Drehmomentsteuerung für DC-Motor, Stromsteuerung

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Guten Tag,

ich möchte einen kleinen DC Burstenmotor Drehmomentsteuern. Dieser soll entweder bei einem bestimmten Drehmoment (ca. 1,6Nm) abschalten oder dieses halten bis er manual abgeschaltet wird (schaded das dem Motor?). Das eingestellte Drehmoment sollte jedenfalls nicht überschritten werden und sollte über längere Zeit relativ konstant bleiben/schalten.

DC Motoren haben ja eine lineare Strom-Drehmoment Kennlinie. Es müsste also nur der max. Strom abgeriegelt werden.
Dazu nun die Frage: Gibt es fertige, preisgünstige Bauteile welche den Strom begrenzen/abschalten wenn ein bestimmter Schwellwert erreicht wird?? Evt rein über einen Potentiometer justierbar?
Wenn ja wie nennt sich dieses Fachsprachlich und wo könnte ich dennn so eines günstig bekommen (evt. ein Beispiel)?

Der Motor der evt. in Frage käme ist folgender:
http://www.conrad.de/ce/de/product/227560/GETRIEBEMO…

Vielen herzlichen Dank für Eure Antworten!!

Beste Grüße Gebo

#2

Hi,

schadet das dem Motor?

Er wird nur warm. Da im Stillstand der Wärmetransport aus dem Inneren schlechter als im Lauf ist, wird es sinnvoll sein auf evtl. weit weniger als den normalerweise zulässigen max. Strom zu begrenzen.

DC Motoren haben ja eine lineare Strom-Drehmoment Kennlinie.

Weitghend ja.

Es müsste also nur der max. Strom abgeriegelt werden.

Das sehe ich auch so.

Dazu nun die Frage: Gibt es fertige, preisgünstige Bauteile
welche den Strom begrenzen/abschalten wenn ein bestimmter
Schwellwert erreicht wird?? Evtl. rein über einen Potentiometer
justierbar?

Viele Wege führen nach Rom. Ein genau geeignetes IC weiß ich nicht.
Konstantstromquelle mit dem Holzhammer:
Ein LM317 wird mit sagen wir mal 10 Ohm am Ausgang belastet. Die Spannung wird mit dem Poti von 1,27 bis z. B. 10 V einstellbar gemacht. Der Motor wird in die Zuleitung des LM317 geschaltet. Der LM317 wird nun dafür sorgen wollen, dass immer ein Strom entsprechend der eingestellten Spannung und dem Lastwiderstand ( 0,125 bis 1 A) fließt. Vorteil: Sehr simpel. Nachteil: Verbrät viel Leistung, evtl. ist der LM317 zu schwach.

Wie man’s am besten macht, hängt von einer Reihe von Randbedingungen ab. Aber außer der Motorangabe hast du ja (noch) nichts verraten. Z. B. für eine Autoscheibe würde mein Vorschlag auch nach Modifikation wahrscheinlich nur schlecht gehen („schlecht“, „wahrscheinlich“: Hängt auch wieder von Randbedingungen ab).

Grüße, Uwe

#3

Hallo,

der von dir angegebene Motor hat laut Daten max. 180Ncm = 1,8Nm, kann aslo gar nicht so viel mehr wie du benötigst. Evtl. musst du diesen dann gar nicht begrenzen (leider hast du nicht geschrieben wofür das ganze gut sein soll).
Früher gab es auch so tolle mechanische Fahrtregler, waren nix anderes als Drahtpotis in Reihe zum Motor.
So wier hier im 2. Bild über der Achse:
http://www.rc-car-museum.de/1_12_Modelle_aus_aller_W…
Sowas könnte man aus bisschen Widerstandsdraht und einem Röhrchen auch selbst bauen…

Evtl. könntest du das ganze auch mit einem passenden günstigen Modellbau-Fahrtregler regeln. Für dessen Ansteuerung könnte man einen Servotester für ca. 5€ verwenden.

viele Grüße
raicer

#4

Hallo zusammen,

der von dir angegebene Motor hat laut Daten max. 180Ncm =
1,8Nm, kann aslo gar nicht so viel mehr wie du benötigst.

Das ist wahrscheinlich falsch. Die 180 Ncm dürften das Nenndrehmoment sein, das Blockiermoment wäre dann etwa 4 mal so groß. Die Katalogangaben sind unklar, endgültig wird sich das nur über die Nennleistung belegen lassen.

Früher gab es auch so tolle mechanische Fahrtregler, waren nix
anderes als Drahtpotis in Reihe zum Motor.
So wier hier im 2. Bild über der Achse:
http://www.rc-car-museum.de/1_12_Modelle_aus_aller_W…
Sowas könnte man aus bisschen Widerstandsdraht und einem
Röhrchen auch selbst bauen…

Ähhh … Drehwiderstände oder andere einstellbare Leistungswiderstände kann man nach wie vor kaufen! Sie würden hier tatsächlich das Drehmoment einstellbar begrenzen können, allerdings mit einem erheblichen Drehzahlverlust wenn das Abgabemoment steigt.

Nebenbei: Das maximale Drehmoment lässt sich _noch_ einfacher begrenzen, in dem die Betriebsspannung weit genug reduziert wird. Aber spätestens das wird der Fragesteller wohl kaum akzeptieren. Außerdem weiß er das selber.

Evtl. könntest du das ganze auch mit einem passenden günstigen
Modellbau-Fahrtregler regeln. Für dessen Ansteuerung könnte
man einen Servotester für ca. 5€ verwenden.

Das ist ganz daneben. Modellbau-Fahrtregler haben überhaupt keine Überstrombegrenzung, geschweige denn eine definierte oder gar eine einstellbare.

Grüße
Uwe

#5

Hallo,

Das ist wahrscheinlich falsch. Die 180 Ncm dürften das
Nenndrehmoment sein, das Blockiermoment wäre dann etwa 4 mal
so groß. Die Katalogangaben sind unklar, endgültig wird sich
das nur über die Nennleistung belegen lassen.

Glaube nicht, die Angaben sagen 6kg/cm permanent und 18kg/cm max. was dem 3-fachen entsprechen würde, in meinen Augen realistisch ist und sich auch etwa mit deiner Aussage (dem 4-fachen) deckt.

Ähhh … Drehwiderstände oder andere einstellbare
Leistungswiderstände kann man nach wie vor kaufen! Sie würden
hier tatsächlich das Drehmoment einstellbar begrenzen können,
allerdings mit einem erheblichen Drehzahlverlust wenn das
Abgabemoment steigt.

Das es die Dinger noch gibt weiß ich, bei meinem einzigen Versuch nach „Leistungspotentiometer“ zu googeln kamen nur Treffer ab ca. 50€ aufwärts (keine intensive Suche), die früheren Modellbausteller kriegte man für 5€ - die gibts neu aber kaum noch… gebraucht bekommt man die oft für noch weniger Geld bis Geschenkt, daher deren Erwähnung.
Und da der Fragesteller nix zu den Anforderungen geschrieben hat
kann keiner wissen ob eine konstante Drehzahl notwendig ist - eher weniger wenn er schreibt "Drehmoment soll gehalten werden bis abgeschaltet wird, das würde einem gleichschnellen weiterdrehen eher widersprechen.

Nebenbei: Das maximale Drehmoment lässt sich noch einfacher
begrenzen, in dem die Betriebsspannung weit genug reduziert
wird.

So wie es der Poti macht…
Natürlich könnte man den Motor auch mit konstanten 11V betreiben statt mit 12V. Aber woher nehmen? Von einem Netzteil? Dann sollte es auch eine Strombegrenzung haben sonst steigt das Drehmoment wenn der Motor gebremst wird. Wäre es so einfach hätte der Fragesteller bestimmt nicht gefragt :smile:

Aber spätestens das wird der Fragesteller wohl kaum
akzeptieren.

Woher weißt du das?

Das ist ganz daneben. Modellbau-Fahrtregler haben überhaupt
keine Überstrombegrenzung, geschweige denn eine definierte
oder gar eine einstellbare.

Richtig, haben keine Strombegrenzung, so wenig wie der Poti.
Hätten aber die selbe Wirkung. Sind doch auch nix anderes als „elektronische Potis“ mit weniger Verlustleistung, oder?

viele Grüße
raicer

#6

Hallo Gebo,

ich möchte einen kleinen DC Burstenmotor Drehmomentsteuern.
Dieser soll entweder bei einem bestimmten Drehmoment (ca.
1,6Nm) abschalten oder dieses halten bis er manual
abgeschaltet wird (schaded das dem Motor?). Das eingestellte
Drehmoment sollte jedenfalls nicht überschritten werden und
sollte über längere Zeit relativ konstant bleiben/schalten.

Das mit dem „keinesfalls überschreiten“ kann recht kompliziert werden.
Hier weiss ja keiner was das Ganze werden soll.

Wenn das Drehmoment schlagartig erreicht wird, hast du das Problem der Massenträgheit des Motors. Das Drehmoment ist dann kurzzeitig wesentlich höher als durch den Strom eingestellt.

MfG Peter(TOO)

#7

Hi,

Glaube nicht, die Angaben sagen 6kg/cm permanent und 18kg/cm

Braucht man nicht zu glauben. Kann man rechnen (habe ich aber nicht gemacht). Ausgangsdrehmoment = Nennspannung * Nennstrom * Wirkungsgrad / Nenndrehzahl. Das Ganze in Ncm. Wirkungsgrad bei Nennleistung geschätzt 50%. Dann sieht man wo man landet.

Außerdem bezieht sich die Angabe 6 bzw 18 (kg * cm müsste es heißen, wenn nicht N*m ganz korrekt wäre) auf die Belastbarkeit(!) des Getriebes, nicht auf das Abgabemoment des Motors(!!)

Versuch nach „Leistungspotentiometer“ zu googeln kamen nur
Treffer ab ca. 50€ aufwärts (keine intensive Suche),

Conrad, Völkner ab 19,- Euro (10W)

kann keiner wissen ob eine konstante Drehzahl notwendig ist -

Richtig

Nebenbei: Das maximale Drehmoment lässt sich noch einfacher
begrenzen, in dem die Betriebsspannung weit genug reduziert
wird.

So wie es der Poti macht…

Nein, die Drehzahl steigt im unbelasteten Fall wesentlich geringer. Siehe auch Modellbau-Fahrtregler.

Natürlich könnte man den Motor auch mit konstanten 11V
betreiben statt mit 12V.

Ich rede von ca. 1/3 der Nennspannung um auf ein entsprechende kleines, für den Motor ungefährliches Blockiermoment zu kommen.

Aber woher nehmen? Von einem Netzteil?

Z. B einen Motor mit höherer Betriebsspannung kaufen. Ich kenne die Randbedingungen des Fragestellers doch auch nicht. Es geht auch um die prinzipiellen Lösungsansatz, auch wenn er in der Praxis wenig sinnvoll wäre.

Aber spätestens das wird der Fragesteller wohl kaum
akzeptieren.

Woher weißt du das?

Wenn er schon explizit nach einer Strombegrenzung fragt und DC-Motorkennlinien kennt, weiß er so was.

Modellbau-Fahrtregler haben überhaupt keine Überstrombegrenzung,

Richtig, haben keine Strombegrenzung, so wenig wie der Poti.
Hätten aber die selbe Wirkung. Sind doch auch nix anderes als
„elektronische Potis“ mit weniger Verlustleistung, oder?

Definitiv nicht. Es sind eher DC-DC-Transformatoren (ungeregelte Step-Down-Schaltungen) mit entsprechend niedrigem Ausgangswiderstand, fast wie geregelte Stromversorgungen.

Grüße, Uwe

#8

Hallo zusammen,

erstmal vielen Dank für Eure schnellen und vielen Antworten!

Den Zweck der Drehmomentbegrenzung habe ich wohl nicht genau genug spezifiziert. Der Motor soll in einer kleinen Automation Muttern(aus Kunstoffmuttern) verschrauben. Diese müssen mit einem bestimmten Drehmoment (1.6Nm ±10%)angezogen werden. Das Drehmoment muss also nicht begrenzt sondern eingestellt werden! Damit, denke ich, kommen viele der Vorschläge, da zu Ungenau, nicht weiter in betracht.

Die Stromregelung über einen LM317 hört sich sehr interessant an. Allerdings habe ich nicht komplett Verstanden wie der Aufbau gemeint ist (@ Uwe):
Ein LM317 wird mit sagen wir mal 10 Ohm am Ausgang belastet. Die Spannung wird mit dem Poti von 1,27 bis z. B. 10 V einstellbar gemacht. Der Motor wird in die Zuleitung des LM317 geschaltet.

Allerdings sollte mit einem solchen Adjustable Voltage Regulator nach folgendem Datenblatt (Seite 19 unten; „Precision Current Limiter“) sehr einfach eine Strombegrenzung zu erreichen:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm117.pdf
(Der LM317 ist wohl etwas zu schwach, also entsprechend halt eine „Nummer“ größer)

Dies müsste doch relativ genau sein und die verbratene Leistung müsste sich(da Motornennmoment bereits ungefähr Einstell-Moment) doch auf einem akzeptablen Niveau halten?

In diese Schaltung enthält einen „Spannungsteiler“, tut es da nicht auch ein normaler Potentiometer?

Sollte ein Vor-Kondensator (gleiches Datenblatt, Seite 1, „Typical Applications“) sowie eine sicherheits Diode (Seite 10, FIGURE 3. „Regulator with Protection Diodes“) verwendet werden?

Zu bestromter Motor im Stillstand: Meine bedenken waren eher das der Kommutator/ die Bürsten durch Funkenschlag und Wärmeentwicklung recht schnell Schaden nehmen.

Zu Trägheit: Da der Motor relativ (für das geforderte Moment) klein ist und die Kunssttoff-Muttern nicht schalgartig blockieren, denke ich, dass Trägheitsmomente keine Rolle spielen. Sicher sagen kann ich das aber nicht.

Beste Grüße,
Gebo

#9

hallo,

ich fange an mit

Zu Trägheit: Da der Motor relativ (für das geforderte Moment)
klein ist und die Kunssttoff-Muttern nicht schalgartig
blockieren, denke ich, dass Trägheitsmomente keine Rolle
spielen. Sicher sagen kann ich das aber nicht.

Aus dem Gefühl würde ich das nicht bestätigen. Lösungen bzw. Sicherheitsmaßnahmen:

  1. mit möglichst kleiner Drehzahl arbeiten. Der Zusammenhang ist quadratisch, eine Drehzahlverdopplung bewirkt eine Vervierfachung des Bremsmomentes auf gleicher Strecke.
  2. Einen eisenlosen Motor (Glockenanker) nehmen. Das Trägheitsmoment eines solchen Motors ist - geschätzt - um den Faktor 10 bis 20 geringer als das eines normalen. Dazu entsprechen die Kennlinien dieser Motoren nach meiner Erfahrung eher dem Ideal, also kannst du den Motor auch langsamer laufen lassen. Dummerweise kosten die viel Geld, aber vielleicht hilft eBay.

Allerdings sollte mit einem solchen Adjustable Voltage
Regulator nach folgendem Datenblatt (Seite 19 unten;
„Precision Current Limiter“) sehr einfach eine Strombegrenzung
zu erreichen:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm117.pdf

Sehr ähnlich meinem Vorschlag. Man kann den Motor statt in die Eingangsleitung auch so, wie dort, in den Ausgang schalten. Aber ein so niederohmiges Poti ist nicht praktikabel.

In deiner Anwendung wirst du eine relativ geringen Einstellbereich brauchen, vielleicht 1 : 2. Die Grobeinstellung geschieht mit der Auswahl R1.

Schaltung: Wie „1A Current Regulator“ auf der Seite 18. Du wirst einen Festwiderstand brauchen, R1 = 2,5 V / IMax. Dann: ADJ wird

  1. Über einen Widerstand 100 Ohm an VOUT und
  2. über ein Poti an die Load angeschlossen.
    Damit ist das Ganze von 1/2 IMax bis IMax einstellbar.

Dies müsste doch relativ genau sein und die verbratene

Sehr viel genauer als der der Motor umsetzen kann.

Leistung müsste sich(da Motornennmoment bereits ungefähr
Einstell-Moment) doch auf einem akzeptablen Niveau halten?

Versuch macht kluch.

In diese Schaltung enthält einen „Spannungsteiler“, tut es da
nicht auch ein normaler Potentiometer?

Ja, sie oben.

Sollte ein Vor-Kondensator (gleiches Datenblatt, Seite 1,
„Typical Applications“)

Ja, beide

sowie eine sicherheits Diode (Seite 10, FIGURE 3.
„Regulator with Protection Diodes“) verwendet werden?

Nicht unbedingt.

Zu bestromter Motor im Stillstand: Meine bedenken waren eher
das der Kommutator/ die Bürsten durch Funkenschlag und
Wärmeentwicklung recht schnell Schaden nehmen.

Grade im Stillstand gibt’s kein Bürstenfeuer. Der Motor muss nur die Wärme abführen. Die Verlustleistung ist = Motorwicklungswiderstand * Motorstrom (das gilt auch in 1. Näherung, wenn der Motor läuft), nur da meine ich, kann wegen der Luftbewegungen im Motor die Wärme erheblich besser abgeleitet werden. Andererseits blockiert dein Motor ja nicht dauernd.

Und außerdem wäre eine Abschaltung hier wirklich sinnvoller.

Grüße, Uwe

#10

Nochmals vielen Dank!!

Werde die Schaltung nun mal nach folgender Skizze versuchen:
http://dl.dropbox.com/u/16478293/sam_el_schaltung_st…

Wobei die Paralleschaltung beim Poti zum einen dazu dient, dass ein höher ohmiger Poti verwendet werden kann und zum andern, dass der Einstellbereich um 100 Ohm genauer vorgenommen werden kann. Also, dass um Imax herum eine genauere Einstellung möglich ist.
Die Paralellschaltung bewirkt:
http://dl.dropbox.com/u/16478293/sam_el_diagramm_par…

Nicht berücksichtigt hab ich Sicherheitsdioden. Worauf müsste ich achten wenn ich welche einbauen will? Max zulässiger Strom? Max zulässiger Spitzenstrom? Max Spannung?

Beste Grüße,
Gebo

#11

Habe die entsprechenden Bauteile gekauft und zusammengebaut.

Leider funktioniert die Stromregulierung überhaupt nicht!

Hab versucht alles mögliche durchzumessen, aber bin zu keinem Schluss gekommen!!

Bin euch sehr dankbar wenn Ihr mir sagen könnt wo wohl der „Hund gegraben liegt“!

Danke!!!

Beste Grüße Gebo