Hallo,
ich möchte den Legomotor Powerfunctions XL (wahrscheinlich
Reihenschluss) mit einem Microcontroller ansteuern. Der Maximale Strom
für den Motor beträgt 1,8 A bei einer 9V Versorgungsspannung.
Die Elektronik soll folgende Eigenschaften besitzen:
Aus einem DA-Wandler (MCP4921) kommt eine Spannung zwischen 0 und ~3V.
Diese Spannung soll auf ein Signal zwischen 0 und 1,8 Ampere übersetzt
werden.
Um auch rückwärts fahren zu können (vorausgesetzt der Motor kann das),
wäre es nicht schlecht, das Signal zwischen +1,8 und -1,8 Ampere zu
verstärken. Wenn der Motor kurzzeitig beim Abbremesen im generatorischen
Betrieb läuft, sollte die Schaltung, aber auch nicht abrauchen. Das
könnte man bestimmt mit zwei parallel geschalteten, gegenläufigen Dioden
machen. Ich weiß aber nicht, welche Diode eine Durchbruchspannung von
über 9V liefert.
Ich denke, das Stichwort ist bestimmt stromgesteuerte Spannungsquelle.
Ich würde das gerne so ähnlich machen, wie im Bild (aus dem Link
rauskopiert), aber halt nur mit den o.g. Spezifikationen.
-+
|
9k
| +--o
+-----|+\ |
| | >-+-100R-|I PowerMOSFET auf KK
| +-|-/ Cx |
1k +------+--10k--+
| Shunt
-+------------------+--o
Beitrag "spannungsgesteuerte lastunabhängige Stromquelle"
Muss aber noch dazu sagen, dass ich blutiger Anfänger in Sachen
Schaltungen bin.
Meine Frage zu dem obigen Beispiel wären:
Wie lege ich die Schaltung auf mein Beispiel aus?
Gibt es noch eine bessere Lösung?
Wie funktioniert das genau mit dem Shunt Widerstand und dem Kondensator?
Warum wird hier ein Mosfet benutzt und kein Bipolartransistor?
Was für einen Sinn macht der OPV in Kombination mit dem Transisotr?
Warum nicht nur jeweils eins von beidem?
> Wie lege ich die Schaltung auf mein Beispiel aus?
Gar nicht.
Falsche Anwendung.
> Gibt es noch eine bessere Lösung?
PWM.
Motoren sind wie Spulen, die glätten den Strom von alleine.
> Um auch rückwärts fahren zu könnenL298 Motortreiber bis 2A (bei 12V wenn der Motor 9V darf).
Aber Achtung:
Es gilt nicht der Motorstrom bei Nennlast, sondern der
Motorstrocm wenn der Motor blockiert/anläuft.
Wenn der höher als 1.9A ist (und normalerweise ist der
5 mal höher), dann braucht man eine stärkere Vollbrücke.
BTS7741 von Pollin macht das recht gut, schafft 10A/9V.
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.25
hmmm, ja ich weiß, dass man es mit PWM auch machen könnte. Bestimmt ist
es auch sinnvoller. Aber ich würde es gerne analog machen, weil ich es
mal laut Theorie so gelernt habe. Also quasi um zu testen ob es auch so
geht.
@MaWin
Was genau funktioniert an der Schaltung für den Einsatz denn nicht?
Irgendwie muss das Problem doch schon gelöst worden sein, bevor es PWM
gab.
Laut Messungen auf dieser Seite http://www.coolbricks.com/motoren
beträgt die blockierte Stromaufnahme 1.9A. Sollte also ungefähr
hinkommen...
Stubbe schrieb:> Irgendwie muss das Problem doch schon gelöst worden sein, bevor es PWM> gab.
z.B. mit einem Regeltrafo, Gleichrichter und einem Umpolrelais/-schalter
>Aber ich würde es gerne analog machen, weil ich es>mal laut Theorie so gelernt habe.
Wo hast du gelernt, das man Motoren mit Konstantstromquellen betreibt???
>Wo hast du gelernt, das man Motoren mit Konstantstromquellen betreibt???
Macht man bei DC Motoren, wenn man sie vernünftig und schnell in der
Drehzahl regeln will. Kaskadenregler. Motor wird mit einem Stromregler
auf einen Stromwert geregelt. Man stellt damit quasi das Moment. Darüber
dann ein Drehzahlregler.
Ich vermute mal, dass ihr alle den konkreten Motor nicht kennt.
Der Motor verträgt 9V 2A über längere Zeiträume, ohne zu überhitzen.
Kurzzeitig kann er jedoch erheblich mehr Strom aufnehmen. Die
ansteuernde Schaltung sollte dementsprechend auch mehr Strom liefern
können.
Eine Schutzschaltung per Shunt ist überflüssig, weil der Motor bereits
einen thermischen Schutz enthält.
Je nach Anwendungsfall kann es allerdings sinnvoll sein, die Leistung
des Motors zu begrenzen, damit mechanische Teile außerhalb des Motors
nicht zerbrechen. Vor allem, wenn Du zusätzlich zum internen Getriebe
noch ein externes dran baust.
Für eine Drehzahlregelung brauchst Du etwas wesentlich komplexeres.
Weder die Spannung noch der Strom alleine bewirken eine bestimmte
Drahzahl. Dazu brauchst Du schon einen Sensor (z.B. ein gelochtes
Zahnrad + Lichtschranke) sowie einen Regler, der die Spannung (PWM)
moduliert.
Du brauchst schon fast 4,5 Volt, damit der (unbelastete) Motor überhaupt
anfängt, sich zu drehen. Danach dreht er sich aber recht schnell, dann
möchtst Du die Spannung vielleicht wieder reduzieren. Das macht ein
Regler, typischerweise ein PI oder PID Regler.
Jo, danke für die Antworten!
Einen Regler zu bauen, soll erst der nächste Schritt werden. Ich denke,
davon unabhängig sollte ich erstmal jetzt hier die Elektronik (ohne PWM,
sondern Analog) für die Ansteuerung umsetzen.
Eckdaten: Spannungversorgung ca. 9-12V, Vorwärts-/Rückwärtsfahren soll
möglich sein, Schutz gegen Selbstinduktion beim Abbremsen,
Der AD-Wandler Output beträgt 0 - 3V. Den Motor sollen in abh. der
Spannung +-1.8 A durchfließen.
Hat jemand einen Schaltungsvorschlag (also nicht PWM)?
Wie stellst Du Dir das ohne PWM vor?
Ein linearer Regler würde im Maximalfall 9V * mehrere Ampere verheizen.
Das willst Du nicht wirklich machen, oder?
PWM und analoge Steuerung widersprechen sich nicht. Mit einem simplen
Sägezahn-Generator + Komparator kannst Du aus einer analogen Spannung
ein PWM Signal erzeugen.
@ Stefan
Ich verstehe noch nicht, wo wirklich das Problem liegt. luppu meinte
doch, dass das geht.
Ist das Problem, dass die Batterie zu schnell leer geht?
Ist das Problem die Wärmeentwicklung?
Welcher Regler? Meinst du den Stromregler? Kann ich nicht meinen Strom
in abh. von einer Spannung nur Steuern? Also nicht regeln?
Auf http://www.coolbricks.com/motoren wurde der Motor PF XL
durchgemessen. Für einen Arbeitspunkt von 9V sind folgende Daten
gegeben:
Drehmoment: 14.5 N/cm²
Umdrehung: 146 U/min
Strom: 0.55 A
Mechnische Leistung: 2.21 W
Elektrische Leistung: 4.95 W
Wirkungsgrad: 45 %
In der blockierten Stromaufnahme unter 9 V:
Drehmoment: 40 N/cm²
Strom: 1.8 A
Oder meinst du, dass im blockierten Zusand theoretisch 9V*1,8A =
16,2Watt Wärme produziert werden?
Also am liebsten hätte ich ja immer noch gerne eine Schaltung für das
Problem :-)
> Oder meinst du, dass im blockierten Zusand> theoretisch 9V*1,8A = 16,2Watt Wärme produziert werden?
Ja, das meine ich. Bei einem PWM Regler wären die Verluste viel
geringer.
Fertige Schaltpläne für PWM fähige H-Brücken gibt's in diesem Forum
schon genug. Sowas kann man auch fertig als Chip kaufen. Einer für
maixmal 2A wurde ja schon genannt.
Ein Schaltungsvorschlag für eine lineare Regelung liegt mir nicht vor -
will ich auch gar nicht haben. Wer will schon einen Kühlkörper verbauen,
der größer ist, als die Batterien und der Motor?
Ach noch was: In blockiertem Zustand zieht der Motor mit Sicherheit mehr
Strom. Ich hab's noch nicht ausprobiert.
Ich rechne beim Entwerfen der Ansteuerung immer mit dem zehnfachen Strom
für wenige Sekunden. Manche Leute rechnen auch mit dem fünffachen.
Ok, wenn Du den Strom auf 2A begrenzt, kannst Du natürlich einen Regler
nehmen, der maximal 2A verträgt. Such Dir einfach einen fertigen Chip
aus:
https://www.google.de/search?q=motor+driver+h-bridge+with+current+limit&ie=utf-8&oe=utf-8&aq=t
Warum ist denn der Kühlungsbedarf bei einer PWM Lösung geringer?
ok, wie ich das jetzt verstehe, würde bei einem blockierten Moment, der
Stromregler versuchen, den Sollwert zu erreichen und dabei würde der
Strom extrem hoch werden. Weil der Stromregler innerhalb einer Kaskade
ist, würde der Drehzahlregler einen extrem hohen Strom als Sollwert
vorgeben. Ist das so gemeint?
Und wenn ich garkeinen Stromregler verbaue, sondern nur den Strom in
Abhängigkeit der Spannung steuere? Ohne Drehzahlregeler etc...
Also der Grund, warum ich nicht, PWM machen will, sondern so, ist, dass
ich bei meinem Projekt nen bisschen was über Elektrotechnik lernen
möchte. Deswegen möchte ich garnicht einen kompletten Bausatz kaufen,
sondern die einzelnen Komponenten selber zusammenbauen.
Wenn der Motor blockiert ist (oder beim Anlaufen) hat er einen sehr
geringen Innenwiderstand. Lass da 2 Ampere durchfließen, dann liegen
sicher nur wenige Volt an - es könnte durchaus weniger als 2 Volt sein.
Dann muss dein Regler 9V-2V*2A verheizen, also 14 Watt. Dafür brauchst
Du einen richtig großen Kühlkörper.
Ohne Strombegrenzung ist der Strom ausschließlich durch den Ohmschen
Widerstand der Motorwicklung begrenzt. Dann ist mit 5-10 mal mehr als
der Nennstrom (0,5A) zu rechnen, also 5-10A.
9V * 10A = 50 Watt! Dafür brauchst Du einen gewaltigen Kühlkörper.
PWM Regler kennen nur An und Aus. Im theoretischen idealfall fällt am
schaltenden Transistor gar keine Spannung ab, also auch keine
Verlustleistung. In der Praxis hat man natürlich immer Verluste. Die
können allerdings durchaus so gering ausfallen, dass gar kein Kühlkörper
nötig ist.
Ein Beispiel für den IRLN530N, ein durchschnittlicher MOSFET: Der hat
einen Innenwiderstand von ca 0,1 Ohm. 2A * 0,1 Ohm = 0,2 Watt. Und der
kann locker 1 Watt ohne Kühlkörper vertragen.
Es gibt auch MOSFETS mit viel geringerem Widerstand, zum Beispiel um
0,001 Ohm. Da wäre die Verlustleistugn entsprechend geringer:
http://www.renesas.com/products/discrete/pmosfet/peer/oring_mos.jsp
Wenn Du nun unbedingt bei der linearen regelung bleiben willst, dann
bleibe bei der Schaltung, die Du ganz oben selbst gepostet hast, aber
ohne Cx. Ich glaube, der stört nämlich.
Damit kannst Du aber die Dreh-Richtung nicht umschalten. Das müsstest Du
dann mit einem Relais machen. Oder Du nimmst statt deiner Schaltung
eine, die sowohl positive als auch negative Ausgangsspannung abgeben
kann. Ein TDA2030 wäre dazu gut geeignet, da hast Du den OP-Amp und die
Leistungstransistoren zusammen in einem Chip. Du müsstest dann zum
Rückwärts fahren eine negative Steuerspannung anlegen.
Wenn die Steuerspannugn unbedingt im Bereich 0-3V liegen muss, dann
benutze einen Subtrahierer (eine OP-Amp Grundschaltung), um daraus -1,5V
bis +1,5V zu machen.
Stubbe schrieb:> Warum ist denn der Kühlungsbedarf bei einer PWM Lösung geringer?
Ganz einfach ausgedrückt:
Idealerweise ist bei der PWM der Schalttransistor immer nur ein oder
ausgeschaltet, wobei sehr geringe Verluste entstehen. Deine gewünschte
Ausgangsspannung oder -strom entsteht durch das Verhältnis der Zeiten
eingeschaltet zu ausgeschaltet.
Ohne PWM (im Linearbetrieb) ist immer "halb" eingeschaltet, womit die
nicht benötigte Energie einfach in Wärme umgesetzt wird. Bei der PWM ist
in der Zeit einfach ausgeschaltet und sie muss die Energie somit nicht
sonst irgendwie loswerden.
Für eine PWM muss auch kein moderner, highend Chip verwendet werden, das
geht für einfache Anwendungen auch mit einem einfachen IC wie einem
NE555 Timer oder auch diskret, wenn man das möchte.
Gruß Kai
Um Verwirrungen zu vermeiden: PWM Regler verändern die Drehzahl des
Motors, indem sie die Spannung pulsweise an/aus schalten. Das Verhältnis
zwischen den Zeiten von An und Aus bestimmt die Drehzahl.
Hälfte an und hälfte aus bewirkt, dass der Motor sich in etwa so
verhält, als hättest Du ihm 4,5V gegeben.
Bei Pollin kriegst du für 50Cent einen H-Brückentreiber bis 2A.
Schau dir mal den B57928 an. Schutzdioden sind auch gleich drin.
Den kannst du direkt an den µC anschließen und ist sicher einen Versuch
wert.
MaWin schrieb:> L298 Motortreiber bis 2A (bei 12V wenn der Motor 9V darf).
Schafft doch in richtiger Beschaltung 4A?
Mit dem wärse der TE denke ich ganz gut beraten.
PS: Mit dem B57928 kriegst du direkt eine PWM hin. Aber eine PWM führt
beim Gleichstromer zu einer Drehmomentenregelung. Über diesen Umweg
natürlich auch zu einer Drehzahlregelung.
>Hälfte an und hälfte aus bewirkt, dass der Motor sich in etwa so>verhält, als hättest Du ihm 4,5V gegeben.
=> Nein, definitiv nicht. Du legst ja immer die volle Spannung an. Was
man da macht ist eine Drehmomentenregelung. Mit 50% Tastverhältnis
rufst du also (grob benähert) nur 50% des Drehmomentes ab.
Natürlich geht dann meist auch die Drehzahl runter, aber wenn du
etwas am DC-Motor per PWM regeln möchtest, dann nur über den Umweg
über den Drehmoment, aber eben keine direkte Drehzahlregelung.
Stubbe schrieb:> Meinst du den Stromregler? Kann ich nicht meinen Strom> in abh. von einer Spannung nur Steuern? Also nicht regeln?
Stromregler und PWM schliessen sich nicht gegeneinander aus. Man kann
auch einen geschalteten Stromregler bauen im gegensatzt zu deiner
analogen Stromquelle. Das ist gar nicht viel Aufwand. Die meisten
Schaltregler ICs arbeiten heute im Current Mode Betrieb, das ist nichts
anderes als das was du willst.
Nimm einen UC3842 Schaltregler ein bisschen Huehnerfutter und einen
Leistungsmosfet und fertig ist den geschalteter Stromregler mit
Spannungseingang. Dann hast du einen Spannungseingang der dir den
Motorstrom vorgibt, nur das jetzt die Energie nicht verheizt wird. An
diesem Spannungseingang schliesst du jetzt deinen Drehzahlregler an und
dann hast du deinen Drehzahlregler. Wenn du jetzt noch die
Ausgangsspannung deines Drehzahlreglers begrenzt kann auch beim
Hochlaufen des Motors keine riesige Stromaufnahme stattfinden.
