Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM-Drehzahlregelung Wasserpumpe mit DC bürstenloser Motor


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von Filo M. (merlinux)


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Guten Tag zusammen,
gerne möchte ich 6 Rotek-Minipumpen (beide Versionen 12V und 24V, s. 
link unten) mit dem ArduinoUNO-PWM-Output ansteuern, d.h. die Drehzahl 
mit PWM regeln können. Jede Pumpe sollte unabhängig geregelt werden, 
d.h. alle 6 Arduino-PWM-Pins kommen im Einsatz.

Datenblatt der Pumpe: 
http://media.rotek.at/a000/002/338/000002338_V000000_TDB_HIG_00_RT_A_de.pdf

Die Firma Rotek meint, die Ansteuerung mit PWM sei möglich, aber die 
PWM-Spannung sollte mit einem Kondensator „geglättet" werden. Es handelt 
sich nämlich um eine EC-Pumpe die mit einem PWM-Signal nicht klar kommt. 
Die Spannungsspitzen sollen vermieden werden. Leider sagt Rotek nicht 
wie der Kondensator auszulegen sei, ich muss selber nach Lösungen 
suchen.
In den letzten 4 Wochen habe ich im Netz nach Lösungen gesucht und auch 
viele einzelne wertvolle Informationen gefunden. Leider habe ich keine 
zusammenfassende Antwort auf meine Fragen gefunden, deswegen habe ich 
einen neuen Thread geöffnet.
Falls diese Frage bereits n-mal geantwortet wurde bitte um Verzeihung, 
umso mehr freue mich auf eure Antworten. Vielen Dank dafür.
Um die Fragen klarer zu gestalten habe ich ein Schaltschema für eine 
Pumpe mit Office-Mitteln vorbereitet (s. Anlage). Die Schaltung auf auf 
der Basis von
https://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM
Kapitel "Schaltungsvarianten - Mosfet mit Freilaufdiode, 
1-Quadrantensteller" aufgebaut.
Wenn die Schaltung für eine Pumpe geklärt ist, würde ich sie einfach 
6-mal nebeneinander wiederholen. Hier meine Fragen:
1) Ich interpretiere das Datenblatt vom MOSFET so (s. Anlage), dass der 
innere Widerstand Drain-Source von 0,025 Ohm nur gilt, wenn die 
Gate-Spannung 5 V ist. Wo soll ich den Gate-Widerstand R1 platzieren? 
Nach „Option1" oder nach „Option2"? Ich denke nach Option2. Somit ist 
der Strom auf max 40 mA nach Arduino-Spezifikation begrenzt. 
Gleichzeitig sieht der MOSFET IRLZ44 die maximale Spannung von 5V, damit 
der innere Widerstand 0,025 Ohm bleibt. Ist meine Annahme korrekt?
2) Die Widerstände sind so ausgelegt: R1 150 Ohm, Strom 33,33 mA; R2 100 
KOhm, Strom  0,05mA. Somit ist der Gesamtstrom für den PWM-PIN 33,38 mA 
< 40 mA. Falls 6 PWM-PIN belegt sind, ist der Gesamtstrom 33,38 *6 = 
200,3 mA, mit Toleranz 1% dann ca. 202,3 mA. Somit sind die maximalen 
Werte nach Arduino-Spezifikation (einzel 40mA und gesamt 200mA) fast 
eingehalten. Kann ich die Widerstandswerte so lassen oder darf ich die 
200mA auf keinen Fall überschreiten?
3) Wo kommt der Kondensator hin, um die Spannung zu glätten? In Position 
„Option3" oder in „Option4"? Wie wird der Kondensator ausgelegt (Typ, 
Größe)? Nicht alle Arduino-PWM-Pins haben die gleiche Frequenz.
4) Muss auch eine Induktivität zur Spannungsglättung eingebaut werden? 
Falls ja, wohin und wie wird sie ausgelegt?
5) Wie kann man die Energieeffizienz der Schaltung erhöhen? Der MOSFET 
verbrät durch den inneren Widerstand Energie. Laut Datenblatt wird der 
innere Widerstand niedriger je höher die Gate-Spannung wird. Wenn ich 
also am Gate 10V statt 5V anlege, sollte ich im MOSFET weniger Energie 
in Wärme umwandeln. Gibt es andere Möglichkeiten (Frequenz ändern, 
Anordnung der Komponenten) um die Energieverluste zu minimieren?

Vielen Dank für eure Hilfe

Merlinux

von THOR (Gast)


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Filo M. schrieb:
> Leider sagt Rotek nicht
> wie der Kondensator auszulegen sei, ich muss selber nach Lösungen
> suchen.

Die gehen davon aus, dass man weiss was ein Tiefpass ist. Und zwar zu 
Recht.

von Norbert S. (norberts)


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Moin,

Ähh, da fehlen so viele Grundlagen...

Gatewiderstand Option 1. Über Source fliesst der ganze Motorstrom.
Bei den Frequenzen nimm 470Ohm und alles ist schick mit dem Strom aus 
dem Arduino. Das reicht.

C: Option 3 und 4.

So hämmerst Du nur auf dem Kondensator rum.
Da brauchst Du Dir hierrüber:

Filo M. schrieb:
> 5) Wie kann man die Energieeffizienz der Schaltung erhöhen? Der MOSFET
> verbrät durch den inneren Widerstand Energie. Laut Datenblatt wird der
> innere Widerstand niedriger je höher die Gate-Spannung wird. Wenn ich
> also am Gate 10V statt 5V anlege, sollte ich im MOSFET weniger Energie
> in Wärme umwandeln. Gibt es andere Möglichkeiten (Frequenz ändern,
> Anordnung der Komponenten) um die Energieverluste zu minimieren?

keine Gedanken machen. Rechne mal aus, wieviel am Mosfet verbraten 
wird...

Du brauchst natürlich eine Induktivität. Die kommt zwischen Plus Eingang 
und Option 3. Dann noch eine Schottkydiode von Minus Motor an Plus 
Eingang.
Fertig ist der Buckregler mit Schalter an Masse.
Speicherdrossel 470µH die Idc 2A kann reicht sicher.
Die Schottky sollte auch so ab 2A können.

THOR schrieb:
> Die gehen davon aus, dass man weiss was ein Tiefpass ist. Und zwar zu
> Recht.
Tiefpass um eine Pumpe zu betreiben - toller Tipp.

Gruß,
Norbert

von aSma>> (Gast)


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Servus,
nimm erstmal ein Labornetzteil und schau nach, ob sich der Motor linear 
steuern lässt.

Wenn es jetzt ein BLCD Motor ist, dann wird dieser durch einen 
speziellen Motortreiber angetrieben. Ohne die interne Elektronik zu 
kennen gilt immer: trial and error.

von Filo M. (merlinux)


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Norbert S. schrieb
> Ähh, da fehlen so viele Grundlagen...
Eindeutig. Sorry für die dumme Fragen. In den letzte 4 Wochen habe ich 
versucht die Lücke zu schliessen.

> Bei den Frequenzen nimm 470Ohm und alles ist schick mit dem Strom aus
> dem Arduino. Das reicht.
OK 470 Ohm. Aber warum? Ich habe verstanden, der Widerstand muss so 
bemessen sein, dass der Arduino nicht überlastet wird aber gleichzeitig 
soll der Strom zum Gate so hoch wie möglich sein. Somit wird die 
Gate-Kapazität schnell gefüllt und der MOSFET schaltet schnell um. Die 
Energieverluste während der Umschaltung werden somit minimiert.

> C: Option 3 und 4.
>
> So hämmerst Du nur auf dem Kondensator rum.
> Da brauchst Du Dir hierrüber:
OK, aber wie bemesse ich die Kondensatoren in Option 3 und 4?
Ich habe ein bisschen recherchiert und folgende Formel gefunden C = I * 
DT / DV.
Wenn ich ein Dv=0,5 V annehme, bekomme ich bei 490 Hz dann 4100µF pro 
Ampere und bei 980 Hz dann 2040 µF pro Ampere. Ist die Berechnung für 
beide Kondensatoren richtig?

Grüße
Merlinux

von Carl D. (jcw2)


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Versorgungsspannung: 8..14V für die 12V Version.
Das klingt nicht nach Regelbarkeit.
Vermutlich haben die gedacht: 24V PWM mit 50% und danach per Kondensator 
glatt gemacht, paßt zu den 12V, d.h. "ja, geht" (denn sonst kauft der 
Kunde nicht).

von Filo M. (merlinux)


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Carl D. schrieb:
> Versorgungsspannung: 8..14V für die 12V Version.
> Das klingt nicht nach Regelbarkeit.
> Vermutlich haben die gedacht: 24V PWM mit 50% und danach per Kondensator
> glatt gemacht, paßt zu den 12V, d.h. "ja, geht" (denn sonst kauft der
> Kunde nicht).
Uhm... Ich habe dich nicht verstanden. Was meinst du damit?

Gruß
Merlinux

von oszi40 (Gast)


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Filo M. schrieb:
> Was meinst du damit?

Wenn Du bei 24V nur 50% _-_-_- Einschaltzeit hast, kommen hinter Deinem 
Tiefpass noch etwa 12V raus. Das würde Dir nicht helfen. Eine Reglung 
ist, wenn das System selbst auf eine Störgröße reagieren kann (z.B. 
WC-Spülkasten 2-Punktreglung). Sonst ist es eine Steuerung wenn Du nur 
einen Wert einstellen kannst (statt Spülkasten 10 Liter pro Minute).

Vor weiteren Investitionen (wie BER-Flughafen) sollte man erst mal einen 
Motor am Labornetzteil testen wie oben beschrieben. Wahrscheinlich 
braucht er erst mal viel mechanische Kraft im Einschaltmoment und später 
dann kann PWM etwas reduzieren.

von Filo M. (merlinux)


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oszi40 schrieb:

> Vor weiteren Investitionen (wie BER-Flughafen) sollte man erst mal einen
> Motor am Labornetzteil testen wie oben beschrieben. Wahrscheinlich
> braucht er erst mal viel mechanische Kraft im Einschaltmoment und später
> dann kann PWM etwas reduzieren.

Sorry, aber ich verstehe die Diskussion immer noch nicht. Von welche 
Investitionen sprichst du? Es geht nicht nur um einen Motor, es geht um 
eine Pumpe, um eine Minipumpe. Das Laufrad hat einen Durchmesser kleiner 
als  37 mm, also fast ein Spielzeug. Am Labornetzteil läuft die mit ca. 
4,5 - 5 V an. Na und? Die Pumpe als Strömungsmaschine hat eine 
quadratische Kennlinie, ich fang jetzt nicht an einen Prüfstandstand 
aufzubauen um Druckerhöhung vs Volumentrom zu messen.

Ich will nur wissen warum der Gatewiderstand beim MOSFET IRLZ44 470 Ohm 
und nicht 150 Ohm sein sollte. Und wie ich die Kondensatoren "OPTION3" 
und "OPTION4" zu bemessen habe.

Gruß
Merlinux

von oszi40 (Gast)


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Filo M. schrieb:
> warum der Gatewiderstand beim MOSFET IRLZ44 470 Ohm
> und nicht 150 Ohm sein sollte. Und wie ich die Kondensatoren "OPTION3"
> und "OPTION4" zu bemessen habe.

Ohne jetzt alle Einzelheiten gelesen zu haben:
Dein MOSFET-Gate hat eine Kapazität, die die Quelle belastet. Daher 
wahrscheinlich Strombegrenzung über 470 Ohm.
"OPTION4" ist ein Stützkondensator für die Betriebsspannung. 100µ63V?
"OPTION3" gehört zum Tiefpass um das PWM-Signal zu glätten. Das könnte 
man berechnen oder aus dem Fenster sehen und 10nF zum Test einlöten. Zu 
einem Tiefpass gehört jedoch etwas mehr L od. R. 
https://de.wikipedia.org/wiki/Tiefpass#Tiefpass_1._Ordnung

von Filo M. (merlinux)


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oszi40 schrieb:

> Dein MOSFET-Gate hat eine Kapazität, die die Quelle belastet.
Genau. Ich will mein MOSFET mit dem Arduino ansteuern. Max Strom 40 mA.
Ich habe verstanden, der Widerstand muss so
bemessen sein, dass der Arduino nicht überlastet wird aber gleichzeitig
soll der Strom zum Gate so hoch wie möglich sein. Somit wird die
Gate-Kapazität schnell gefüllt und der MOSFET schaltet schnell um. Die
Energieverluste während der Umschaltung werden somit minimiert.
Also 5V/0,04 A= 130 Ohm -> 150 Ohm muss gut sein, oder?

> "OPTION4" ist ein Stützkondensator für die Betriebsspannung. 100µ63V?
> "OPTION3" gehört zum Tiefpass um das PWM-Signal zu glätten. Das könnte
> man berechnen oder aus dem Fenster sehen und 10nF zum Test einlöten.
Warum aus dem Fenster sehen? So wie die Sache verstehe, muss die 
Kapazität in Funktion der Frequenz bemessen werden. Ich habe ein 
bisschen recherchiert und folgende Formel gefunden C = I * DT / DV.
Wenn ich ein Dv=0,5 V annehme, bekomme ich bei 490 Hz dann 4100µF pro
Ampere und bei 980 Hz dann 2040 µF pro Ampere. Ist die Berechnung für
beide Kondensatoren nachvollziehbar oder irgendwas übersehen?


> einem Tiefpass gehört jedoch etwas mehr L od. R.
Norbert empfiehlt eine Induktivität zwischen Plus Eingang
und Option 3. Speicherdrossel 470µH die Idc 2A kann reicht sicher.
Kannst du das auch empfehlen?

Gruß
Filippo

von oszi40 (Gast)


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Filo M. schrieb:
> 490 Hz dann 4100µF

Der Wert erscheint mir extrem hoch. Das gibt Rauch. Durch mehr Rauch 
wird man klüger.

von Filo M. (merlinux)


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oszi40 schrieb:

> Der Wert erscheint mir extrem hoch. Das gibt Rauch. Durch mehr Rauch
> wird man klüger.

Ich bin ein bisschen verunsichert.
Gibt es wirklich keine Möglichkeit die Kondensatoren in OPTION3 und 4 
genau zu berechnen?

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