Hallo in die Runde! Mit einem RasPi Zero und der Adafruit-DC-&-Stepper-Motor-Erweiterungskarte (https://learn.adafruit.com/adafruit-dc-and-stepper-motor-hat-for-raspberry-pi) werden 12-V-BLDC-Motoren angesteuert. Die vorgegebene PWM-Frequenz der Erweiterungskarte hat 1525 Hz und kann bis auf 24 Hz gesenkt werden. Der PWM-DutyCycle wird von 0 bis 1 in 0,01-Schritten eingestellt. Die PWM-gesteuerte Leistungsstufe (PCA9685-PWM- und TB6612-MOSFET-Treiber) ist in der Erweiterungskarte integriert, so dass die Motoren direkt ohne weitere Beschaltung angeschlossen werden können. Wird der dC-Wert 1 eingestellt, so schaltet die Erweiterungskarte die 12 V direkt durch. Beim dC-Wert 0 ist der Ausgang geschlossen. Misslich ist, dass Adafruit in der Beschreibung der Erweiterungskarte nicht erwähnt, dass der TB6612-IC auf Brushed-DC-Motoren ausgelegt ist; jedenfalls habe ich es dort nicht wahrgenommen. Bei solchen Motoren ist eine direkte (ungeglättete) PWM-Ansteuerung in der Regel problemlos. Die Ansteuerung der hiesigen BLDC-Motoren funktioniert als solches einigermaßen. Jedoch gibt es zwei Einschränkungen. Die Motoren reagieren zwar auf unterschiedliche dC-Werte mit unterschiedlichen Drehzahlen, aber der Sprung von 0,99 auf 1 ist enorm, so dass ein großer Teil des steuerbaren Spannungsbereichs faktisch nicht genutzt werden kann. Demgegenüber funktioniert die Steuerung durch eine direkte Regelung der Spannungshöhe problemfrei. Außerdem geben die Motoren selbst bei der kleinsten einstellbaren Frequenz einen PWM-typischen Ton von sich, was bei solchen auf Spannungsregelung ausgelegten BLDC-Motoren befürchten lässt, sie könnten vorzeitig den Dienst quittieren. Eine PWM-gesteuerte Spannung in eine „reine“ Gleichspannung umzuwandeln, ist an und für sich ein alter Hut: Tiefpassfilter. Aber im vorliegenden Fall gibt es ein paar Besonderheiten: Beigefügt habe ich einen (ersten) Schaltungsentwurf, der im Ergebnis von entsprechenden Simulationen in LTspice entstanden ist. Dabei sind konkrete Bauelemente eingesetzt worden, die beispielsweise bei Bürklin aktuell verfügbar sind – freilich in dem Vertrauen, dass die hinterlegten Eigenschaften zutreffend sind. Insoweit war für mich durchaus überraschend, wie stark die von den darauf gestützten Simulationen generierten Spannungs- und Stromverläufe von denjenigen abweichen, die auf abstrakten Bauteildaten der Standardberechnungen für solche Tiefpassfilter (RC-/LC-Glied) beruhen. Eine Folge dessen ist, dass die Motoren eine Schutzdiode benötigen, weil sie bei simulationsgemäßer Falschpolung zerstört werden würden. Die Simulationen zeigten nämlich durch den Tiefpass ausgelöste negative Spannungsverläufe am Motor auf. Ferner wurde die Zenerdiode D3 eingebaut, weil es zu Spannungsspitzen deutlich oberhalb von 12 V kommen kann. Auch hier besteht eine Zerstörungsgefahr für die Motoren. Ebenso in die andere Richtung, nämlich zur Erweiterungskarte hin, gab es vor allem Stromverläufe, die deutlich über das hinausgehen, was nach den Spezifikationen der Erweiterungskarte zulässig erscheint. Gerade der kritische dC-Wert von 0,5 zeigt hier Extremwerte. Denn die Erweiterungskarte lässt nur einen maximalen Betriebsstrom von 1,2 A und einen Peakwert von 3 A für maximal 20 ms (laut TB6612-Datasheet 3,2 A) zu. So schön wie (idealisierte) Standardberechnungen als Tiefpass-Einstieg sein mögen, offenbart die Simulation in LTspice in ernüchternder und zugleich erhellender Weise, wie sich die Schaltung voraussichtlich mit den auszuwählenden Bauelementen verhalten wird. Eingestiegen bin ich zunächst mit einem LC-Glied (ohne zusätzlichen Widerstand) mit Werten von 3,3 mH und 3 mF bei einer Grenzfrequenz von 50 Hz. Bei einer PWM-Glättung führen nämlich solch niedrige oder noch kleinere Frequenzen theoretisch zu der erwünschten Umwandlung in eine akzeptabel restwellige Gleichspannung (Vpp << 1 V). Die simulierten Verläufe, die ganz andere Spitzenwerte hervorbrachten, veranlassten mich dann zum Wechsel auf 2 bis 3 RC-Glieder in Reihenschaltung. Hierbei entstand vor allem die Erkenntnis, die Motoren mit einer Sperrdiode, auch wenn diese leider einen Spannungsabfall verursacht, und einer 12-V-Zenerdiode zu schützen. Zudem setzte sich die Erkenntnis durch, dass bei einer solchen Kaskadierung die Grenzfrequenz deutlich größer und somit die Bauteile in ihren Parametern deutlich kleiner gewählt werden können, um zu einem brauchbaren Ergebnis zu gelangen. Wird eine drittes RC-Glied hinzugenommen, so muss der zusätzliche Spannungsabfall am Widerstand mit der Amplitude der Restwelligkeit abgewogen werden. Im Ergebnis wurde deutlich, dass selbst dann, wenn der Widerstand des 2. (und 3.) Glieds mit 0,22 oder 0,47 Ohm sehr klein gewählt wird, brauchbare Ergebnisse, die die vorstehend beschriebenen Besonderheiten berücksichtigen, nur erzielt werden können, wenn der Widerstand des ersten Glieds mindestens 3 Ohm, tendenziell sogar zwischen 4 bis 5 Ohm beträgt. Hieraus folgt aber ein entsprechend deutlicher Spannungsabfall, der sich bei der Ansteuerung von mehreren parallel angeschlossenen Motoren noch stärker auswirkt. Dieser Spannungsabfall war der Auslöser, für das erste Glied doch wieder auf ein LC-Glied, nunmehr mit Widerstand, zurückzukehren. Die Simulationen führten im Ergebnis zu 1,5 mH, wobei das ausgewählte Würth-Modell einen Gleichstromwiderstand von 1,8 Ohm hat. Der Kondensator verblieb bei dem Wert von 470 µF aus den RC-Simulationen, während der beibehaltene Widerstand auf 1,5 Ohm eingestellt wurde, um im Einschaltmoment eine Stromamplitude von unter 3,0 A sicherzustellen. Bei einer PWM-Frequenz von 24 Hz und 100 Hz bis hin zu 500 Hz machen diese Bauteilparameter keinen Sinn, weil z.B. bei 500 Hz und einem dC-Wert 0,5 der Vpp-Wert am Motor immer noch bei rund 2,1 V liegt. Bei 750 Hz wird dann die Grenze von 1 V unterschritten bis hin zu etwas weniger als 0,3 V bei der maximalen Frequenz. Letzteres erscheint in der Gesamtbetrachtung absolut akzeptabel. Hierdurch erscheint auch ein weiteres Glättungsglied entbehrlich, was den unerwünschten Spannungsabfall und den Gesamtaufwand reduziert. Eine Freilaufdiode über der Spule hat die simulierte Wirkung, dass der durch die Spannungsquelle fließende Strom bei einem dC-Wert von 0,5 den Betriebswert 1,2 A in beide Richtungen deutlich übersteigt. Ferner kann bei einem zur Spule parallelgeschalteten Widerstand, wie gelegentlich für induktive Tiefpass-Schaltungen diskutiert wird, in den Simulationen keine Verbesserung wahrgenommen werden. Dasselbe gilt für einen zum Kondensator parallelgeschalteten Widerstand. Eine Freilaufdiode (D1, nur dargestellt, aber nicht verbunden) vor dem Tiefpass erwies sich als kontraproduktiv, weil sie den Stromverlauf (Spannungsquelle und Spule) einerseits in etwa verdoppelte und andererseits diesen mit unschönen Spitzen verschandelte. Abschließend sei noch angemerkt, dass zwei Erweiterungskarten mit insgesamt acht Ansteuerkanälen zum Einsatz kommen. Mit diesen Kanälen werden entweder einzelne Motoren oder Gruppen von mehreren Motoren angesteuert. Die Schaltung soll unterschiedslos an allen acht Kanälen zum Einsatz kommen und alle Ansteuerszenarien abdecken können (= freie Wahl des Kanals). Das zum besseren Verständnis meines Schaltungsentwurfes. Nun meine Fragen zum Schaltungsentwurf: 1) Die Sperrdiode zum Schutz der Motoren ist laut Datenliste in LTspice ein 30-V-Schottky-Typ. Passt das Modell? Sollte eine andere / größere Grenzspannung gewählt werden? Gibt es Schottky- oder andere Modelle, die einen deutlich kleineren Spannungsabfall als 0,3 V haben? Wenn ja welche? 2) Gibt es etwas Besonderes bei der Zenerdiode D3 zu beachten? Der Widerstand R2 dient der Begrenzung des maximal durch die Diode fließenden Stroms (<= 2 mA). 3) Gibt es etwas Besonderes bei der Drossel und/oder dem Kondensator zu beachten? Welche Erfahrungswerte gibt es allgemein und im Speziellen bei den konkret benannten Modellen? 4) Wie kommt es, dass LTspice bei den Simulationen zu den dC-Werten 0 und 1 im Abstand der PWM-Taktzyklen dauerhaft Spannungs- und Stromspitzen generiert, obschon ja eigentlich gar kein echtes Tastverhältnis mehr vorhanden ist, weil jeweils nur ein dauerhafter Schaltzustand anliegt? 5) Wie verlässlich sind die Bauteillisten in LTspice, wenn beispielsweise zu einem ausgewählten Kondensator eine parasitäre Induktivität angegeben wird, die sich im Datenblatt so nicht finden lässt? Immerhin scheinen solche Zusatzangaben die Simulationsergebnisse erheblich zu beeinflussen, was auch verständlich und erforderlich ist. 6) Die Erweiterungskarte ist in der Lage, einen zweipolig angeschlossenen Motor in der Laufrichtung umzuschalten, indem die Polung vertauscht wird. Wie kann die Erweiterungskarte vor zu hohen Spannungsspitzen in der aktuell gepolten Richtung und gegen gegenläufige Spannungsspitzen geschützt werden? Bedarf es dessen überhaupt? Eine Sperrdiode scheidet jedenfalls aus, weil dann die Lade- und Entladevorgänge des Tiefpasses derart behindert werden, dass die Gleichspannungswerte gegen die volle Spannung tendieren – ganz abgesehen von dem abermals zusätzlichen Spannungsabfall über der Diode. Macht es einen Sinn, hier ebenfalls am Eingang des Tiefpasses eine Zenerdiode (D5 mit Widerstand R3) zu platzieren? Auf welche Grenzspannung sollte diese Zenerdiode abgestimmt werden? Sind es 12 V, steigt jedenfalls die Strombelastung der Erweiterungskarte unmittelbar nach dem Einschalten, vor allem beim dC-Wert 1. Welche sonstigen Schutzmöglichkeiten bestünden, ohne die Funktion des Tiefpasses zu behindern? 7) Wie ist es zu beurteilen, wenn der Tiefpass aufgrund seines Lade-/Entladeverhaltens einen gegenläufigen Stromfluss erzeugt? Kann das die Erweiterungskarte schädigen? Wie sieht das aus, wenn der Stromfluss des Tiefpasses – im Gleichlauf mit der Spannung oder gegenläufig – den Wert von 1,2 A übersteigt? Am Motor fließt ja in allen Fällen im Wesentlichen der der Spannungshöhe entsprechende und gleichläufige Strom. 8) Angenommen, es ist kein Motor als Last angeschlossen. Im Falle der Verwendung der Zenerdiode D3 schaltet diese bei einem dC-Wert 1 kurz durch und verweilt dann in einem konstanten Stromfluss von rund 30 µA. Wie ist das zu beurteilen, wenn ein solcher Zustand längere Zeit vorhält? Stromverbrauch? Wärmeentwicklung? 9) Gibt es auch ungeachtet meiner Wahrnehmungen aus den Simulationen und den vorgenannten Fragen irgendwelche Aspekte, die in meiner Schaltung beachtet werden sollten? Wie sind die Erfahrungen mit der PWM-geglätteten Ansteuerung von BLDC-Motoren? 10) Wenn die Tiefpass-Schaltung mehrfach auf engstem Raum realisiert werden muss, sind dann besondere Wechseleinflüsse zu bedenken? Könnte die Schaltung relativ bedenkenfrei auf einem Lochstreifenlayout ausgeführt werden? Freilich sind die Stromflüsse zu bedenken. Aber nach dem derzeitigen Simulationsstand betragen diese beim dC-Wert 0,5 dauerhaft nicht mehr als 0,8 A und das auch nur in der Spitze, wenngleich in der regelmäßigen Häufigkeit der PWM-Frequenz. Noch eine abschließende Information: Am Einsatzort ist aufgrund der physischen Gegebenheiten so gut wie kein Platz vorhanden, deshalb müssen die derzeit benötigten acht Tiefpass-Schaltungen nebst Steckbuchsen für die Motorzuleitungen ebenfalls auf ein bis zwei Platinen im Bonnet-Format passen. Sollte zu einem späteren Zeitpunkt die Anforderung bestehen die Motorgruppen aufzulösen und alle Motoren einzeln anzusteuern, so müssten neben den zusätzlichen Erweiterungskarten auch zusätzliche Tiefpass-Platinen eingebaut werden. Der dafür erforderliche lichte Raum wäre schon jetzt eher nicht darstellbar, weshalb alles auf die kleinstmögliche Größe getrimmt werden muss, um diese Option offenhalten zu können. Besten Dank für Euren Input im Voraus. Hans D.
Hans D. schrieb: > werden 12-V-BLDC-Motoren angesteuert. Die vorgegebene PWM-Frequenz der > Erweiterungskarte hat 1525 Hz Ganz schön wenig. > Die Ansteuerung der hiesigen BLDC-Motoren funktioniert als solches > einigermaßen. Jedoch gibt es zwei Einschränkungen. Die Motoren reagieren > zwar auf unterschiedliche dC-Werte mit unterschiedlichen Drehzahlen, > aber der Sprung von 0,99 auf 1 ist enorm, so dass ein großer Teil des > steuerbaren Spannungsbereichs faktisch nicht genutzt werden kann. Vermutlich weil die Frequenz zu niedrig ist! Solche Motoren arbeiten mit vielen kHz, so 5-20 kHz! > Demgegenüber funktioniert die Steuerung durch eine direkte Regelung der > Spannungshöhe problemfrei. Außerdem geben die Motoren selbst bei der > kleinsten einstellbaren Frequenz einen PWM-typischen Ton von sich, Das macht man ja auch nicht. Was sollen 24Hz PWM bei einem BLDC Motor? > Eine Folge dessen ist, dass die Motoren eine Schutzdiode benötigen, weil > sie bei simulationsgemäßer Falschpolung zerstört werden würden. Unsinn. > Die > Simulationen zeigten nämlich durch den Tiefpass ausgelöste negative > Spannungsverläufe am Motor auf. Nicht alles was eine Simulation anzeigt ist auch echt. > Ferner wurde die Zenerdiode D3 eingebaut, weil es zu Spannungsspitzen > deutlich oberhalb von 12 V kommen kann. Auch hier besteht eine > Zerstörungsgefahr für die Motoren. Quark. > von 3,3 mH und 3 mF bei einer Grenzfrequenz von 50 Hz. Bei einer > PWM-Glättung führen nämlich solch niedrige oder noch kleinere Frequenzen > theoretisch zu der erwünschten Umwandlung in eine akzeptabel restwellige > Gleichspannung (Vpp << 1 V). Alles Unsinn. > Abschließend sei noch angemerkt, dass zwei Erweiterungskarten mit > insgesamt acht Ansteuerkanälen zum Einsatz kommen. Du weißt gar nicht, wovon du redest. In den allermeisten Fällen wird keiner eine PWM noch mit einem LC-Filter glätten, um damit einen Motor anzusteuern! Denn der selber IST der Filter! Entscheidend ist die Stromwelligkeit! Und in vielen Fällen nicht mal die! Du musst herausfinden, was da faul ist. Warum dein Motor so nichtlinear regaiert. Ich vermute Schutzkondensatoren im Motor. Wenn die da sind, spucken sie dir in die Suppe. Du must testen und gescheit messen, vor allem den Strom. Eine Stromzange ist hier sehr wertvoll.
Welchen Motor hast du GENAU? Denn die Dinge haben eine eingebaute Elektronik und die allermeisten vertragen KEINE PWM an der Spannungsversorgung! Allerdings haben einige einen PWM-Eingang.
Hans D. schrieb: > Mit einem RasPi Zero und der > Adafruit-DC-&-Stepper-Motor-Erweiterungskarte > (https://learn.adafruit.com/adafruit-dc-and-stepper-motor-hat-for-raspberry-pi) > werden 12-V-BLDC-Motoren angesteuert. Nein, werden sie nicht. Weiter hab ich nicht gelesen um dein Problem zu erkennen. Du steuerst ein paar BLDC Controller an, keine BLDC Motoren. Beim BLDC Motor sind Rotor und Stator vertauscht, d.h. Du musst das Magnetfeld um den Motor drehen. Und die Geschwindigkeit regelt man nicht mit der Spannung, das macht man nicht mal eben so mit PWM.
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Falk B. schrieb: > Solche Motoren arbeiten mit > vielen kHz, so 5-20 kHz! Nein, bei weitem nicht immer. Sie sind ja bis auf den fehlenden Kommutator baugleich mit DC-Motoren, und dort gibt es durchaus welche, die sogar mit 24Hz zurecht kämen. Dann natürlich vor allem größere Exemplare. 1.525Hz würden für sicher 90% aller EC-Motoren genügen. Daß man das entsprechende Gequieke nicht will, ist die andere Sache... Das vom TO beschriebene Verhalten des Motors erinnert eher an ein Problem bei der Versorgung (z.B. die schnelle Strombegrenzung eines SNTs und die Motorsteuerung führen ein Eigenleben, von dem er nichts mitbekommt).
Falk B. schrieb: > Denn die Dinge haben eine eingebaute > Elektronik und die allermeisten vertragen KEINE PWM an der > Spannungsversorgung! Allerdings haben einige einen PWM-Eingang. GENAU SO ist das! Absolut auf den Punkt gebracht. Die hier eingesetzten Motoren (derzeit 20 Stück unterschiedlicher Modelle) sind alle die Nicht-PWM-Variante, die über die Höhe der Spannung zu regeln sind. Und dabei wird es auch bleiben, weil ein Wechsel auf die PWM-Variante aus einem Blumenstrauß von Gründen nicht zur Diskussion steht. Ich habe bei meinen umfangreichen Recherchen nur zwei mehrkanalige RasPi-/I2C-taugliche Erweiterungskarten gefunden, die einigermaßen in meinen Anwendungsfall passen. Die eine davon unterstützt nur 10 V Betriebsspannung. Die andere ist die von mir benannte. Es gibt noch eine preisintensivere dritte Variante, die aber aufgrund ihrer physischen Abmaße keine Berücksichtigung finden kann. Bei dieser Art spannungsgesteuerter BLDC-Motoren gilt, dass eine PWM-Ansteuerung doch noch funktionieren könnte, wenn die PWM-Frequenz deutlich unter 30 Hz liegt. Die kleinste einstellbare Frequenz von 24 Hz liegt in diesem Bereich. Wie beschrieben zeigen sich dennoch die beiden Einschränkungen, so dass der von Anfang an in Betracht gezogene Schritt der DA-Wandlung nunmehr mittels Tiefpass vollzogen werden soll. Vor diesem Hintergrund dürfte sich zugleich Dein erster Kommentar restlos erledigt haben. Alexander schrieb: > Nein, werden sie nicht. Weiter hab ich nicht gelesen um dein Problem zu > erkennen. Du steuerst ein paar BLDC Controller an, keine BLDC Motoren. Wenn es bei den von mir aufgeworfenen Fragen um die als gegeben hinzunehmenden Motoren gehen würde, dann wäre das gewiss ein interesannter Aspekt. Aber wie hilft mir das bei der ganz konkret zur Diskussion gestellten Tiefpass-Schaltung und deren Beurteilung weiter? > Beim BLDC Motor sind Rotor und Stator vertauscht, d.h. Du musst das > Magnetfeld um den Motor drehen. Und die Geschwindigkeit regelt man nicht > mit der Spannung, das macht man nicht mal eben so mit PWM. Ja, so ist das, weil es mit dem zur Diskussion gestellten Tiefpass ja um die Umwandlung der PWM-getriebenen Spannung in eine zum Taktgrad äquivalente und hinnehmbar restwellige Gleichspannung geht. Was der Controller im Inneren des BLDC-Motors dann aufgrund der konkreten Spannungshöhe veranstaltet, ist ein Thema, das für die von mir aufgeworfenen Fragen zur Tiefpass-Schaltung ohne jeden Belang ist. Uwe S. schrieb: > Nein, bei weitem nicht immer. Sie sind ja bis auf den fehlenden > Kommutator baugleich mit DC-Motoren, und dort gibt es durchaus welche, > die sogar mit 24Hz zurecht kämen. Dann natürlich vor allem größere > Exemplare. > 1.525Hz würden für sicher 90% aller EC-Motoren genügen. Daß man das > entsprechende Gequieke nicht will, ist die andere Sache... > Das vom TO beschriebene Verhalten des Motors erinnert eher an ein > Problem bei der Versorgung (z.B. die schnelle Strombegrenzung eines SNTs > und die Motorsteuerung führen ein Eigenleben, von dem er nichts > mitbekommt). Es ist sehr schön, dass mit diesem Einwurf nunmehr alle Punkte betreffend die hier verwendeten, aber nicht zur Diskussion stehenden BLDC-Motoren abgearbeitet sind. Dann kann dieser Off-Topic-Bereich getrost verlassen werden, um den Fokus auf die zur Diskussion gestellte Tiefpass-Schaltung und auf die von mir aufgeworfenen Fragen zu richten. Ich freue mich auf Eure konstruktiven Antworten und Anregungen zur Tiefpass-Schaltung Hans D.
Mit 1,2kHz betreibt man keine PWM zwecks Glättung im Jahr 2025. Da fehlen 1-2 Nullen! 10-100kHz! Dann werden auch L und C brauchbar klein! Und all deine Angsdioden braucht man auch nicht. Welche Leistung haben die Motoren? Vermutlich ist es einfacher und ausreichend, die mit einer einfachen, linearen Endstufe zu steuern. Einfach per I2C DAC mehrere Steuerspannungen von 0-5V erzeugen und dann eine Leistungsendstufe mit Spannungsverstärkung dahinter. Kostet ein wenig Verlustleistung.
Falk B. schrieb: > Mit 1,2kHz betreibt man keine PWM zwecks Glättung im Jahr 2025. Da > fehlen 1-2 Nullen! 10-100kHz! Es geht ja auch nicht um die PWM als solche. Die PWM mit ihren Stellschritten von 0,01 ist doch nur der in Prozentwerten ausgedrückte Digitalwert einer bestimmten Spannungshöhe zwischen 0 und 12 V. Daher spielt es fasst schon keine Rolle, welche Frequenz genau verwendet wird, weil in allen Fällen der PWM-Taktgrad die eigentliche Information darstellt, die in eine konkrete Spannungshöhe umgewandelt werden soll. Dafür kann jetzt ein DA-Wandler verwendet werden, z.B. ein IC oder auch ein Widerstandsnetzwerk. Ein anderer, üblicherer Ansatz ist ein Tiefpass. Richtig ist natürlich, dass eine PWM-Glättung umso leichter fällt, umso höher die PWM-Frequenz ist ... > Dann werden auch L und C brauchbar klein! ... weil dann auch die Grenzfrequenz höher gewählt werden kann, was gestützt auf den Formelzusammenhang zwangsläufig zu kleineren Bauelementwerten führt. Die Simulationen in LTspice haben aber auch aufgezeigt, dass die mathematisch-theoretischen Zusammenhänge nur die eine Seite der Medaille sind. Die andere Seite ist, ob das gewünschte Ergebnis schon mit einer höheren Grenzfrequenz erreicht werden kann. Bei der Spule hat das immerhin zu einer Reduktion der Induktivität um fast zwei Drittel geführt, während es bei der Kapazität sogar mehr als fünf Sechstel sind. Immerhin! > Und all deine Angsdioden braucht man auch nicht. Angst hin oder her: Es geht dabei regelmäßig eher um pflichtgemäße Sorgfalt. Und ich glaube nicht, dass Du behaupten wollen würdest, ein gutes Schaltungsdesign würde jegliche naheliegende Schutzmaßnahme außer Acht lassen können, insbesondere wenn eine Simulation das nahelegt. Beim unbedarften Freiflugbasteln mag das ja noch angehen, aber bei ernsthafter Lösungsfindung? Ich habe da meine erheblichen Zweifel. Und zu dieser Sorgfalt gehört doch wohl auch: Wenn der Hersteller die Motoren mit dedizierten Anschlüssen für Plus und Minus anbietet, dann spricht alles dafür, dass diese Polung strikt beibehalten wird. Immerhin könnte der in den BLDC-Motoren verbaute Controller bei einer umgekehrten Polung einen irreparablen Schaden nehmen. Wenn die Schaltung, an der der Motor angeschlossen werden soll, im Betriebsverlauf mit negativen Spannungswerten zu einer entgegengesetzten Polung führt, dann besteht insoweit kein Unterscheid zu einem Vertauschen von Plus und Minus beim Anschluss des Motors und der denkbaren Folge der irreparablen Schädigung des Motorinneren. > Welche Leistung haben die Motoren? Aktuell zwischen 0,3 und 1,68 W. Wenn mehrere Motoren in einer Gruppe zusammengefasst werden, dann addieren sich natürlich aus der Sicht des Tiefpasses diese Leistungswerte. > Vermutlich ist es einfacher und > ausreichend, die mit einer einfachen, linearen Endstufe zu steuern. > Einfach per I2C DAC mehrere Steuerspannungen von 0-5V erzeugen und dann > eine Leistungsendstufe mit Spannungsverstärkung dahinter. Kostet ein > wenig Verlustleistung. Dieser Gedankenansatz entspricht dem, was bei der Recherche im Internet zu finden ist: Es wird immer nur die Ansteuerung EINES EINZIGEN Motors diskutiert. Dabei werden alle möglichen Konstrukte in Erwägung gezogen ... Doch suche und finde das, wenn es darum geht, nicht nur einen, sondern zwei Motoren getrennt anzusteuern. Dann bedarf es dieses Endstufenkrams nämlich auch zweimal - jeweils pro Kanal. Erst recht ist nichts Brauchbares zu finden, wenn es um noch mehr Motoren geht - in meinem Fall 20! Wo soll ich diesen ganzen "Schaltungsquatsch" denn "hinpflastern"? Dafür habe ich keinen Platz!!! Siehe meinen Eröffnungsbeitrag am Ende! Und all das ändert obendrein nichts an der Tatsache, dass die Spannung / der Strom am Ende einer solchen "tollen" Leistungsendstufe auch wieder nur eine (unerwünschte) PWM-Charakteristik hat. Und wie verschwindet diese Charakteristik: durch Glättung! Willkommen beim Tiefpass oder dergleichen! Übrigens ist die Leistungsendstufe ja auf der Erweiterungskarte realisiert, so dass Deine Überlegung längst realisiert ist - siehe den ersten Absatz mit den Klammerangaben in meinem Eröffnungsbeitrag. In der Dokumentation zur benannten und verlinkten Erweiterungskarte kannst Du am Ende der Dokumentation sogar das Blockschaltbild der Erweiterungskarte in Augenschein nehmen. Und das alles umgesetzt im Bonnet-Format! Dank I2C-Bus sogar sehr leicht zu skalieren bei weiterem Bedarf. Was will man mehr? Freilich fehlt bei der Erweiterungskarte noch die Glättung (, auf die es bei den eigentlich adressierten Brushed-DC-Motoren auch nicht ankommen würde). Mithin habe ich alle Deine Überlegungen zu den Motoren schon hinter mir und bin folgerichtig an dem Punkt angelegt, an dem ich mich jetzt befinde: DA-Wandlung eines digitalen Spannungswerts oder konkret die Umwandlung einer PWM-Spannung in einen äquivalenten Spannungswert. Also doch wieder zurück zu meinen Fragen ... Hans D.
Ich schlage vor Du beantwortest diese Frage mal. Wir können alle nur von Dir lernen. Falk B. schrieb: > Welchen Motor hast du GENAU? Denn die Dinge haben eine eingebaute > Elektronik und die allermeisten vertragen KEINE PWM an der > Spannungsversorgung! Allerdings haben einige einen PWM-Eingang. Meine Suche nach spannungsgesteuerten BLDC Motoren war erfolglos. Mir sind nur diese zwei Arten der Ansteuerung von ESC bekannt. Beitrag "Verständnisfrage zu BLDC-Motoren und Steuerungen, PWM" Wenn Du Dir diese Grafik mal anschaust dann verstehst Du warum BLDC Motoren i.d.R. nicht über die Versorgungsspannung für den ESC Controller gesteuert werden. Vielmehr bietet der ESC Controller dafür einen Steuereingang. https://www.mikrocontroller.net/topic/goto_post/7529537 Kann es sein dass wir über Schrittmotoren reden?
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Alexander schrieb: > Ich schlage vor Du beantwortest diese Frage mal. Wir können alle nur von > Dir lernen. > > Meine Suche nach spannungsgesteuerten BLDC Motoren war erfolglos. > Mir sind nur diese zwei Arten der Ansteuerung von ESC bekannt. Bisher haben sich alle Kommentatoren auf das gestürzt, was völlig belanglos ist, weil nicht Gegenstand meiner Fragen - siehe meinen Eröffnungsbeitrag mit der Nummerierung von 1 bis 10. > Wenn Du Dir diese Grafik mal anschaust dann verstehst Du warum BLDC > Motoren i.d.R. nicht über die Versorgungsspannung für den ESC Controller > gesteuert werden. Vielmehr bietet der ESC Controller dafür einen > Steuereingang. Und wenn Du hingegen nicht immer wieder versuchen würdest, mir etwas erklären zu wollen, was hinsichtlich der von mir gestellten Fragen belanglos ist, sondern stattdessen das lesen und zur Kenntnis nehmen würdest, was ich bereits geschrieben habe, wäre das äußerst hilfreich. Ich darf mich selbst zitieren: Hans D. schrieb: > Die hier eingesetzten Motoren (derzeit 20 Stück unterschiedlicher > Modelle) sind alle die Nicht-PWM-Variante, die über die Höhe der > Spannung zu regeln sind. Und dabei wird es auch bleiben, weil ein > Wechsel auf die PWM-Variante aus einem Blumenstrauß von Gründen nicht > zur Diskussion steht. Augenscheinlich hast Du mangels Antwort über die bereits an Dich gerichtete Frage zum Off-Topic noch nicht nachgedacht: Hans D. schrieb: > Aber wie hilft mir das bei der ganz konkret zur > Diskussion gestellten Tiefpass-Schaltung und deren Beurteilung weiter? Hans D.
Ich denke nicht dass es belanglos ist wenn man nicht mal (bürstenlose) Schrittmotoren von BLDC Motoren unterscheiden kann. Hans D. schrieb: > Aber wie hilft mir das bei der ganz konkret zur > Diskussion gestellten Tiefpass-Schaltung und deren Beurteilung weiter? Die Restwelligkeit deines RC-Glieds ist lastabhängig. Daher wäre es sinnvoll zu kennen was da an Motoren dran hängt, und welches Haltemoment du brauchst.
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Hans D. schrieb: > Es geht ja auch nicht um die PWM als solche. Die PWM mit ihren > Stellschritten von 0,01 ist doch nur der in Prozentwerten ausgedrückte > Digitalwert einer bestimmten Spannungshöhe zwischen 0 und 12 V. > Daher spielt es fasst schon keine Rolle, welche Frequenz genau verwendet > wird, weil in allen Fällen der PWM-Taktgrad die eigentliche Information > darstellt, die in eine konkrete Spannungshöhe umgewandelt werden soll. Soweit die Theorie zum Prinzip PWM. Das ist doch aller hier klar. Meine Vermutung ist ja, das deine Motortreiber mit zerhackten Spannung nicht klar kommen und intern nie wissen wie groß den nun die Spannung ist. Du brauchst anscheinend eine saubere DC-Spannung. Ob du jetzt einen DAC und nachgeschaltete lineare Endstufe nimmst oder die PWM ordentlich filterst ist reichlich egal. Hans D. schrieb: > Die andere Seite ist, ob das gewünschte Ergebnis schon mit einer > höheren Grenzfrequenz erreicht werden kann. Bei der Spule hat das > immerhin zu einer Reduktion der Induktivität um fast zwei Drittel > geführt, während es bei der Kapazität sogar mehr als fünf Sechstel sind. > Immerhin! Ach, das hat Falk doh oben geschrieben. Damit werden deine benötigten Bauelemente klein und die Restwelligkeit auch. Hans D. schrieb: > Und all das ändert obendrein nichts an der Tatsache, dass die Spannung / > der Strom am Ende einer solchen "tollen" Leistungsendstufe auch wieder > nur eine (unerwünschte) PWM-Charakteristik hat. Nein, die Spannung ist glatt. Falk spricht hier von einer analogen Endstufe! Der DAC gibt einen glatten Analogwert aus. und ja, du brauchst das dann 20mal. Vuilelicht solltest du einen halben Schritt zurüchtreten und dir die Antworten in Ruhe nochmal durchlesen. Gerade Falk ist hier nicht durch seinen vorsichtigen Stil bekannt, allerdings sind seine Antworten in den allermeisten Fällen technisch genau zutreffend. Du brauchst letztlich eine sauber DC-Spannung. Das macht man heutzutage mit möglichst hoher PWM Frequenz. PWM mit Tiefpass ist letzlich auch nur ein Buck Converter.
Benjamin K. schrieb: > Meine Vermutung ist ja, das deine Motortreiber mit zerhackten Spannung > nicht klar kommen und intern nie wissen wie groß den nun die Spannung > ist. So dürfte die Sachlage sein. > Du brauchst anscheinend eine saubere DC-Spannung. Ob du jetzt einen DAC > und nachgeschaltete lineare Endstufe nimmst oder die PWM ordentlich > filterst ist reichlich egal. Ja das ist im ersten Schritt egal. Im zweiten Schritt geht es um den Schaltungsaufwand und den dafür benötigten physischen Platz. Dieser muss so klein wie möglich und skalierbar sein, was einen Tiefpassfilter wie geschehen in den Fokus rückt. > Hans D. schrieb: >> Und all das ändert obendrein nichts an der Tatsache, dass die Spannung / >> der Strom am Ende einer solchen "tollen" Leistungsendstufe auch wieder >> nur eine (unerwünschte) PWM-Charakteristik hat. > > Nein, die Spannung ist glatt. Falk spricht hier von einer analogen > Endstufe! > Der DAC gibt einen glatten Analogwert aus. und ja, du brauchst das dann > 20mal. Wofür mit Blick auf den ganzen Beschaltungszoo bei mehr als einem Kanal der physische Platz fehlt. Also doch wieder eine Variante mit möglichst wenigen Bauelementen wie bei einem Tiefpassfilter! > Du brauchst letztlich eine sauber DC-Spannung. Das macht man heutzutage > mit möglichst hoher PWM Frequenz. PWM mit Tiefpass ist letzlich auch nur > ein Buck Converter. Die höchste verwendbare PWM-Frequenz sind 1525 Hz (siehe Eröffnungsbeitrag). Überlegungen zu höheren Frequenzen können und müssen dahinstehen. Wir drehen uns bisher mit Diskussionen zu hinzunehmenden, weil unveränderlichen Aspekten (Motoren, PWM-Frequenz) im Kreis und meine Fragen bleiben unbeantwortet. Mit den Ausführungen von Benjamin K. ist jetzt abschließend geklärt, dass es mehrere Wege zur "glatten" Gleichspannung gibt, wovon einer der von mir gewählte ist: Tiefpassfilter. Dann sollte es auch möglich sein, nunmehr den Fokus auf diesen Tiefpassfilter und meine dazu gestellten Fragen zu richten. Ich würde mich darüber sehr freuen! Hans D.
@Benjamin K. im Beitrag #7942286: Danke für Deine asc-Datei. Hast Du die einmal simuliert und Dir dabei den Spannungsverlauf bei V(dcmotor) angesehen? Ob bei einem dC-Wert 1 dann der/die angeschlossene/n 12-V-Motor/en eine Spannung von knapp 14 V tolerieren will/wollen, erscheint fraglich. Freilich dauert es nur rund 14 ms, bis sich 12 V eingestellt haben. Dennoch besteht das Risiko, dass das für eine zerstörerische Wirkung bei den Motoren ausreichen könnte. Der Wert von I(D1) bzw. I(V1) steigt bei dC-Werten von 0.5 bis 1 auf anfängliche Werte von mehr als 3 A. Das gefährdet den MOSFET-Treiber auf der Erweiterungskarte. Oder sehe ich das falsch? Nur mit dem in meinen Eröffnungsbeitrag beschriebenen Widerstand R1 lässt sich dieser Strom der Höhe nach auf unter 3 A begrenzen. Oder gibt es dafür eine Alternative? Übrigens führt der Widerstand R1 ferner dazu, dass V(dcmotor) den Wert von 12 V allenfalls nur noch geringfügig für weniger als 8 ms überschreitet. Somit könnte wahrscheinlich die von mir ursprünglich vorgesehene "Angst"-Zenerdiode D3 nebst Widerstand R2 entfallen. Deren Berücksichtigung resultierte immerhin aus den nicht mehr zum Einsatz kommenden RC-Gliedern. Dann gibt es, wie bereits in meinem Eröffnungsbeitrag zur Frage 6) beschrieben, ein weiteres Problem mit der Diode D1: Bei allen dC-Werten größer 0 und kleiner 1 wird V(dcmotor) deutlich angehoben. Somit verhält sich V(dcmotor) nicht mehr linear-proportional zu den dC-Werten. Das führt zu einem Verlust an gleichmäßiger Regelbarkeit. Das ist ja auch einleuchtend, weil in Sperrrichtung den Tiefpasselementen die Möglichkeit genommen wird, die zuvor aufgenommene Energie wieder abzugeben. Dadurch bleibt Energie gespeichert, die eigentlich gar nicht gespeichert werden soll, weil das nicht die Aufgabe des Tiefpasses sein soll. Hinzunehmen wäre das nur, wenn das der einzige Weg sein sollte, den MOSFET-Treiber auf der Erweiterungskarte vor gegenläufigen Stromverläufen zu schützen. Mit meiner Frage 6) geht es im Kern genau um diese Problemstellung. Wie muss also die Frage 6) sinnvoll beantwortet werden? Sollte die Sperrdiode D1 notwendig sein, wie könnte dann für eine möglichst lineare Proportionalität zwischen dC-Wert und Spannungswert gesorgt werden? Schließlich zeigt die bei Dir verwendete Diode D2 hinsichtlich I(V1) die Wirkung, dass gerade beim dC-Wert 0,5 die Stromspitzen die Grenze des MOSFET-Treiber-Betriebsstroms von 1,2 A austesten. Deshalb würde ich D2 eher weglassen wollen. Bei dem MOSFET-Treiber ist im Ausgang bereits eine Freilaufdiode integriert. Fraglich ist - mangels Models dieses Treibers für LTspice nicht simulierbar - ohnehin die Frage, wie sich diese integrierte Freilaufdiode auf die Spannungs- und Stromverläufe auswirken kann / wird. Möglicherweise ist das ein Teilaspekt der bei Frage 6) zu erörtern ist. Wenn dennoch eine zusätzliche Freilaufdiode in der Schaltung verwendet werden sollte, erschiene mir eine Positionierung vor dem Motor vorzugswürdiger. Was spräche also für oder gegen eine zusätzliche Freilaufdiode D2 überhaupt sowie für und gegen deren Standort vor oder hinter dem Tiefpassfilter? Hans D.
Wenn du gleich am Anfang ein Datenblatt deiner Motore verlinkt hättest statt hier Romane zu schreiben, dann hätte man viel einfacher sehen können was du eigentlich brauchst. Das Platzproblem, das du beschreibst kann so schlimm nicht sein, da du die Zusatzschaltungen im 1. Beitrag auf Lochstreifenraster aufbauen möchtest. Ohne die ganzen Romane gelesen zu haben: Die Dimensionierung deines RC Glieds hängt in erster Linie davon ab welchen Strom dein "Steuer"Eingang (?) der Motore zieht.
Hans D. schrieb: > Nur mit dem in meinen Eröffnungsbeitrag beschriebenen Widerstand R1 > lässt sich dieser Strom der Höhe nach auf unter 3 A begrenzen. Oder gibt > es dafür eine Alternative? Ja klar gibt es die. Ich habe die Simulation das auch eher als Prinzip gemeint, das war nicht fertig dimensioniert. Ist dir überhaupt klar woher die "Spannungsspitze" kommt? Mit idealen Bauelementen: eine Drossel, ein Kondensator, eine Diode, alle in Reihe. Wenn du jetzt einen Spannungssprung auf den Eingang legst, so lädt sich der Kondensator immer auf die doppelte Spannung auf. Egal welche Werte die Bauelemente haben. Das lässt sich doch ganz einfach umgehen, wenn du die PWM langsam hochregelst. Dann gibt es euch keinen Überschwinger. Und die Ströme werden auch kleiner. Einen 470µF Elko umzuladen braucht halt Energie.
Benjamin K. schrieb: > Das lässt sich doch ganz einfach umgehen, wenn du die PWM langsam > hochregelst. Dann gibt es euch keinen Überschwinger. Und die Ströme > werden auch kleiner. Einen 470µF Elko umzuladen braucht halt Energie. Das lässt sich grundsätzlich in das Ansteuerscript einbauen, zumal die dC-Werte ohnehin eher statisch eingestellt werden. Jedoch muss ich auch den Fall in Betracht ziehen, dass ein Kanal möglicherweise ohne mein Zutun von 0 auf 1 durchschaltet, z.B. beim Start des RaspPi nach Stromlosigkeit. Auch dann sollte die Schaltung hinreichend betriebssicher sein. Ebenso muss die zum Anlaufen der Motoren modellabhängig erforderliche Mindestspannung in Betracht gezogen werden. Und dann sind wir noch einmal beim Kondensator. Bei Bürklin werden solche Kondensatoren mit 470 µF nur bis zu einem Rippelstrom von 2(,25) A aufgelistet. Mir ist derzeit noch nicht ganz klar, was das bedeutet, insbesondere wenn mit einem Widerstand R1 (1,5 Ohm) der Einschaltstrom laut Simulation auf knapp 2,8 A begrenzt wird. Grundsätzlich fließt bei einem vollständig entladenen Kondensator im Einschaltmoment ein sehr hoher Anfangsstrom, der in Richtung Kurzschlussstrom tendiert. Mit dem sukzessiven Ladungsaufbau im Kondensator reduziert sich dieser anfängliche Strom relativ schnell. Deswegen würde ich davon ausgehen, dass der Rippelstrom denjenigen Strom (einschließlich Stromspitzen?) meint, der maximal fließen darf, nachdem die Einschalt- und somit Erstladungsphase des Kondensators verlassen wurde. Verstehe ich das richtig? Sofern das Verständnis richtig ist, läge bei einem dC-Wert 0,5 der durch den Kondensator fließende Strom in den Spitzen unterhalb dieser Rippelstrom grenze. Ist es falsch, so würde das bedeuten, der Strom durch den Kondensator müsste entsprechend begrenzt werden. Hans D.
Hans D. schrieb: Hans D. schrieb: > Jedoch muss ich auch > den Fall in Betracht ziehen, dass ein Kanal möglicherweise ohne mein > Zutun von 0 auf 1 durchschaltet, z.B. beim Start des RaspPi nach > Stromlosigkeit. Das ist ein lösbares Problem. Der RasPi verhält sich beim Einschalten immer gleich. Die Ausgänge sind (fast immer) alle Hochohmig, bis sie per Software konfiguriert werden. > Bei Bürklin werden > solche Kondensatoren mit 470 µF nur bis zu einem Rippelstrom von 2(,25) > A aufgelistet. Ripplestrom ist letztlich eine Angabe bezüglich Verlustleistung. Ripplestrom ist zumeist bei 100Hz angegeben. Also dauerhafter Lade- /Entladestrom vom 2,x A mit 100Hz. Das kommt noch von 50Hz Trafos und Gleichrichterdiode. Dein Einschaltstrom ist dem Elko ziemlich egal, der kann das ab. Die Ausgangsstufe deiner Elektronik aber nicht unbedingt. Du kannst da auch einen Widerstand dazwischen hängen, wie du ja schon mehrfach schriebst. Allerdings ist dann die Ausgangsspannung entsprechend Lastabhängig.
Benjamin K. schrieb: > Dein Einschaltstrom ist dem Elko ziemlich egal, der kann das ab. Die > Ausgangsstufe deiner Elektronik aber nicht unbedingt. > Du kannst da auch einen Widerstand dazwischen hängen, wie du ja schon > mehrfach schriebst. Allerdings ist dann die Ausgangsspannung > entsprechend Lastabhängig. Da ich mit dem Widerstand R1 (1,5 Ohm) die Einschaltstromspitze laut Simulation auf knapp 2,8 A beschränke und die Betriebsstromgrenze von 1,2 A nach rund 4 bis 5 ms unterschritten wird, dürfte aus der Sicht des MOSFET-Treibers der Grenzwert von 3 A peak für maximal 20 ms eingehalten sein. Die Ausgangsstufe des MOSFET-Treibers sollte das also ganz gut aushalten können. Freilich muss das mit einer Erhöhung der Lastabhängigkeit erkauft werden - das ist wohl der erforderliche Kompromiss. Den Wert von R1 hatte ich anhand der Simulationen so niedrig wie möglich, aber mit einem Puffer für die Toleranz ausgewählt. Die vier leistungsstärkeren Motoren (typisch 1,32 W, max 1,68 W) sollen mit einem eigenen Kanal angesteuert werden, während die leistungsschwächeren Motoren (0,36 W bis 0,48 W) in Gruppen von drei bis vier Motoren zusammengefasst werden sollen. Daher reichen vorerst acht Kanäle. Mithin sollten die Lastverhältnisse in diesen beiden Fällen ähnlich sein. Sollten leistungsschwächere Motoren später ebenfalls einzelangesteuert werden, ist das Lastverhältnis zum Tiefpass eher noch besser. Überlegenswert könnte sein, die Versorgungsspannung auf 12,3 bis 12,5 V anzuheben, um den Spannungsverlust durch den Tiefpass zu kompensieren. Hier hatte ich bereits ein paar Simulationen gemacht. In diesem Erhöhungsbereich würden auf der Ausgangsseite bei der Einzelansteuerung der leistungsschwächsten Motoren rund 12 V für einen dC-Wert von 1 erreicht werden und in allen anderen Konstellationen eben etwas weniger, aber immer noch >= 11,7 V. Das erscheint mir in praktischer Hinsicht akzeptabel. Übrigens beinhaltet der TB6612-MOSFET-Treiber pro Kanal eine H-Brücke, weshalb die integrierten Freilaufdioden selbstredend sind. Das Datenblatt zu diesem Treiber-IC (https://toshiba.semicon-storage.com/info/TB6612FNG_datasheet_en_20141001.pdf?did=10660&prodName=TB6612FNG) könnte hilfreich sein, um die Ansteuersituation noch besser beurteilen zu können. Leider gibt es kein LTspice-Model für diesen Treiber-IC. Dann könnte darauf eine noch bessere Simulation gestützt werden als die gewählte Spannungsquelle. Hans D.
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