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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik maximaler Strom beim Motor


Autor: sebastian (Gast)
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Hallo zusammen

Ich habe mir einmal die Daten eines Motors angesehen.
Kv  2350
Configuration  12N14P
Windings  11 turn DLRK
Termination  D (Delta)
Stator Diameter  22mm
Shaft Diameter  3mm
Motor Dimension  27x17mm
Weight  26.5g, (29g with bullets)
Idle Current @12.6v (Io)  0.81A
Cells (LiPo)  2-4S
Max Continuous Current (A) 60s  16A
Max Burst Current <10s  32A
Max Continuous Power (W) 60s  260W
Max Efficiency Current  (2.2-6A) 80%
Internal Resistance (Rm)  260mΩ
Motor Wire Length  100mm
Motor Connection  Male 2mm bullet

Nun habe ich eine Frage zum Strom und zur Leistung.
Die Leistung P = U*I = 260W
Angenommen ich gehe jetzt nur mal vom maximal kontinuierlichen Strom für 
60sec mit 16 Ampere aus, würde es heissen, dass ich dann maximal eine 
Spannung von 16,25V am Motor anlegen dürfte, um die Leistung nicht zu 
überschreiten.

Es stellt sich mir die Frage dann im Falle einer Verwendung von einem 
Mosfet, der einen RDSon von 0.026 Ohm hätte, wenn er voll 
durchgeschaltet ist. Angenommen ich würde die Leistung auf 240W 
beschränken und würde eine Versorgungsspannung von 15V verwenden, an die 
der Mosfet (UDS) angeschlossen ist.
Bei Í = 15V/0.026Ohm = 576,9A

Das überschreitet doch den maximalen Strom deutlich... und der Motor 
würde mir da abrauchen..
Wie funktioniert das denn genau. Mit einer PWM erreicht man ja auch, 
dass die Mosfets voll durchgeschaltet und abgeschaltet werden. Dadurch 
wird zwar die Spannung über die Zeit (duty cycle) geregelt, aber auch 
mit einem Strom von V_RMS = 1V, bekomme ich einen Strom von 38.5 
Ampere..
Das hält der Motor ja auch nicht aus.
Und die Verluste steigen, wenn ich einen Mosfet mit höherem RDSon 
verwende.
Und irgendwie mehr als 2350 Umdrehungen bei 1V möchte ich ja auch 
erreichen.

Ich bin etwas verwirrt und würde auf etwas Hilfe und Erleuchtung hoffen.

: Verschoben durch Moderator
Autor: Typ (Gast)
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Wie kommst du auf die Idee, der Mosfet würde je die 15V sehen, während 
er durchgeschaltet ist?

Autor: sebastian (Gast)
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Hallo

Siehe Bild, sobald der Mosfet doch durchgeschaltet ist, liegen die 15V 
an.
Mittels der PWM sieht der Motor also 15V * dutycycle.
Der Mosfet aber die 15V.

Autor: sebastian (Gast)
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sebastian schrieb:
> Hallo
>
> Siehe Bild, sobald der Mosfet doch durchgeschaltet ist, liegen die 15V
> an.
> Mittels der PWM sieht der Motor also 15V * dutycycle.
> Der Mosfet aber die 15V.

Sorry, ich habe das Bild vergessen

Autor: Gerd (Gast)
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Der Trick ist es nicht die Versorgungsspannung kurzzuschließen,
sondern die Spannung über die Motorspulen zu schalten ;-)
Diese Spulen haben eine Induktivität, der Strom kann sich hier also 
nicht
unendlich schnell ändern. Heißt: wenn der MOSFET durchschaltet
steigt der Strom (durch Spule und MOSFET) "langsam" an und
damit steigt die Spannung die am MOSFET abfällt.
Dann haben die Motorspulen einen Innenwiderstand hier 260 mOhm,
damit bilden Motorspule und MOSFET einen Spannungsteiler, sodass
bei 26 mOhm RDSon maximal 1/10 der Versorgungsspannung am MOSFET
abfallen können.
Dazu kommt noch, dass ein Motor ein drehendes Feld benötigt um
sich zu drehen. Die Motorspulen werden also nicht dauerhaft
bestromt, sondern nur zeitweise (Kommutierung),
dadurch erreichst du den von dir errechneten Maximalstrom nicht,
dieser stellt sich nämlich erst bei sehr langen Zeiten ein.
Bei schneller PWM "sieht" der Motor somit nur den Mittelwert,
also bei 50% etwa die Hälfte der Versorgungsspannung.
("schnell" heißt hier: schneller als die "langsame"
Motorzeitkonstante gegeben durch die Induktivität der Spulen)

Autor: sebastian (Gast)
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Gerd schrieb:
> Der Trick ist es nicht die Versorgungsspannung kurzzuschließen,
> sondern die Spannung über die Motorspulen zu schalten ;-)
> Diese Spulen haben eine Induktivität, der Strom kann sich hier also
> nicht
> unendlich schnell ändern. Heißt: wenn der MOSFET durchschaltet
> steigt der Strom (durch Spule und MOSFET) "langsam" an und
> damit steigt die Spannung die am MOSFET abfällt.
> Dann haben die Motorspulen einen Innenwiderstand hier 260 mOhm,
> damit bilden Motorspule und MOSFET einen Spannungsteiler, sodass
> bei 26 mOhm RDSon maximal 1/10 der Versorgungsspannung am MOSFET
> abfallen können.
> Dazu kommt noch, dass ein Motor ein drehendes Feld benötigt um
> sich zu drehen. Die Motorspulen werden also nicht dauerhaft
> bestromt, sondern nur zeitweise (Kommutierung),
> dadurch erreichst du den von dir errechneten Maximalstrom nicht,
> dieser stellt sich nämlich erst bei sehr langen Zeiten ein.
> Bei schneller PWM "sieht" der Motor somit nur den Mittelwert,
> also bei 50% etwa die Hälfte der Versorgungsspannung.
> ("schnell" heißt hier: schneller als die "langsame"
> Motorzeitkonstante gegeben durch die Induktivität der Spulen)

Hallo Gerd
Vielen Dank für deine Erläuterungen. Jetzt ist mir so Einiges klarer 
geworden. ;) Ich werde morgen einmal versuchen etwas zu skizzieren und 
kleine Berechnungen anzustellen. Vermutlich werden weitere Fragen 
auftauchen. Ich würde dann hoffen, weitere guten Hilfestellungen wie von 
dir zu bekommen.

Ich bin neu in diesem Gebiet und da ich aufgrund eines Unfalls nun für 
ein ganzes Jahr im Krankenstand bin, denke ich, dass dies mein neues 
Hobby sein wird. ;)

Ich wünsche allen Lesern eine gute Nacht

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Was für ein Motor ist das denn überhaupt? Ist das einer
mit Dauermagnet oder mit Erregerspule in Reihe mit dem
Läufer? Wenn er eine Erregerspule hat, kann diese als
Speicherdrossel für die PWM arbeiten. Ansonsten würde
ich da extra eine Speicherdrossel vorschalten, damit
der Strom gleichmäßiger ist und dadurch dann der
Wirkungsgrad besser ist.

Autor: Motorenfütterer (Gast)
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In der bisherigen Stromorientierten und ohmschen Betrachtung scheint es 
um den Fall zu gehen wo der Motor sich (noch) nicht dreht. Also nur 
kurzzeitig auftretende Ströme/Verlustleistungen beim Anlaufen. (den 
Blockierfall mal aussen vor gelassen)

Entsprechend vermisse ich: ist der Motor sich am drehen so erzeugt er 
eine Gegenspannung (bewegte Spulen im Magnetfeld, in manchen Texten EMK 
genannt). Diese Gegenspannung subtrahiert sich von der Betriebsspannung 
(Maschensatz), also sieht der o.g. Spannungsteiler aus Ri+Rdson weniger 
Gesamtspannung, der Strom und die Verlustleistung (am FET, am Motor) 
sind auch weniger.
Die EMK Gegenspannung ist am grössten wenn vom Motor kein Drehmoment 
abgenommen wird (Leerlauf, nur Lagerreibung und Lufverwirbelung am 
Rotor); sie sinkt um so mehr Lastdremomoment herrscht; sie ist Null wenn 
die Motorwelle steht.
Die Zusammenhänge sind beinahe linear bei eisenlosen Motorkonstruktionen 
(Faulhaber, Maxon,...). Sind Eisenanker im Spiel (Bühler, Mabuchi, 
Johnson, Japanium, Chinesium,...) wird's unlinear.

Autor: Thomas Elger (picalic)
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sebastian schrieb:
> Und irgendwie mehr als 2350 Umdrehungen bei 1V möchte ich ja auch
> erreichen.
Mit nur einem Volt wirst Du den Motor ja auch nicht betreiben wollen (da 
ist der Wirkungsgrad auch unterirdisch).
Bei 15V Betriebsspannung sind das >30000 Upm - wenn Dir das zuwenig ist, 
musst Du die Betriebsspannung erhöhen oder einen Motor mit einem höheren 
KV-Wert nehmen.

Nach den Angaben handelt es sich vermutlich um einen Brushless-Motor, da 
wird die Betriebsspannung nicht über nur einen MOSFET geschaltet, 
sondern über min. 6 Stück davon (je 2 für jede Motor-Phase als 
Halbbrücke). Die entsprechende Ansteuerschaltung dafür sollte auch den 
Motorstrom überwachen und die FETs mit entsprechend angepasster PWM 
ansteuern, damit sich der Strom auch im Anlauf-Fall oder bei blockiertem 
Motor in Grenzen hält. Abgesehen davon verträgt der Motor für den 
Sekunden-Bruchteil des Anlaufens auch deutlich mehr, als den angegebenen 
maximalen "Burst"-Current.

Autor: sebastian (Gast)
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Hallo zusammen
Vielen Dank für die vielen Erläuterungen.

Ich habe mich mal ein wenig in das Thema der Synchronmotoren eingelesen.
Es ist wie Thomas Elger sagt ein BLDC Motor.

Wie angekündigt, sind ein paar Fragen aufgetaucht und ich wäre euch 
dankbar, meine Feststellungen wegen des berechneten Stromes und der 
berechneten Spannung ganz unten zu kommentieren.

Ich habe gesehen, dass man einen Synchronmotor folgend modellieren kann.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vereinfach...

Wie Motorenfütterer sagt, muss Polradspannung Up also von U1 abgezogen 
werden (Maschensatz). Ich habe ebenfalls in einem Datenblatt AN857 
gelesen, dass zB 2 Sequenzen folgend geschaltet werden.
Phase A = high
Phase B = floating
Phase C = low

Danach
Phase A = floating
Phase B = high
Phase C = low

Das heisst, dass der Strom immer durch 2 Spulen zugleich fliessen muss, 
um das Massepotential zu erreichen. Also habe ich 2xL = 2x260mOhm

Wenn ich das was Motorenfütterer und Thomas Elger sagt berücksichtige, 
komme ich auf die Schaltung wie im angehängten Bild. Betriebsspannung 
sei jetzt einmal 15V. Rdson der Mosfets immer noch 26mOhm.

Der Innenwiderstand 260mOhm entspricht so wie ich es verstehe, der 
Impedanz Z, was eigentlich Z = Ri+Xd entspricht. Da der Innenwiderstand 
vernachlässigt werden kann, ist Z=Xd= 260mOhm. Richtig?

Die Spannung über der Spule muss dann UL1,2 = Xd*I1 sein. Die 
Gesamtspannung dann UL = 2*Xd*I1

Jetzt nehme ich an, dass ich über den Motorspulen 7.5V erreichen möchte. 
Dann muss ich ein Tastverhältnis von 50% einstellen. Damit wäre dann U1 
= 7.5V

Jetzt habe ich schon Probleme dabei meine eigene Rechnung zu 
verifizieren. Es stellt sich mir ausserdem die Frage, ob auch bei einem 
Permanentmagnet-Polrad Up auch existiert?!

Um den Strom zu berechnen, der durch die Spulen fliesst setze ich 
folgendes an:

Laut einer Bachelorarbeit, die ich im Netz gefunden habe soll die 
Polradspannung

Up = wR * Mf*If

sein.

Dabei gilt:
ωR Winkelgeschwindigkeit des Rotors (und des Drehfeldes)
Mf Gegeninduktivität der Feldwicklung zur Statorwicklung 
(Motorenkonstante)
If Erregerstrom (Gleichstrom in der Rotorwicklung)
Mf*If auch Flussverkettung genannt.

Wie man diese misst steht hier:
https://de.wikipedia.org/wiki/Synchronmaschine

Angenommen diese Spannung Up ist 1,5V.
dann ist mit U1-UL-Up =0
UL= U1-Up = 6V

UL/2*Xd = I1 = 23,08A

P = 23,08*7.5V = 173W

Dann heisst das, dass das an einem Mosfet 7.5/2 = 3.75 V abfallen 
müssen, wenn die Summe UB - UM1 - UM2 - U1 = 0 sein soll (UB = 15V)
Wenn ich aber UM1 = I1 * Rdson rechne, komme ich aber auf 0.6V anstatt 
3.75V

Was mache ich falsch bzw. wo ist der Wurm?

Autor: Thomas Elger (picalic)
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sebastian schrieb:
> Der Innenwiderstand 260mOhm entspricht so wie ich es verstehe, der
> Impedanz Z, was eigentlich Z = Ri+Xd entspricht. Da der Innenwiderstand
> vernachlässigt werden kann, ist Z=Xd= 260mOhm. Richtig?

Bei einem guten Motor sollte es eigentlich eher der ohmsche Widerstand 
der Wicklung sein, den man vernachlässigen kann! Hier also die 260 mOhm.
Dein Fehler dürfte sein, daß Du versuchst, die Wirkleistung des Motors 
über die Velustleistung an den ohmschen Widerständen der Wicklung und 
der MOSFETs zu berechnen.
Deine angenommene Polradspannung von 1,5V ist für eine effektive 
Betriebsspannung von 7,5V (durch PWM = 50% bei 15V) viel zu niedrig - 
der Motor würde in einem sehr ungünstigen Betriebspunkt betrieben (mit 
entsprechend unterirdischem Wirkungsgrad) und hauptsächlich Verluste 
durch den ohmschen Widerstand der Wicklung produzieren.
Betrachte vereinfacht den Motor mal als Generator, der bei einer 
Drehzahl N (in Upm) N/KV Spannung produziert. Dein Motor erzeugt also 
z.B. bei 10000/min Ug = 10000/2350 = 4,3V. Bei von außen angelegter 
Klemmenspannung Uk = 4,3V ist der Motorstrom dann 0, weil Ug und Uk 
gleich sind.
Legen wir nun bei gleicher Drehzahl Uk = 7,5V Spannung an, fließt ein 
Strom, der sich durch die Spannungsdifferenz und Widerstände ergibt, 
hier also dann ca. 6,4A. Die Eingangsleistung ist dann 48Watt, wovon 
etwa 20,5W in den inneren Widerständen als Verlustleistung verbraten 
werden und 27,5W an der Welle als mechanische Leistung abgegeben werden. 
Das ist natürlich alles idealisiert und Reibung und 
ummagnetisierungs-Verluste sind nicht berücksichtigt.
Ich bin mir allerdings nicht sicher, ob der angegebene Widerstand von 
260 mOhm für eine Wicklung gilt oder zwischen zwei Motoranschlüssen = 2 
Spulen in Serie gemessen wird.

Autor: sebastian (Gast)
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Hallo Thomas

Das Modell habe ich so zumindest endlich einmal auch verstanden und 
weiss jetzt auch was die Polradspannung wirklich ist. ;)

Ich habe aufgrund deines Beitrags, bevor ich mich morgen nochmals damit 
beschäftige, 2 Fragen.

Wie finde ich heraus ob der Widerstand für 2 Spulen gilt oder für eine?

Ausserdem hätte ich laut vereinfachtes Modell gedacht, dass eher der 
Widerstand weniger eine Rolle spielt, aber die Impedanz der Spule dafür 
mehr. Deshalb ist ja auch nur die Spule skizziert. Aber die ist ja nicht 
angegeben, sprich zB X_L = jwL = ?? Ohm? Wobei die ist ja 
frequenzabhängig und kann ja so nicht angegeben werden, daher müsste 
doch die Induktivität L angegeben werden. Oder täusche ich mich?

Wenn man dann den Betrag der Impedanz ansieht, heisst es, dass mit 
steigender Frequenz auch die Verluste steigen.

Doch noch eine 3. Frage:
die Frequenz w in der Formel jwL --> das ist ja die Frequenz des 
Wechselsignals. Ich bin mir jetzt nicht so sicher, das ist letztendlich 
doch die Frequenz mit der die Stufen geschaltet werden und diese ist von 
der Rotor- oder Polradposition abhängig. Wie berechne ich diese genau?

Fragen über Fragen... ;)

gute Nacht

Autor: Thomas Elger (picalic)
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Hallo Sebastian,

sebastian schrieb:
> Wie finde ich heraus ob der Widerstand für 2 Spulen gilt oder für eine?

Notfalls durch Messen. Solch kleine Werte am Besten mit einem 
Labornetzteil (z.B. auf 1A Strombegrenzung einstellen) und Voltmeter: 
Strom durch den Motor schicken und Spannung an den Motor-Anschlüssen 
messen.

sebastian schrieb:
> Ausserdem hätte ich laut vereinfachtes Modell gedacht, dass eher der
> Widerstand weniger eine Rolle spielt, aber die Impedanz der Spule dafür
> mehr.

Rolle wofür? Die Impedanz des Motors ist ja nicht angegeben, sondern nur 
der ohmsche Widerstand der Wicklung. Dieser spielt eine große Rolle für 
den Wirkungsgrad.

sebastian schrieb:
> Wobei die ist ja
> frequenzabhängig und kann ja so nicht angegeben werden, daher müsste
> doch die Induktivität L angegeben werden. Oder täusche ich mich?
Richtig, aber lässt sich L auch nicht so einfach angeben, weil es alles 
andere als konstant ist. Die Bleche verhalten sich ja nicht-linear, und 
auch die Rotorstellung dürfte einen deutlichen Einfluss auf die 
Induktivität haben, weil der magnetische Kreis mal mehr und mal weniger 
"geschlossen" ist.

sebastian schrieb:
> Wenn man dann den Betrag der Impedanz ansieht, heisst es, dass mit
> steigender Frequenz auch die Verluste steigen.

Der Schein-Widerstand steigt, aber nicht unbedingt die Verluste! Für 
Verluste ist der Widerstand des Kupfers und Verluste im Eisen 
verantwortlich, nicht die Induktivität.

sebastian schrieb:
> die Frequenz w in der Formel jwL --> das ist ja die Frequenz des
> Wechselsignals. Ich bin mir jetzt nicht so sicher, das ist letztendlich
> doch die Frequenz mit der die Stufen geschaltet werden und diese ist von
> der Rotor- oder Polradposition abhängig. Wie berechne ich diese genau?

Das "Umschalten der Stufen" = Kommutierung muss beim Synchronmotor 
synchron zur Stellung des Rotors erfolgen. Wobei eine "mechanische" 
Umdrehung durch die Bauart und Wickelschema des LRK-Motors einer recht 
großen Zahl "elektrischer" Umdrehungen entspricht. Es ergibt eine Art 
eingebautes "Untersetzungsgetriebe" von (hier) 7:1, d.h. 7 komplette 
elektrische Feldumdrehungen ergeben nur eine mechanische Umdrehung.
http://www.aerodesign.de/peter/2001/LRK350/Warum_d...

: Bearbeitet durch User
Autor: sebastian (Gast)
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Thomas E. schrieb:
> Hallo Sebastian,
>
> sebastian schrieb:
>> Wie finde ich heraus ob der Widerstand für 2 Spulen gilt oder für eine?
>
> Notfalls durch Messen. Solch kleine Werte am Besten mit einem
> Labornetzteil (z.B. auf 1A Strombegrenzung einstellen) und Voltmeter:
> Strom durch den Motor schicken und Spannung an den Motor-Anschlüssen
> messen.
>


Vielen Dank für deine Erläuterungen.

Ich habe mir jetzt nochmals Gedanken gemacht. Es geht mir folgend darum, 
den Strom durch die Spulen zu bestimmen.

Wir hatten ja kurz über den Fall gesprochen, dass bei gewünschten 10000 
Umdrehungen eine Spannung Up = 4.3V induziert werden würde. Mit Us = 7.5 
V würde dann mit 2 Wicklungen (2xRi) also ein Strom von 6.4A fliessen.

Nur zur 1. Frage: Wie kann ich nun genau bestimmen, welche Spannung an 
den Klemmen anliegen muss, damit ich überhaupt die 10000 Umdrehungen 
erreiche?
Es ist ja sicherlich nicht so, dass genau bei diesem Fall von Us = 7.5 V 
auch 4.3V erreicht werden, sprich 10000 Umdrehungen.

Ich denke einfach, solange ich das nicht berechnen kann, habe ich das 
Ganze auch nicht verstanden. So lerne ich anscheinend am Besten.


Weiters habe ich mir überlegt, dass auch eine Spannung an der Wicklung 
selbst abfallen muss, nicht nur am Innenwiderstand Ri.
Ich habe nochmals das Schaltbild aus dem Netz genommen und den 
Wicklungs-Widerstand eingesetzt, da dieser ja angegeben ist. Auf diese 
Weise aber habe ich keinerlei Kenntnis über die Grösse der Spannung, die 
an der Induktivität abfällt.

Jedoch komme ich zu folgendem Ergebnis:
Us.... Klemmenspannung
Ld.... Induktivität
Xd.... ws*Ld
Rs.... Innenwiderstand (Wicklung)
Up.... Polradspannung
dU.... Differenzspannung ( Z*Is = (Rs+jXd)*Is )

_k.... heisst komplex

Us_k - Up_k - dU_k = 0
Us_k = Up_k + dU_k = Up_k + (Rs+jXd)*Is_k

Is_k = (Us_k - Up_k)/(Rs+jXd) = Ud_k/(Rs+jXd)

Macht es Sinn so zu rechnen? Eine Einzige Aussage kann ich nur über den 
Widerstand Rs treffen, kenne ja seine Grösse und der Polradspannung Up_k 
= Up_dach * e^(wt+Phi) = Up_dach * (cos(wt+Phi) + j*sin(wt+Phi))

Wie kann ich denn am Besten vorgehen, um den Strom festlegen zu können?
Es muss ja letztendlich möglich sein, dass die Bauteile (Mosfets) den 
Max Continuous Current (A) 60s = 16A und Max Burst Current <10s = 32A 
vertragen?

Gibt es da eine geschickte Vorgehensweise?

Autor: Thomas Elger (picalic)
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sebastian schrieb:
> Nur zur 1. Frage: Wie kann ich nun genau bestimmen, welche Spannung an
> den Klemmen anliegen muss, damit ich überhaupt die 10000 Umdrehungen
> erreiche?
> Es ist ja sicherlich nicht so, dass genau bei diesem Fall von Us = 7.5 V
> auch 4.3V erreicht werden, sprich 10000 Umdrehungen.

Die erforderliche Eingangsspannung, um z.B. 10000 Upm zu halten, hängt 
natürlich stark von der Leistung ab, die dem Motor abverlangt wird. Wenn 
der Motor lediglich im Leerlauf rotieren soll, fließt nur der 
Leerlaufstrom (der ist ja zum Motor angegeben), und dementsprechend muss 
die Spannung nicht weit über 4,3V liegen (über'n Daumen: ein halbes Ohm 
Ri, 0,8A Leerlaufstrom -> 0,4V Spannungsabfall, also Eingangsspannung 
bei 4,7V, in der Praxis ggf. etwas mehr). Wenn der Motor richtige 
Leistung abgeben soll, muß die Spannung entsprechend höher sein, damit 
genügend Strom durch die Wicklung fließt, um das Drehmoment für die 
geforderte Leistung zu erzeugen. Denn der Strom erzeugt das Drehmoment, 
und die Spannung bestimmt die Drehzahl.

Autor: sebastian (Gast)
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Hallo Thomas

Achso, solange also keine Last dran ist, fliesst immer der 
Leerlaufstrom, in diesem Fall 0.81A.
Mit angegeben ist aber, dass dieser bei 12.6V fliesst.
Das würde also heissen, dass dies dann 12.6V - 0.81A*2*0.26Ohm ca. 
Up=12.2V ergibt.
12.2V*2350U/V ergibt dann etwa 28600 Umdrehungen. (Ohne Verluste)

So wie ich dich aber verstehe, müssen auch 0.81A fliessen, wenn ich zB 
Us=15V anlege. (Dazu müsste natürlich die Betriebsspannung höher sein 
als die bisher angenommenen Spannung U_Betrieb=15V)

Wieso gibt der Hersteller dann die 12.6V an?


Es ist mir klar, dass die Spannung die Geschwindigkeit ändert und der 
Strom das Moment. Jedoch "regle" ich doch über die Mosfets bzw. der PWM 
die Spannung. (Siehe Bild) Der Strom Is ergibt sich doch dann, je nach 
dem welche Last dranhängt.
Ich kann doch so mit der Kommutierung allein nicht auch noch den Strom 
regeln, sondern nur irgendwie begrenzen.
Liege ich da richtig?

Angenommen ich hätte den Fall Up=4.3V + Ohmsche Verluste am 
Innenwiderstand Rs. Us wäre dann ca. 4.7V. Drehzahl wäre dann also bei 
10000 Umdrehungen.
Jetzt möchte ich auf 20000 beschleunigen und das wenn möglich sehr 
rasch. Beim Beschleunigen werden hohe Momente benötigt, daher steigt 
dann auch der Strom an.
Ich würde nun sagen, dass die PWM in jeden Fall geändert werden muss, 
damit sich ein höheres Us einstellt und die Geschwindigkeit steigt. 
Dabei muss ich mich ganz auf den Motor und seine Zeitkonstante 
verlassen, da ich ja nach der PWM, die von der Regelung vorgegeben wird, 
ja gar keinen Einfluss mehr habe, den Strom zu regeln. Denn dies 
geschieht ja über die Kommutierung.
Bei einem Flugobjekt zB wird ja die Drehzahl vorgegeben, sprich die 
Spannung. Die Drehzahl sollte aber ziemlich schnell erreicht werden. 
Damit muss ich doch zusätzlich auch das Moment bzw. den Strom regeln 
können.

Wie bewerkstelligt man das genau?
Mit der Vektorregelung regelt man ja auch nur das Moment und den magn. 
Fluss


Vielen Dank
Grüsse Sebastian

Autor: Thomas Elger (picalic)
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Hi Sebastian,

sebastian schrieb:
> 12.2V*2350U/V ergibt dann etwa 28600 Umdrehungen. (Ohne Verluste)

der Verlust am internen Spannungsabfall gehört ja auch schon zu den 
Verlusten. Sonst rechnet man einfach KV*angelegte Spannung = Drehzahl.

sebastian schrieb:
> So wie ich dich aber verstehe, müssen auch 0.81A fliessen, wenn ich zB
> Us=15V anlege. (Dazu müsste natürlich die Betriebsspannung höher sein
> als die bisher angenommenen Spannung U_Betrieb=15V)

Ja, der Leerlaufstrom ändert sich nur geringfügig mit der 
Eingangsspannung.

sebastian schrieb:
> Wieso gibt der Hersteller dann die 12.6V an?

Etwas variiert er aber doch, daher wird eine Referenzspannung angegeben, 
bei der der angegebene Leerlauf-Strom gemessen wird.
Die 12,6V ergeben sich aus der empfohlenen LiPo-Zellenzahl (3s Lipo, 
vollgeladen)
Generell wird der Betriebsspannungsbereich nur angegeben, damit der 
Kunde (Zielgruppe für diesen Motor dürften die Modellbauer sein) einen 
Richtwert hat, in welchem Spannungsbereich der Motor sinnvoll betrieben 
werden kann.
Das ist als Richtwert zu betrachen, ohne harte Ober- oder Untergrenze. 
Bei niedrigen Spannungen sinkt der Wirkungsgrad, bei höheren Spannungen 
steigen Drehzahlbedingte Probleme und Verluste: Eisenverluste, im 
Extremfall droht sogar mechanische Zerstörung durch Fliehkräfte, und der 
Controller muss ja mit der Kommutierung auch noch hinterherkommen. Bei 
40 000 mechanischen Upm wären das immerhin schon 280 000 elektrischen 
Umdrehungen, *6 (bei Blockkommutierung) = 1,7 Mio. Kommutierungen/min. = 
36 µs pro Kommutierung für den steuernden Mikrocontroller.

sebastian schrieb:
> Ich kann doch so mit der Kommutierung allein nicht auch noch den Strom
> regeln, sondern nur irgendwie begrenzen.
> Liege ich da richtig?

Durch die Kommutierung wird nicht der Strom geregelt, sondern der 
Feldwinkel zwischen Rotorstellung und Magnetfeld. Der mechanische Winkel 
wird gemessen (beim sensorlosen Motor mit Blockkommutierung i.d.R. durch 
Messung der induzierten Spannung am stromlosen Anschluss) und der 
Kommutierungszeitpunkt für die nächste Phase daraus abgeleitet.
Begrenzt wird (wenn überhaupt) unabhängig davon nur über die Spannug 
bzw. PWM.

Autor: sebastian (Gast)
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Hallo Thomas

Danke für deine Erklärungen, aber irgendwie verstehe ich überhaupt 
nichts mehr und bin vollkommen verwirrt.

Ich weiss nicht, ob ich die Fragen falsch stelle oder das System so 
kompliziert ist.
Wir haben doch gesagt, dass je nach dem wie die PWM ist, sich eine 
gewisse Spannung Us einstellt. --> Damit regle ich doch die 
Geschwindigkeit
Aber wer sagt mir nun, dass ich die Geschwindigkeit auch innerhalb einer 
bestimmten Zeit erreiche? Denn der Strom wird ja nicht geregelt und 
bekanntlich ist M = J*alpha. Das heisst, dass ich mich da auf den Motor 
verlassen muss.

Jetzt nochmals zurück zu den Drehzahlen. Angenommen ich hätte eine 
Polradspannung von 4.3V, sprich 10000 Umdrehungen.
Jetzt möchte ich kurzzeitig auf 20000 Umdrehungen und das aber innerhalb 
einer vorgegebenen Zeit erreichen.

Wenn jetzt mit der PWM der Strom also nicht geregelt wird, sondern die 
Spannung, habe ich also keinen Einfluss auf das Moment, sprich wie 
schnell ich die gewünschte Drehzahl auch erreichen möchte.

Denn beim Gleichstrommotor geht es ja, einer Geschwindigkeitsregelung 
ist eine Stromregelung unterlagert. Also wird dieses geregelt.

Wie darf ich mir das jetzt beim BLDC vorstellen? Das ist ja irgendwie 
keine saubere Lösung?!

Autor: sebastian (Gast)
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Nachtrag zum oberen Beitrag:

Worauf ich hinaus möchte ist auch, dass ich auf diese Weise ja auch gar 
nicht weiss, was für ein Strom jedes Mal fliesst, wenn mal eine Last 
dran hängt, die konstant ist.
Denn welche Spannung Up sich einstellt hängt ja auch von UR = Is * Rs 
ab, sprich dem Verlust --> Up = Us-UR

Is .. Strom
Rs .. Innenwiderstand


Oder kann man sagen, dass bei einer bestimmten Trägheit/Last an der 
Welle auch beim Beschleunigen immer der gleiche Strom fliesst? Macht 
doch so auch keinen Sinn irgendwie. Das verstehe ich so leider einfach 
nicht. Irgendwas fehlt mir da noch.

Autor: Possetitjel (Gast)
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sebastian schrieb:

> Wir haben doch gesagt, dass je nach dem wie die PWM ist,

???
Sprichst Du von einem BLDC oder einer Gleichstrommaschine?

Ein BLDC ist ein elektronisch kommutierter Synchronmotor;
der verträgt sich m.W. ganz schlecht mit PWM.

Autor: Thomas Elger (picalic)
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sebastian schrieb:
> Denn beim Gleichstrommotor geht es ja, einer Geschwindigkeitsregelung
> ist eine Stromregelung unterlagert. Also wird dieses geregelt.

Ich glaube, Du denkst irgendwie zu kompliziert...

Der BLDC Motor funktioniert im Prinzip genauso, wie ein Bürsten DC 
Motor. Lediglich die Kommutierung wird technisch anders realisiert, aber 
das Prinzip ist das gleiche. Beim BLDC wird das Umpolen an der Wicklung 
(Kommutierung) elekronisch gemacht, beim Bürstenmotor mechanisch durch 
Kollektor und Kohlebürsten.
Beim Bürsten-Gleichstrommotor muss ja auch nichts extra über den Strom 
geregelt werden. Wenn man ihn an 6V anschließt, dreht er ungefähr halb 
so schnell, wie an 12V, und je nach Last ändert sich die Stromaufnahme 
und die Drehzahl bricht auch mehr oder weniger ein. Zu jeder angelegten 
Spannung und mechanischer Belastung des Motors wird sich eine bestimmte 
Drehzahl und Stromaufnahme einstellen, ganz ohne extra Regelung.
Einen Bürstenmotor kann man aber auch über PWM an einer konstanten 
Spannungsquelle betreiben und so seine Drehzahl elektronisch steuern, 
was auch der PWM beim BLDC entspricht.
Regeln bzw. begrenzen muß man den Strom ggf. nur, um evtl. unzulässig 
hohe Ströme zu verhindern, die die FETs zerstören könnten. Beim 
Anlaufen/Beschleunigen fließt natürlich kurz auch mal ein höherer Strom, 
aber den vertragen die FETs im ESC in der Regel problemlos, da er ja nur 
für Sekundenbruchteile auftritt und durch die unvermeidlichen Widertände 
auch nicht unendlich hoch werden kann. Größere/bessere ESCs haben meist 
irgendeine Form der Stromüberwachung drauf.
Meist wird die PWM im ESC auch nicht schlagartig auf einen hohen Wert 
umgeschaltet, sondern ein "Sanftanlauf" verwendet. So hält sich die 
Beschleungung und damit auch der Strom zur Überwindung der 
Massenträgheit in Grenzen.

sebastian schrieb:
> Worauf ich hinaus möchte ist auch, dass ich auf diese Weise ja auch gar
> nicht weiss, was für ein Strom jedes Mal fliesst, wenn mal eine Last
> dran hängt, die konstant ist.

Wenn Du eine bekannte mechanische Last hast, kannst Du über die 
mechanische Leistung (Drehmoment x Drehzahl) unter Berücksichtigung des 
Motor-Wirkungsgrads doch die elektrische Eingangsleistung, und damit 
auch den Strom ausrechnen.

Autor: Thomas Elger (picalic)
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Possetitjel schrieb:
> Ein BLDC ist ein elektronisch kommutierter Synchronmotor;
> der verträgt sich m.W. ganz schlecht mit PWM.

Natürlich werden die über PWM gesteuert - wie soll man die Drehzahl 
sonst einstellen?

Autor: sebastian (Gast)
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perfekte Erklärung, jetzt habe ich da endlich mal verstanden.
Manchmal denke ich wirklich zu kompliziert..

Vielen Dank, jetzt komme ich vorerst einmal wieder weiter. ;)

Autor: Possetitjel (Gast)
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Thomas E. schrieb:

> Possetitjel schrieb:
>> Ein BLDC ist ein elektronisch kommutierter Synchronmotor;
>> der verträgt sich m.W. ganz schlecht mit PWM.
>
> Natürlich werden die über PWM gesteuert - wie soll man die
> Drehzahl sonst einstellen?

Über die Frequenz des Drehfeldes?

Autor: Klaus (Gast)
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Possetitjel schrieb:
> Über die Frequenz des Drehfeldes?

Du verwechselst BLDC mit Schrittmotor. An der Frequenz kann man nichts 
drehen, die hängt an den Nulldurchgängen der Back-EMF bzw der 
Hall-Sensoren.

MfG Klaus

Autor: sebastian (Gast)
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Hallo Thomas

Nach deinem Beitrag habe ich einmal versucht ein Modell des Motors zu 
erstellen. Dabei bin ich auf das im Link unten verfügbare Modell 
gekommen.
Dabei habe ich die folgenden physikalisch hergeleiteten Gleichungen 
verwendet.

Ich habe zwar keine Angabe über die Induktivität, aber naja, ich 
entschied mich mal zuerst das Modell "vollständig" zu machen.

Us - UR - UL - Up = 0
mit
Up = n/kv = 30*w/(pi*kv)
kT*kV = 1
UL = L* dIs/dt
UR = Rs*Is
mechanische Seite:
J*alpha = Mmotor - MReibungviskos
Mmotor = kT* Is
Mreib = D*w

Nach ein paar Zeilen Algebra folgendes Modell:

https://ufile.io/e2ikd

Ist das soweit korrekt? Es entspricht also nur einem Subsystem und ist 
sozusagen die Regelstrecke.

Mir geht es im nächsten Schritt einmal die grobe Regelung zu verstehen, 
sprich was der PID später der PWM übergibt. Im Netz habe ich zB eine 
Regelungsart gefunden, die die Position als Sollgrösse vorgibt etc.
Dinge, die ich noch nicht so ganz nachvollziehen kann.

Autor: Jobst Quis (joquis)
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sebastian schrieb:
> mechanische Seite:
> J*alpha = Mmotor - MReibungviskos
> Mmotor = kT* Is
> Mreib = D*w

Da fehlt noch etwas Wesentliches, die Schwungmasse. Diese verhält sich 
wie eine große Kapazität, bei der die Drehzahl der Spannung entspricht.

Jede Drehzahlerhöhung ist eine Belastung und erfordert einen hohen Strom 
(wie Anlaufstrom). Eine schnelle Drehzahlverminderung braucht eine 
Bremsung durch Aufnahme von Strom, der Motor wirkt dabei als Generator.

Autor: sebastian (Gast)
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Jobst Q. schrieb:
> sebastian schrieb:
>> mechanische Seite:
>> J*alpha = Mmotor - MReibungviskos
>> Mmotor = kT* Is
>> Mreib = D*w
>
> Da fehlt noch etwas Wesentliches, die Schwungmasse. Diese verhält sich
> wie eine große Kapazität, bei der die Drehzahl der Spannung entspricht.
>
> Jede Drehzahlerhöhung ist eine Belastung und erfordert einen hohen Strom
> (wie Anlaufstrom). Eine schnelle Drehzahlverminderung braucht eine
> Bremsung durch Aufnahme von Strom, der Motor wirkt dabei als Generator.

Das J = Jges = JMotor+JLast
Ich hätte das auch so schreiben können:

JMotor * alpha_motor = M_motor - MReibung - MLast
oder direkt

JMotor * alpha_motor = M_motor - MReibung - J_Last * alpha motor

(JMotor+J_Last) * alpha_motor = M_motor - MReibung

Daher

J*alpha = Mmotor - MReibungviskos

Demnach müsste es so passen.

Autor: sebastian (Gast)
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Jobst Q. schrieb:
> sebastian schrieb:
>> mechanische Seite:
>> J*alpha = Mmotor - MReibungviskos
>> Mmotor = kT* Is
>> Mreib = D*w
>
> Da fehlt noch etwas Wesentliches, die Schwungmasse. Diese verhält sich
> wie eine große Kapazität, bei der die Drehzahl der Spannung entspricht.
>
> Jede Drehzahlerhöhung ist eine Belastung und erfordert einen hohen Strom
> (wie Anlaufstrom). Eine schnelle Drehzahlverminderung braucht eine
> Bremsung durch Aufnahme von Strom, der Motor wirkt dabei als Generator.

Ich habe nochmals recherchiert. Du bist im Recht.

Die Gleichung ist somit:
J*alpha = Mmotor - MReibungviskos - MLast

Dann frage ich mich aber, was dann das J ist. Ich hätte nämlich gemeint, 
dass das JMotor+JLast ist.

Autor: sebastian (Gast)
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Ich muss nochmals nachhaken. Letztens bin ich etwas neben der Spur 
gewesen. Natürlich muss neben dem Reibungsmoment und dem inneren Moment 
des Motors auch ein Belastungsmoment vorhanden sein. Sonst hätte man ja 
den Leerlauf. Das Modell wurde angepasst. (Anhang)


Nun zu meiner Frage:

Wenn ich nun eine Masse auf der Welle habe, sprich eine Trägheit, so 
wirkt je nachdem wie schnell beschleunigt wird ein anderes Lastmoment. 
Dieses wird ja sozusagen in der Regelungstechnik als Störgrösse 
bezeichnet. Um dieses später in der Regelung zu berücksichtigen muss ich 
diese Grösse messen.
Wie stellt man das an bzw. wie wird dieses Moment berücksichtigt?
Wenn ich das Trägheitsmoment nicht kenne, wie kann ich lediglich diese 
Grösse messen?

Andererseits habe ich nun auf diese Weise eine Regelstrecke des 
BLDC-Motors. Nun habe ich im Netz eine Beschreibung gefunden, wie man 
den Motor regeln könnte. Wenn eine Regelstrecke gegeben ist, dann kann 
man den PID Regler darauf auslegen und die Koeffizienten bestimmten. Das 
hätte ich auch getan, aber wie dem Bild simu2 zu entnehmen ist, hängt da 
eine PWM dazwischen. Also kommuniziert der Regler direkt mit dem 
PWM-Block.
Heisst das nun:
Die Regelstrecke benötigt als Eingangsgrösse Us, um die Geschwindigkeit 
w am Ausgang einzustellen. Daher ist dafür eine bestimmte Spannung durch 
die PWM erforderlich.
Diese Spannung erreicht man durch ein gewisses Tastverhältnis, die der 
PWM übermittelt werden muss.

Nun kommt schon mein Verständnisproblem. Die Grösse, die der Regler mit 
seinen Koeffizienten Kp, Ki, Kd am Ausgang ausgibt, ist doch kein 
Tastverhältnis für die PWM.
Am Anfang als Sollgrösse gibt man doch eine Geschwindigkeit vor. Welche 
Einheit hat diese Grösse? Letztenendes sind das irgendwelche Spannungen 
nehme ich an, die zuvor umgerechnet wurden.

Könnte mich da vielleicht jemand einmal aufklären? Ich blicke da 
irgendwie nicht so ganz durch.
Ich wäre euch sehr dankbar.

Autor: Thomas Elger (picalic)
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sebastian schrieb:
> Nun kommt schon mein Verständnisproblem. Die Grösse, die der Regler mit
> seinen Koeffizienten Kp, Ki, Kd am Ausgang ausgibt, ist doch kein
> Tastverhältnis für die PWM.

Nee, aber es ist ein Zahlenwert als Stellgröße, z.B. eine Zahl zwischen 
0 und 1. Das kann man ja auch leicht als 0..100% PWM-Duty definieren, 
ergibt für den Motor dann eine Eingangsspannung zwischen 0 und voller 
Versorgungsspannung. Ich würde die PWM einfach als Teil des Subsystems 
betrachten, denn sie gehört ja eher zur technischen Realisierung, als 
zur theoretischen Betrachtung der Regelstrecke.

sebastian schrieb:
> Am Anfang als Sollgrösse gibt man doch eine Geschwindigkeit vor. Welche
> Einheit hat diese Grösse?

Die Einheit, die Du für praktikabel hältst! Kann Umdrehungen pro Minute 
sein, Radiant/Sekunde, Frequenz des el. Drehfelds in Hz, Geschwindigkeit 
Deines Fahrzeugs in m/s oder km/h oder von mir aus auch in Angström pro 
Jahr - reine Definitionssache!
Für die theoretische Betrachtung bietet sich wohl auch hier eine 
abstrakte Größe in Form einer Zahl in einem bestimmten Intervall an 
(z.B. zwischen 0 und 1, oder -1 und +1 wenn auch die Drehrichtung 
berücksichtigt werden soll.

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