich antreibt und damit seine Drehzahl erhöht).

Während der positiven Sinushalbwelle leitet T2, und T1 wird getaktet.
Ein negativer Motorstrom könnte höchstens über T2, die Substratdiode von
T1 und die Versorgungsspannungquelle fließen. Dazu müsste aber die
Gegen-EMK größer als die Versorgungsspannung sein, was nicht der Fall
sein kann. Also kann der Strom nicht unter 0 sinken.

Erst in der zweiten Halbwelle, wenn T4 leitet, kann ein negativer Strom
fließen, was rechts von dem Knick bei 5ms auch tatsächlich passiert.

Autor: Kay S. (darkmoon84)
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yalu schrieb:
> Während der positiven Sinushalbwelle leitet T2, und T1 wird getaktet.
> Ein negativer Motorstrom könnte höchstens über T2, die Substratdiode von
> T1 und die Versorgungsspannungquelle fließen. Dazu müsste aber die
> Gegen-EMK größer als die Versorgungsspannung sein, was nicht der Fall
> sein kann. Also kann der Strom nicht unter 0 sinken.

Das passiert in dem Fall, da ich ja eine sinusförmige Spannung anlege. 
Die Drehzahl des Motors steigt während der positiven Halbwelle an. Der 
Sinus steigt auf seine maximale Amplitude an und geht zurück auf Null 
bevor er negativ (wie halt so ein Sinus aussieht). Aufgrund der Trägheit 
dreht der Motor weiter und erzeugt somit weiterhin die Gegen-EMK, die 
dann kurzzeitig größer ist als die angelegte Spannung. Dieser Fall tritt 
auf, kurz bevor der Sinus seinen Nulldurchgang erreicht. Genau in diesem 
kurzen Zeitraum beträgt der Strom Null, obwohl er eigentlich negativ 
sein sollte. Ich würde dann wie beschrieben den Stromverlauf über die 
Body-Diode  von T1 erwarten.

Autor: yalu (Gast)
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> Ich würde dann wie beschrieben den Stromverlauf über die Body-Diode
> von T1 erwarten.

Eben nicht, weil sich dann die Versorgungsspannung der EMK
entgegenstemmt, und die Versorgungsspannung größer als die EMK ist.

Autor: Kay S. (darkmoon84)
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achso.... okay jetzt habe ich es verstanden.
Gibt es dafür ne Lösung? Das sollte ja eigentlich ein bekanntes Problem 
sein.

Autor: Markus F. (ergoshape)
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Hallo!
Ich habe ein ähnliches Problem mit einer MC33926-Vollbrücke aus dem 
Hause FREESCALE 
(http://www.freescale.com/files/analog/doc/data_she...). Sie 
wird mit zwei zueinander inversen PWM-Signalen angesprochen 
(edge-aligned), in der Nulllage sind die Duty-Cycles bei 50%, die 
PWM-Frequenz beträgt 20kHz. Die zu betreibende Last stellt in der Regel 
ein Linearaktor dar, jedoch habe ich um die Einflüsse durch 
Spulenbewegungen (EMK) ausschließen zu können eine fixierte Spule 
angeschlossen. Diese unbewegliche induktive Last lässt jedoch ebenfalls 
keinen "sauberen" Stromverlauf zu, sodass ich mich nun gezwungen sehe, 
hier um Hilfe zu bitten. In der Grafik sind die mit einem Speicheroszi 
aufgenommenen sinusförmigen Verläufe der TP-gefilterten PWM-Signale 
sowie der Stromverlauf bei ca. 35Hz dargestellt. Aufgrund der 
TP-Filterung liegt der Strom natürlich etwas phasenverschoben zu den 
PWM-Signalen. Die TP-Grenzfrequenz wurde allerdings schon so hoch wie 
möglich (17kHz) gewählt, damit die Verschiebung gering ausfällt.

Wie kommen die "Knicke" im Stromverlauf zustande? Hat jemand eine Idee?

Vielen Dank schon im Voraus!
Gruß!

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