Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 24V DC-Motor ohne PWM regeln


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von Dennis (Gast)


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Hallo zusammen,

ich würde gerne eine Schaltung entwickeln, um einen DC Motor mittels 
Mikrocontroller zu regeln.

Eine PWM-Lösung erzeugt in niedrigen Frequenzen ein hörbares Pfeiffen. 
Ich hätte gerne, dass der Motor möglichst leise läuft. Bei einer PWM 
Frequenz > 20 kHZ ist das Pfeiffen zwar nicht mehr hörbar, aber meine 
Mosfets leiden dann unter den entsprechend häufigen Schaltvorgängen <- 
Verlustwärme.

Welche analogen Möglichkeiten habe ich? Der Motor arbeitet mit 0..24 
Volt @ 0...5 A. Der DAC des Mikrocontrollers mit 8 Bit und 0..5V. 
Drehzahl liegt bei 0...3000 rpm.


+ Ich hatte überlegt ihn an einen einstellbaren Schaltregler zu hängen. 
Dann könnte ich die Ausgangsspannung durch die Änderung des 
Feedback-Spannungsteilers regeln. Hat da jemand eine Schaltungsidee? DAC 
Auflösung beträgt 8 Bit.

+ Vielleicht auch eine Parallelschaltung von Mosfets. Hier variiere ich 
dann die Gatespannung. Jedoch habe ich hier eine große Verlustleistung 
bei niedrigen Drehzahlen / niedriger Gatespannung.

Was habt ihr für Ideen?

Vielen Dank und Grüße,
Dennis

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Analoge Regelung führt mit Sicherheit zu noch viel mehr Abwärme, als 
deine 20kHz PWM.

Vielleicht findest du andere Transistoren mit weniger Eingangskapazität. 
Oder du kannst stärkere Treiber einsetzen. Wenn das nicht geht, bleibt 
Dir nichts anderes übrig, als mit der Abwärme zu leben und sie 
abzuführen.

> Ich hatte überlegt ihn an einen einstellbaren Schaltregler zu hängen.

Das ist doch letztendlich das Selbe wie PWM, nur dass du zusätzliche 
Verluste in der Spule des Schaltreglers bekommen wirst. Also keine 
Lösung.

> Vielleicht auch eine Parallelschaltung von Mosfets.

Dadurch erhöhst du die Gate Kapazität und die damit verbundenen 
Verluste.

Welche Transistoren hast du denn derzeit vorliegen?

von m.n. (Gast)


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Dennis schrieb:
> Ich hatte überlegt ihn an einen einstellbaren Schaltregler zu hängen.

Da 'leidet' dann der Schaltregler unter häufigen Schaltvorgängen ;-)
Mit welchem Sensor mißt Du die Drehzahl, um sie zu regeln?

von Falk B. (falk)


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@Dennis (Gast)

>Frequenz > 20 kHZ ist das Pfeiffen zwar nicht mehr hörbar, aber meine
>Mosfets leiden dann unter den entsprechend häufigen Schaltvorgängen <-
>Verlustwärme.

Ach die Ärmsten . . . 8-0

>Welche analogen Möglichkeiten habe ich? Der Motor arbeitet mit 0..24
>Volt @ 0...5 A. Der DAC des Mikrocontrollers mit 8 Bit und 0..5V.
>Drehzahl liegt bei 0...3000 rpm.

Lineare Endstufe, aber das macht heutzutage keiner mehr. Mit der 
passenden PWM-Endstufe sind die Schaltverluste vernachlässigbar, auf 
jeden Fall deutlich kleiner als bei einer linearen Endstufe.

>+ Vielleicht auch eine Parallelschaltung von Mosfets.

Quark, bei 5A langweilt sich jeder größerer MOSFET.

> Hier variiere ich
>dann die Gatespannung. Jedoch habe ich hier eine große Verlustleistung
>bei niedrigen Drehzahlen / niedriger Gatespannung.

Das wäre eine lineare Endstufe.

von THOR (Gast)


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Dennis schrieb:
> Hallo zusammen,
>
> ich würde gerne eine Schaltung entwickeln, um einen DC Motor mittels
> Mikrocontroller zu regeln.

Welche physikalische Größe wird geregelt? Einen Motor kann man nicht 
regeln. Der bleibt ein Motor, bis er kaputtgeht. Das ist mehr ne 
Steuerung. Aber ne Drehzahl könnte man einregeln.
Hast du schon ein Messglied?

> Eine PWM-Lösung erzeugt in niedrigen Frequenzen ein hörbares Pfeiffen.
> Ich hätte gerne, dass der Motor möglichst leise läuft. Bei einer PWM
> Frequenz > 20 kHZ ist das Pfeiffen zwar nicht mehr hörbar, aber meine
> Mosfets leiden dann unter den entsprechend häufigen Schaltvorgängen <-
> Verlustwärme.

Lässt sich minimieren. Sowohl das Pfeifen als auch die Verlustleistung 
bei 50kHz. 20kHz ist Mumpitz aus Fourier-Gründen.

> + Ich hatte überlegt ihn an einen einstellbaren Schaltregler zu hängen.
> Dann könnte ich die Ausgangsspannung durch die Änderung des
> Feedback-Spannungsteilers regeln. Hat da jemand eine Schaltungsidee? DAC
> Auflösung beträgt 8 Bit.

Das ist nichts anderes als PWM-Betrieb, aber die Regelstrecke wird 
schlechter. Kaskadenregelung für einen DC Motor ist prinzipiell gut, 
aber zu regelnde Größe ist dann der Ankerstrom, nicht die 
Betriebsspannung. Du könntest aber einen Spannungswandler kaufen der ein 
Strombegrenzungs-Poti verbaut hat. Suchwort "CCCV Buck" oder "CCCV 
Boost" bei Ebay.

> + Vielleicht auch eine Parallelschaltung von Mosfets. Hier variiere ich
> dann die Gatespannung. Jedoch habe ich hier eine große Verlustleistung
> bei niedrigen Drehzahlen / niedriger Gatespannung.

Ja. Nennt sich Linearregelung. Für hohe Regelgüte nimmt man dann nen OPV 
als Regler und der treibt ungern kapazitive Lasten. Nimm nen dicken BJT.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Dennis schrieb:
> Der Motor arbeitet mit 0..24
> Volt @ 0...5 A. Der DAC des Mikrocontrollers mit 8 Bit und 0..5V.
> Drehzahl liegt bei 0...3000 rpm.

Das schafft ein IRLZ44 mit links zwischen Kaffee und Kuchen, auch wenn 
du ihn direkt an dem MC Ausgang hängst. Ich würde bei > 20kHz PWM noch 
einen kleinen Treiber für etwas mehr Gatestrom vorsehen, aber 
normalerweise gehts auch ohne - abhängig von dem Strom, den der MC 
Ausgang liefern kann.

von Aha? (Gast)


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Dennis schrieb:
> Mosfets leiden dann unter den entsprechend häufigen Schaltvorgängen <-
> Verlustwärme.

Und das wird, so meinst du, ohne PWM besser?
Eher nicht :-)

Deine FET wollen doch gerne schalten, das ist deren Lebenszweck. Im 
Gegensatz zu einer linaren Regelung verkraften die das sehr gut, denn 
dafür sind sie konstuiert.

Vergiss gleich mal alles mit Feedbackteiler manipulieren.
Schaltregler / Linearregler sind nicht besonders gut geeignet, um 
Motoren zu steuern. (Anlaufströme, Eigenschaften der Regelung, 
Zerstörung bei generatorischem Betrieb des Motors und ähnliches)

Warum, glaubst du, würde es sonst Motorbrücken geben, hmm?

Nimm eine solche (z.B. von Allegro) das ist besser.


PS: Schaltregler funktionieren per Definition mittels PWM. Drum heißen 
sie SCHALTregle.

von dj0815 (Gast)


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Stefan U. schrieb:
>> Ich hatte überlegt ihn an einen einstellbaren Schaltregler zu hängen.
>
> Das ist doch letztendlich das Selbe wie PWM,

Nö, man ist frei bei der Dimensionierung und Ausgestaltung der 
Induktivität. Kein Pfeifen bei niedrigen Frequenzen / Hohe Frequenzen 
möglich bei denen der  PWM-Motor nicht einmal mehr zuckt.

von Dennis (Gast)


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Hi,

vielen Dank für die vielen hilfreichen Antworten an jeden einzelnen 
Poster.

Ich bin hauptsächlich in der Digitaltechnik unterwegs und hatte gehofft 
es gibt eine schöne analoge Alternative zur PWM, die ich nicht kenne. 
Deshalb dachte ich mir: frag mal euch Analogprofis.

Also es wird dann eine PWM - aber mit 50 kHz wie von Thor vorgeschlagen.

Ich suche mir dann mal ein Mosfet+Treiber und schreibe es dann hier 
rein, um nochmal Feedback einzuholen.

Danke und Grüße
Dennis

von dj0815 (Gast)


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Dennis schrieb:
> mit 50 kHz wie von Thor vorgeschlagen.

Dennis schrieb:
> Ich suche mir dann mal ein Mosfet+Treiber und schreibe es dann hier
> rein, um nochmal Feedback einzuholen.

Schön wäre, wenn auch zu den praktischen Erfahrungen mit der fertigen 
50kHz PWM ein kurzes Feedback kommen würde. ;-)

von Tany (Gast)


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Dennis schrieb:
> Was habt ihr für Ideen?

Sowas gibt es für paar Mäuse bei Ebay zu kaufen.
z.B:
Ebay-Artikel Nr. 131857381633

von Tany (Gast)


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dj0815 schrieb:
> Schön wäre, wenn auch zu den praktischen Erfahrungen mit der fertigen
> 50kHz PWM ein kurzes Feedback kommen würde. ;-)

Was gibt da zu berichten? Es läuft nicht.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Tany schrieb:
> Was gibt da zu berichten? Es läuft nicht.

Aha? Und warum sollte das nicht laufen? Den bescheuerten NE555 PWM von 
ebay jedenfalls kannst du nicht mit MC ansteuern.

: Bearbeitet durch User
von Aha? (Gast)


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dj0815 schrieb:
> Stefan U. schrieb:
>>> Ich hatte überlegt ihn an einen einstellbaren Schaltregler zu hängen.
>>
>> Das ist doch letztendlich das Selbe wie PWM,
>
> Nö, man ist frei bei der Dimensionierung und Ausgestaltung der
> Induktivität. Kein Pfeifen bei niedrigen Frequenzen / Hohe Frequenzen
> möglich bei denen der  PWM-Motor nicht einmal mehr zuckt.

Ja, und sobald der Motor das erste mal generatorisch gelaufen ist, ist 
der Schaltregler hin. Super.

Man einen Nagel mit einer Pfanne in die Wand kloppen (ja wirklich, das 
geht). Aber mit dem Hammer gehts halt besser.

Wie bereits erwähnt, gibt es dazu Motorbrücken. Diese hier zum Beispiel:
http://www.allegromicro.com/en/Products/Motor-Driver-And-Interface-ICs/Brush-DC-Motor-Drivers/A4950.aspx
Da sind MOSFET schon drin, und Kurzschlusschutz, Drehrichtungsumkehr, 
elekrtisch bremsen ebenfalls.

von dj0815 (Gast)


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Tany schrieb:
> dj0815 schrieb:
>> Schön wäre, wenn auch zu den praktischen Erfahrungen mit der fertigen
>> 50kHz PWM ein kurzes Feedback kommen würde. ;-)
>
> Was gibt da zu berichten? Es läuft nicht.

Sinnlos. Wer dererlei behauptet, der bekommt hier immer jede Menge 
Stress mit unzähligen "Spezialisten". Ich würde mir Zeit und Nerven für 
so eine Diskussion sparen und jeden seine eigenen Erfahrungen sammeln 
lassen.

von Axel R. (Gast)


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in der "tätärätä" gab es eine kleine rote Bohrmaschine, die wir zum 
Bohren von Leiterplatten verwendet hatte. Dazu passend, gab es eine 
Schaltung mit einem (TD)A2030 und Strommesswiderstand im Ausgang, wo die 
Drehzahl auch bei kleinen Drehzahlen bei wechselnder Last konstant 
gehalten wurde. Da war noch ein Serienwiderstand im Ausgang, wo der 
Spannungsabfall im Feedback berücksichtigt wurde.
Habe eben mal kurz gesucht, aber nichts authentisches gefunden.

Das ging sehr anständig bis ordentlich! Ohne PWM.

StromTuner

von Michael B. (laberkopp)


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Dennis schrieb:
> Welche analogen Möglichkeiten habe ich?

Keine. Rein analoge Möglichkeiten führen immer zu bis zu

> Der Motor arbeitet mit 0..24 Volt @ 0...5 A.

60 Watt Verlustleistung an den Transistoren, dagegen wären deine

Dennis schrieb:
> aber meine Mosfets leiden dann unter den entsprechend
> häufigen Schaltvorgängen <- Verlustwärme.

einfach bloss Kinderkacke.

Auch Methoden wie Umschalten der Trafospannung wären digital.

Also kann man gleich PWM nutzen. Wenn der Motor keine hochfrequente PWM 
verträgt, und du niederfrequente nicht hören magst, dann kann man immer 
einen konventionellen step down Schaltregler vor den Motor setzen, der 
sogar ungeregelt sein darf. Also die 50kHz PWM einfach in:
1
 +---------------+----+--  +24V
2
 |               |    |
3
 |             Elko Motor
4
 |MBR1545        |    |
5
 +-|<|-+--Spule--+----+
6
       |
7
 -----|I HUF75332
8
       |S
9
      GND
Schon bekommt der Motor gefilterten Gleichstrom, aber der Elko muss die 
5A aushalten.

von Aha? (Gast)


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Michael B. schrieb:
> +---------------+----+--  +24V
>  |               |    |
>  |             Elko Motor
>  |MBR1545        |    |
>  +-|<|-+--Spule--+----+
>        |
>  -----|I HUF75332
>        |S
>       GND
> Schon bekommt der Motor gefilterten Gleichstrom, aber der Elko muss die
> 5A aushalten.

Mmhm.
Und nun erkläre mal, wie der Motor elektrisch bremsen soll. Und ja, das 
wird er müssen, wie willst du denn sonst die Drehzahl schnell ändern?
Wie willst du damit die Drehrichtung umdrehen?

Es gibt für solche Fälle Motorbrücken. Die können das. Das sind nicht 
umsonst Halb- oder Vollbrücken.

von Michael B. (laberkopp)


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Aha? schrieb:
> Und nun erkläre mal, wie der Motor elektrisch bremsen soll

Soll er das ? Hab ich überlesen. Nö, es gibt nirgends einen Hinweis von 
Dennis daß er das können will, oder rückwärts drehen.

Aber damit auch deine Phantasterei erfüllt ist:

Dann eine aktive Diode, also ein zweiter MOSFET an Stelle der Diode, 
praktischerweise beide aus einem MOSFET Halbbrückentreiber angesteuert 
damit sie nie gleichzeitig an sind.

Das Prinzip, per PWM erst ungeregelt die Spannung an einem Elko zu 
erzeugen, aus der dann der Motor mit fast Gleichspannung betrieben wird, 
bleibt gleich.

: Bearbeitet durch User
von m.n. (Gast)


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Aha? schrieb:
> Und nun erkläre mal, wie der Motor elektrisch bremsen soll. Und ja, das
> wird er müssen, wie willst du denn sonst die Drehzahl schnell ändern?
> Wie willst du damit die Drehrichtung umdrehen?

Bremsen ist garnicht gefordert, aber auch dann bremst der Motor 
eigenständig durch Reibungsverluste. Eine schnelle (?) Drehzahländerung 
wird nicht verlangt.
Eine Änderung der Drehrichtung ist ebenfalls nicht gefordert.

> Es gibt für solche Fälle Motorbrücken. Die können das. Das sind nicht
> umsonst Halb- oder Vollbrücken.

Es ist ein Motorstrom bis 5 A gefordert. Den kann der oben genannte 
Treiber nicht aufbringen.
A4950: falsche Lösung für nicht existierende Probleme.

von Aja? (Gast)


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m.n. schrieb:
> Aha? schrieb:
>> Und nun erkläre mal, wie der Motor elektrisch bremsen soll. Und ja, das
>> wird er müssen, wie willst du denn sonst die Drehzahl schnell ändern?
>> Wie willst du damit die Drehrichtung umdrehen?
>
> Bremsen ist garnicht gefordert, aber auch dann bremst der Motor
> eigenständig durch Reibungsverluste. Eine schnelle (?) Drehzahländerung
> wird nicht verlangt.
> Eine Änderung der Drehrichtung ist ebenfalls nicht gefordert.
>
>> Es gibt für solche Fälle Motorbrücken. Die können das. Das sind nicht
>> umsonst Halb- oder Vollbrücken.
>
> Es ist ein Motorstrom bis 5 A gefordert. Den kann der oben genannte
> Treiber nicht aufbringen.
> A4950: falsche Lösung für nicht existierende Probleme.

Tja, das nennt man Beispiel.
Wenn man bei Allegro nicht fündig wird, dann halt woanders.

Man könnte zum Beispiel hier kucken:
http://www.ti.com/lsds/ti/motor-drivers/brushed-dc-bdc-drivers-products.page#o7=Brushed%20DC%20Drivers%20with%20FETs
Oder bei ST.

Kein Schwein löst sowas mit einem Buck-Wandler. Neben dem kleinen Faktum 
dass die Lösung aus den von mir genannten Gründen Blödsinn ist, ist sie 
noch dazu viel fetter und teurer. Allein der Buck ist teurer als eine 
passende Motorbrücke.
Allegro, TI und ST verdienen eine Menge Geld mit den, laut dir, "nicht 
existenten Problemen". Hmm. Komisch. Wie das wohl zustande kommt ;-)

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