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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik optimale PWM Frequenz für Motorsteuerung


Autor: Philipp (Gast)
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Hallo,

ich möchte den Lüftermotor (also von der Innenraumlüftung) bei PWM
ansstuern. Habe nun Testweise einen PC Netzteil Lüfter an der Schaltung
und steuere in mit ca 20Hz an. Das funktioniert sehr gut und ich merke
am Motor keinen Einfluß der PWM. Was ist denn eine vernünftige PWM
Frequnez für so einen Motor? Ich möchte ungern den Lüftermotor im Auto
beschädigen. Woran sollte man sich da orientieren, so das der Motor
keinen Schaden nimmt und auch keine störenden Geräusche verursacht?

Vielen Dank
und schönes WE Philipp

Autor: Kai Riek (kairiek)
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Wie du merkst keinen Einfluß der PWM? Lässt sich der Lüfter in der
Geschwindigkeit änder oder nicht?

Ich habe erst kürzlich eine PC Lüftersteuerung fertiggestellt. PWM
Frequenz ca. 1,3 kHz. Pfeift halt ein bisschen aber da arbeite ich noch
dran.

MFG

Kai

Autor: Philipp (Gast)
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Ich meinte das ich nicht merkte das der irgendwie brummt oder zuckt oder
sonstwas. Kann den wunderbar steuern. Weiß halt nur nicht ob das
schlecht für den Motor ist mit nur ca. 20Hz.

Und habe im moment halt auf dem Schreibtisch einen PC Lüfter dran und
noch nicht den aus dem Auto.

Gruß Philipp

Autor: Reiner (Gast)
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Hallo,

20Hz geht auf die Lager.  Ich habe einen Pumpenmotor (12V/6A) seit
Jahren an einer PWM mit 20Khz laufen.

Es gibt von Philips einige Application Notes
http://www.semiconductors.philips.com/acrobat_down...
http://www.semiconductors.philips.com/acrobat_down...
wo das alles sehr schön beschrieben ist

Reiner

Autor: peter dannegger (Gast)
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@Reiner

"20Hz geht auf die Lager."


Kannst Du dieses Gefühl irgendwie begründen ?

Kann doch nur sein, wenn 20Hz zufällig die Resonanzfrequenz der Lager
wäre, das muß man dann aber auch deutlich hören oder fühlen
(Vibrationen).


Es gibt im Prinzip die 2 Möglichkeiten: Infraschall (<50Hz) oder
Ultraschall (>16kHz).

1,3kHz ist aber genau im Bereich der höchsten Ohrempfindlichkeit,
sollte man also definitv meiden.

Bei hohen Frequenzen kann es zu Schaltverlusten und zu
Wirbelstromverlusten kommen und zu Störungen im Radio, daher würde ich
auch die Infraschallvariante bevorzugen.


Peter

Autor: Philipp (Gast)
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Habs jetzt mal auf 16,8KHz umgestellt. Aber wenn 20Hz nicht auf den
Motor geht ist mir das irgendwie sympatischer. Dann löst das lange
nicht soviele Interrupts aus und das laden des FETs usw sollte auch
besser klappen.

Vielen Dank
Gruß Philipp

Autor: Kai Riek (kairiek)
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@Peter:
So genau habe ich mich über die Frequenz nicht informiert. Die 1,3kHz
sind "eher zufällig" zustande gekommen, da ich mir ne SW PWM
programmiert habe. Da sollte ich dann doch lieber ne niedrigere
Frequenz wählen. Wenn da bis zu vier Lüfter im PC rumpfeifen ist das
halt schon nervig.

MFG

Kai

Autor: SuperUser (Gast)
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> Dann löst das lange nicht soviele Interrupts aus

Das hängt vom µC ab. Beim AVR brauchst du überhaupt keine Software um
das PWM Signal am leben zu halten. Z.B. hier für den Timer 2 im
Atmega128:

  PORTB &= ~_BV(PB7);  // clear port before enable
  DDRB |= _BV(PB7);  // will be used for OC2, must be output
  TCCR2 = _BV(WGM21) | _BV(WGM20) | _BV(COM21) | _BV(CS20);
  TCNT2=0x00;  // start counter from zero
  OCR2=120;   // this is the pulse-width

Der Wert von OCR2 bestimmte jetzt die Pulse-Weite. Wenn du die
Pulse-Weite ändern willst, kannst du das jederzeit machen, indem du
OCR2 einen neuen Wert zuweist. In der Zwischenzeit wird das PWM Signal
per Hardware automatisch erzeugt...

Grüße
 SU

Autor: Philipp (Gast)
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Ja danke Superuser. Aber das konnte ich so nicht machen, weil die PINs
an denen das PWM Signal rauskommt bei mir schon anderweitig verwendet
sind. Ich schalte deshalb beim TimerOverflow Int "meinen" PWM Pin ein
und bei Compare wieder aus. So kann ich genauso ins OCR reinschreiben um
das Tastverhältnis zu ändern. Hab allerdings die beiden Interrupts drin
(wenn auch kaum was drin ist).

Gruß Philipp

Autor: Kai Riek (kairiek)
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Habe meine PWM gerade auf die halbe Frequenz herunter gedreht (jetzt
noch ca. 500Hz+). Viiieeeel besser und leider. Dank an Peter für den
Hinweis.

MFG

Kai

Autor: thkais (Gast)
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Ich habe schon die Erfahrung gemacht, dass so mancher Motor bei hohen
Frequenzen Drehmoment verliert, das sind die besagten Verluste. Je nach
Motor arbeite ich mit max. 200 Hz.

Autor: Profi (Gast)
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Ja aber Moment mal: ein PC-Lüfter ist ein BLDC (Brushless DC, d.h mit
elektronischer Kommutierung) und im Auto ist vermutlich ein Motor mit
Brushes (Kohlen) drin, die verhalten sich völlig unterschiedlich (z.B.
Drehrichtung nur beim echten DC-Motor umkehrbar).
Ersteren würde ich mit ca.20 Hz betreiben (obwohl er nicht dafür
vorgesehen ist), letzteren mit 18-20 kHz.

Durch die hohe Frequenz und die Induktivität des Motors entsteht ein
(fast reiner) Gleichstrom, der den Motor schön ruhig laufen läßt.
Am besten eine Schottky-Diode direkt antiparallel am Motor anbringen,
damit der Strom einen kurzen Weg beim Rezirkulieren hat
(geht nur bei Betrieb in eine Richtung).
Auf der Fet-Seite am besten noch eine Diode (zum Schutz vor der
Induktionsspannung des Kabels und der Drossel) und eine Drossel, damit
auf dem Kabel weiche Schaltflanken anliegen.
Paarweise verdrillte Kabel vermindern die Störausstrahlung ebenfalls.

Evtl. kann es sein, dass bei einer niedrigeren Frequenz (ca. 100-1000
Hz) das Anlaufverhalten besser ist, aber dann hört man ihn leise
quietschen (dies wird durch den Current-Ripple (Welligkeit des
Stroms)erzeugt).

Happy chopping!

Autor: Philipp (Gast)
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So habe es gerade mal im Auto mit ca. 60Hz getestet. Bei wenig
ansteuerung brummt es natürlich stark. Den Bereich werd ich dann später
nicht benutzen. Ich werde es im Auto dann auch nochmal mit knapp 17KHz
testen (18KHz schaffe ich ohne ändern der CPU Frequenz leider nicht).
An den Kabeln im Auto wollte ich möglichst nix ändern. Vorher war es
halt über 3 Widerstände zu 4 Stufen verschaltet. Ich gehe jetzt einfach
an den Stecker an dem vorher der Schalter war, so das einfach wieder zum
Schalter zurück wechseln könnte. Drossel kann ich ja aber trotzdem noch
reinmachen und die Diode zum FET. Die Shottky wird schwierig (wollte
nicht alles komplett zerlegen, der Motor ist nicht leicht zugänglich).

Vielen Dank schonmal, es scheint wirklich ganz gut zu funktionieren :)
Schönes Wochende Gruß Philipp

Autor: thkais (Gast)
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@profi: Wenn ich meine Modellmotoren (ca. 9V, ca. 0,5A, mit Kollektor)
mit 10-20 kHz ansteuere, tut sich mal so gut wie nichts. Das Drehmoment
ist so niedrig, dass man es nicht Drehmoment nennen kann. Unter 90%
läuft unter Last nichts an. Gehe ich mit der Frequenz runter, klappts
bestens. Soviel zum Unterschied zwischen Theorie und Praxis.

Autor: peter dannegger (Gast)
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"Soviel zum Unterschied zwischen Theorie und Praxis."

Nö, das entspricht voll meiner Theorie, Du hast dann warscheinlich zu
hohe Wirbelstromverluste.

Die meisten Motoren sind träge genug, daß sie PWM im 20..100Hz-Bereich
gut wegfiltern.

Also ruhig erst mal mit kleiner Frequenz probieren.


Peter

Autor: Profi (Gast)
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Wenn der Motor akustisch eh weiter weg liegt, kannst du es auch mal im
Bereich 1 - 10 kHz probieren, je höher die Frequenz, umso leiser das
Geräusch (da der StromRipple abnimmt) und umso höher sind die Schalt-
und Eisenverluste (Eddy Wirbelstrom läßt grüßen).

Wenn Du nicht an den Motor rankannst, dann Diode am Stecker anbringen,
ist aber nur eine nichtnotwendige Optimierung.

Wenn Du willst, kannst Du 2 Dioden (ebenfalls Schottky) am Fet
spendieren: eine nach Gnd und eine nach 12V (wichtiger).
Kennt jemand zwei Leistungs_Schottkys in Reihe in _einem Gehäuse?

übrigens:
Walter Schottky stammt aus der Schweiz und wird mit Sch geschrieben
.-)
http://de.wikipedia.org/wiki/Walter_Schottky

Autor: Profi (Gast)
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@thkais:
Das wundert mich.
Der effektive Strom hängt schon ein wenig von der Induktivität des
Motors ab, aber ich vermute mal eher, der FET schaltet nicht richtig
durch.
Hast Du die Spannung am Motor mal oszillographiert?
Sollte ein scharfer Rechteck sein, genauso wie die Spannung am
PWM-Ausgang, nur invertiert. Wenn die Flanken verschliffen sind
(und/oder der Fet warm wird), musst Du den Fet besser (niederohmiger,
steiler, mehr Gate-Spannung) ansteuern.
Dafür gibt es nicht um sonst spezielle ICs (IR211x, HIP408x,...).

Und wie gesagt: die Freilauf-Schottky ist essentiell, sie bewirkt, dass
der Strom (aufgrund der in der Spule gespeicherten Energie) während der
FET-Aus-Zeit weiterfließt (und Drehmoment erzeugt).

Sonst würden doch die ganzen Fahrtregler nicht funktionieren.

@peter dannegger:
Wirbel_strom_verluste entstehen durch hochfrequente Änderung des
Magnetfeldes, welches wiederum (idealisiert) proportional zum
fließenden Strom ist.
Ziel ist doch, möglichst reinen Gleichstrom (mit wenig Ripple) zu
erzeugen, um Quietschen und Eisenverluste zu minimieren.
Und der Ripple sinkt_ mit _steigender PWM-Frequenz.

Da muss ich meinen vorhergehende Post bzgl. Eisenverluste revidieren.

Autor: thkais (Gast)
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Ich habe die Motoren mit üblichen (nicht-FET) Vollbrücken angesteuert,
in den verschiedensten Varianten: L293D, TLE4205 und L298 (weil ich
auch dachte, es kommt einfach zu wenig Strom). Die Spannungsversorgung
(3AH NiCd-Akku) dürfte auch nicht Verursacher sein...
Interessanterweise war es egal, ob ich die PWM mit dem Enable-Eingang
realisierte ("freilaufender" Motor) oder mit den Richtungs-Eingängen
("gebremster" Motor).
Insofern gehen meine praktischen Beobachtungen mit den Theorien von
Peter konform.
Ist aber auch sicherlich eine Frage des internen Aufbaus der Motoren -
größeren Modellmotoren im 10A-Bereich funktionieren mit 3kHz prima.

Ich habe aber absolut kein Problem damit, die kleinen Motoren mit 200
Hz anzusteuern.

Autor: DAU_xxl (Gast)
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Hallo

Hmmm...
also gerade bei extrem langsamm runtergeregelteln
bürstenmotoren geht mann doch bei modellreglern gerade deutlich unter
1khz um das rütteln auszunutzen der motor bekommt vollen stom
und kann dadurch sein beharrungsvermögen überwinden ...
und kann extrem langsamm drehen mit einigermassen drehmoment

aber das war in dem jetzigen falle ja eigentlich nötig ...

Autor: peter dannegger (Gast)
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@Profi

"Wirbel_strom_verluste entstehen durch hochfrequente Änderung des
Magnetfeldes, welches wiederum (idealisiert) proportional zum
fließenden Strom ist.
Ziel ist doch, möglichst reinen Gleichstrom (mit wenig Ripple) zu
erzeugen, um Quietschen und Eisenverluste zu minimieren.
Und der Ripple sinkt_ mit _steigender PWM-Frequenz."


Völliger Quatsch mit Soße.

Die Induktionsspannung im Eisenkern ist proportional zur HF-Spannung an
der Wicklung (Trafoprinzip).

Wenn Du HF anlegst, dann brauchst Du auch einen HF-tauglichen Kern.

Sonst währen ja alle die Idioten, die für die Speicherdrossel im
Schaltnetzteil nen Ferritkern nehmen, da fließt auch annähernd
Gleichstrom durch.

Du kanst allerdings mit ner HF-Drossel und nem Kondensator vor dem
Motor die HF raussieben.


Peter

Autor: Philipp (Gast)
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Hmm ich merk schon so einfach ist diese Frage nicht zu beantworten :)
Ich werde mal beides testen. Mal 17KHz und auch 60Hz nochmal
durchtesten. Ist ja nur ne Softwareänderung. Was für eine Drossel
sollte ich denn vorschalten? Kann ich da irgendwas aus einem alten ATX
Netzteil oder so nehmen? Oder ist das völlig ungeeignet? Und es wurde
ja gesagt, eine Schottky Diode neben dem Motor diese habe ich dann ja
schon am FET, ich denke eine zweite paralellschalten ist wohl recht
sinnlos. Und vom FET bis zum Lüfterstecker sind es eh nur 2cm und
hinter dem Stecker wollte ich ja nix ändern.

Also ich dachte nun: Drossel in Reihe zum Motor (FET schaltet den Motor
übrigens gegen Masse, 12V kommen vom Zündschloss an den Motor) dann eine
Diode vom FET gegen GND und eine vom FET gegen 12V (die ist dann ja
quasi parallel zum Motor nur weiter weg). Spricht etwas gegen diesen
Ansatz?

Vielen Dank und
Gruß Philipp

Autor: DAU-xxl (Gast)
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ohje..

mann kanns auch übertreiben...für ne lüftersteuerung
und da du den lüfter auf masse schaltest könte das störpotential
grösser sei als alle anderen parameter
zumindestens währe dann ein störschutz an deinem schaltausgang
vorzusehen
nicht das du durch die schaltimpulse dein bordrechner
ducheinanderbringst  ;-)

was sagt eigentlich dein autoradio dazu wenn deine steuerug läuft ?

Autor: Philipp (Gast)
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Wie sollte der Störschutz denn am besten aussehen? Autoradio hab ich
noch nicht getestet, da ist momentan nix drin. Werde aber morgen mal
schauen ob man da was hört. Wie könnte man diese Störungen denn am
besten minimieren? Und bei PWM Frequenz von 17KHz sollte man davon ja
eigentlich auch nix hören können. Hmm, also mal probieren.

Vielen Dank und Gruß
Philipp

PS: Es gibt tatsächlich einen Rechner... (steckte aber beim Testen auch
nicht drin)

Autor: Steffen (Gast)
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@Peter

""Wirbel_strom_verluste entstehen durch hochfrequente Änderung des
Magnetfeldes, welches wiederum (idealisiert) proportional zum
fließenden Strom ist.
Ziel ist doch, möglichst reinen Gleichstrom (mit wenig Ripple) zu
erzeugen, um Quietschen und Eisenverluste zu minimieren.
Und der Ripple sinkt_ mit _steigender PWM-Frequenz."


Völliger Quatsch mit Soße."

Bevor du die Soße auslöffelst, schau dir mal den Stromverlauf im Motor
bei PWM-Ansteuerung an (Bei einer Spule mit Freilaufdiode sieht es fast
genauso aus). Da fliest fast Gleichstrom. Profi hat schon Recht mit
seiner Aussage.

Autor: DAU-xxl (Gast)
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Hallo

hmm es scheint es hat jeder etwas recht ?

aber hier geht es doch eigentlich um ein einfachen bürstenmotor mit
eisenkern ?
und nicht um mögliche heitech-umsetzung für die raumfahrt ?

hier braucht mann weder extrem langsamme drehzahl ?
extrem hohes drehmoment ?
hochefiziente energieausnutzung ?

was ist mit der eisensättigung ?

bleibt
 letztlich ...die frequenz soll geringste störungen
im boardnetz
im funkfeld
sowie auch geräuschmässig hinterlassen

nun ???

Autor: Michael (Gast)
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Hallo Philipp!

Mich interessiert dieses Thema auch sehr. Wie sieht denn Deine
Schaltung zur Lüftersteuerung eigentlich aus?

Gruß

Michael

Autor: Philipp (Gast)
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Die Schaltung ist ganz einfach ein FET mit (2SK2049, hab noch eine Menge
davon, deshalb der). Das Gate liegt über 270Ohm an einem IO des Mega8.
Im Datenblatt steht das der FET mit 5V DrainSource einen RDS von 0,02
Ohm haben soll bis 40A. Das sollte locker reichen. Zum testen hatte ich
dann eine Antiparalelle Schottky Diode am FET. Und der FET schaltet den
Lüfter einfach gegen Masse. Ich wollte jetzt nochmal schauen ob ich die
hier vorgeschlagene Drossel noch mit einbaue, weiß aber nicht was für
eine Drossel das genau sein muss.

Gruß Philipp

Autor: Michael (Gast)
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Hallo Philipp,

schon mal vielen Dank für Deine Antwort! Ich kann mir nur nicht
vorstellen, an welcher Stelle in der Schaltung die Schottky Diode
hinkommt. Vielleicht kannst Du ja nochmal schreiben.
Danke!

Gruß

Michael

Autor: Philipp (Gast)
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ich habe sie einfach mit der Anode an Masse und mit der Kathode an dem
Bein des FETs das zum Lüfter führt. So wie eine Freilauf Diode an einem
Relais zB.

Gruß Philipp

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