PWM-Motor, H-Brücke, Drosselspule, glatter Stromverlauf

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo zusammen,würdet ihr mir bitte bei der Interpretation des Stromverlaufs helfen?

Wie kann ich den Stromverlauf richtig glätten?

Benötige ich eine andere und größere Drossel?

http://s14.directupload.net/file/d/3485/2xnpy78l_jpg…  Bild Oszilloskop

http://s1.directupload.net/file/d/3485/bhut9jei_jpg.htm Bild Motor und Spule

Ich betreibe einen DC-Motor im Leerlauf (I=0.1A ), Mnenn = 1.5Nm an einer PWM angesteuerten H-Brücke.
PWM Frequenz: 16 kHz, PWM Tastverhältnis: 85% Einschaltzeit

Ich habe den Stromverlauf am Shunt 2.2 Ohm aufgezeichnet und bin über den Stromverlauf ratlos.
Zum Einem fällt es mir sehr schwer den Verlauf zu interpretieren und zum Anderem wollte ich mit der PWM einen sanften und gleichmäßigen Stromanstieg herbeiführen. Kein abruptes Einschalten des Motors.
Das ist mir anscheinend nicht gelungen.
Ob mit oder ohne Drosselspule in Reihe zum Motor, der Stromverlauf am Oszilloskop sieht gleich aus.
Annahme: Je höher die Frequenz, desto kurzzeitiger sind die Stromlücken.
In der OFF Zeit der PWM fliesst nun die gespeicherte Energie aus der Motorspule und ggf. einer zusätzlichen Spule und treibt den Motor an.
Der Knackpunkt ist aber, dass diese in den Spulen gespeicherte Energie nur sehr gering ist und demzufolge nur ein paar Mikrosekunden bis bestenfalls Millisekunden reicht, bis der Strom in den Spulen wieder auf Null ist.
Wenn jetzt keine On Zeit der PWM folgt, sondern die OFF Zeit verlängert wird, dann wird der Motor gebremst. Ich glaube, auf dem Oszi Bild kann man für einen kleinen Zeitbereich den negativen Stromfluss erkennen. Ist das dann der Generatorbetrie? ich habe diese Stelle im Bild kenntlich gemacht.

Bei der Wahl der PWM Frequenz muss man mehrere Faktoren berücksichtigen und einen Kompromiss eingehen:

  • Die Motorinduktivität L glättet den Strom, der Wicklungswiderstand R führt zu einem Abfallen des Stromes, daraus ergibt sich die elektrische Zeitkonstante des Motors .

Die aus elektrischer Sicht ideale PWM Frequenz liegt daher meist bei 1-2kHz

Ein Kondensator für die Energiespeicherung wird nicht gebraucht. Er ist ein Speicher für Ladung (Spannung). Wenn es um Kraft geht, wie bei einem Motor, ist Strom der wichtige Parameter. Und ein Speicher für Strom ist eine Induktivität. Wenn aus konstruktiven Gründen die Induktivität eines Motors zu klein ist, wird schon mal eine Drossel in Reihe geschaltet. 

Ich habe festgestellt, dass je länger das Pausenverhältnis ist, desto höher sind die Spannungsausschläge. Mögliche Erklärung:smiley:er Motorstrom ist in der langen Pause gegen Null gegangen.

Viele Grüße,

Matthias

#2

Hallo Matthias,

Ich betreibe einen DC-Motor im Leerlauf (I=0.1A ), Mnenn =
1.5Nm an einer PWM angesteuerten H-Brücke.
PWM Frequenz: 16 kHz, PWM Tastverhältnis: 85% Einschaltzeit

Ich habe den Stromverlauf am Shunt 2.2 Ohm aufgezeichnet und
bin über den Stromverlauf ratlos.
Zum Einem fällt es mir sehr schwer den Verlauf zu
interpretieren und zum Anderem wollte ich mit der PWM einen
sanften und gleichmäßigen Stromanstieg herbeiführen. Kein
abruptes Einschalten des Motors.

Aber eine PWM macht doch auch nichts anderes, als in sehr schneller Folge „hart“ ein- und auszuschalten!?

Das ist mir anscheinend nicht gelungen.
Ob mit oder ohne Drosselspule in Reihe zum Motor, der
Stromverlauf am Oszilloskop sieht gleich aus.

Bist du sicher, dass das nicht nur qualitativ der Fall ist? Ein wenig Änderung würde ich schon erwarten, wenn auch nicht auf Anhieb erkennbar.

Annahme: Je höher die Frequenz, desto kurzzeitiger sind die
Stromlücken.
In der OFF Zeit der PWM fliesst nun die gespeicherte Energie
aus der Motorspule und ggf. einer zusätzlichen Spule und
treibt den Motor an.

Ich denke eher, der Motor treibt sich aus seinem mechanischen Trägheitsmoment heraus an. Dies führt zu einem scheinbar absurderweise eher kapazitiven Verhalten. Nur wird die Energie nicht elektrostatisch gespeichert sondern mechanisch in Form einer rotierenden Masse. Sicherlich gibt es durch die enthaltenen Spulen auch induktive Anteile, aber das kapazitive überwiegt. Erst, wenn an die Motorwelle festsetzen würde, sollte man ein induktives Verhalten feststellen können.

Der Knackpunkt ist aber, dass diese in den Spulen gespeicherte
Energie nur sehr gering ist und demzufolge nur ein paar
Mikrosekunden bis bestenfalls Millisekunden reicht, bis der
Strom in den Spulen wieder auf Null ist.
Wenn jetzt keine On Zeit der PWM folgt, sondern die OFF Zeit
verlängert wird, dann wird der Motor gebremst. Ich glaube, auf
dem Oszi Bild kann man für einen kleinen Zeitbereich den
negativen Stromfluss erkennen. Ist das dann der
Generatorbetrieb? ich habe diese Stelle im Bild kenntlich
gemacht.

Generatorbetrieb würde ich es nicht nennen. Eher kommt wohl eine Art Blindleistung zustande, die eine Weile zwischen Drossel und Motor pendelt, bis sie sich an den ohmschen Anteilen abgebaut hat. Das kann trotz Gleichspannung passieren, wenn eben kein kontinuierlicher Gleichstrom fließt.

Die aus elektrischer Sicht ideale PWM Frequenz liegt daher
meist bei 1-2kHz

Ein Kondensator für die Energiespeicherung wird nicht
gebraucht. Er ist ein Speicher für Ladung (Spannung). Wenn es
um Kraft geht, wie bei einem Motor, ist Strom der wichtige
Parameter. Und ein Speicher für Strom ist eine Induktivität.
Wenn aus konstruktiven Gründen die Induktivität eines Motors
zu klein ist, wird schon mal eine Drossel in Reihe
geschaltet. 

Ich habe festgestellt, dass je länger das Pausenverhältnis
ist, desto höher sind die Spannungsausschläge. Mögliche
Erklärung:smiley:er Motorstrom ist in der langen Pause gegen Null
gegangen.

Wie kann ich den Stromverlauf richtig glätten?

Benötige ich eine andere und größere Drossel?

Davon gehe ich aus. Aber interessant wäre auch, womit du deine Anordnung mit Strom/Spannung versorgt hast. Hast du die Möglichkeit, eine wesentlich größere Spule einzubauen und erneut zu oszillografieren? Ansonsten würde ich mal mit Freilaufdioden an Motor und/oder Drossel experimentieren.
Du wirst aber wohl damit leben müssen, dass es nie zu einem perfekt glatten Strom kommt. Warum möchtest du einen solchen unbedingt haben?

MfG,
Marius

#3

Hallo zusammen,würdet ihr mir bitte bei der Interpretation des
Stromverlaufs helfen?

sieht für mich wie der einschwingvorgang eines schwingkreises aus. schon mal an die wicklungskapazität gedacht? und an irgendwelche kapazitäten deiner schaltung? ist die eigentlich geheim?

#4

Hallo Matthias!

Der waagerechte Bereich des Oszillogramms, an dem du den Strom berechnet hast, läuft – soweit erkennbar – nicht parallel zur Zeitachse. Dort ist mit etwas Phantasie das di/dt einer Induktivität erkennbar. Der ganze Rest, die heftigen Einschwingvorgänge, haben ihre Ursache wahrscheinlich im Meßaufbau bzw. im in ungeeigneter Weise verwendeten Oszilloskop.

Ein Oszilloskop mißt gegen ein ruhendes Potential, i. d. R. Erdpotential, jedenfalls das Potential der Außenhülse der BNC-Buchse des Oszilloskop-Eingangs. Nach deiner Schilderung mißt du aber in einer Brückenschaltung an einer Stelle, an der es kein ruhendes Potential gibt. Deine PWM-Schaltung versucht, eine Induktivität ein- und auszuschalten. Mit der Masseklemme deines Tastkopfs hältst du aber das Potential fest, je nach benutztem PC sogar ohmsch, so daß ein richtiger Kurzschluß/Erdschluß entsteht. In jedem Fall aber wird der Meßpunkt mit dem Massebeinchen des Tastkopfes kapazitiv festgehalten. Selbst wenn als Rechner/Anzeigegerät ein Akku-betriebener Laptop dient (an dem auch kein Drucker oder sonst irgendein mit dem Netz verbundenes Gerät angeschlossen ist), ist das verwendete Oszilloskop-Modul über sein Netzteil kapazitiv ans Netz gekoppelt.

Einschwingvorgänge setzen mindestens 2 Energiespeicher unterschiedlicher Art voraus. Das sind hier die Induktivität der Motorwicklung und neben diversen weiteren parasitären Kapazitäten die Koppelkapazität zum Netz. Auf springendem Bezugspotential mißt man deshalb mit einem batteriebetriebenen Oszilloskop oder mit einer galvanisch vom Meßpunkt getrennten Stromzange oder mit einem über Glasfaser galvanisch, induktiv und kapazitiv entkoppelnden Trennverstärker.

Bei nicht zu kleinem Meßsignal kann man sich mit einer Differenzmessung helfen, benutzt dafür 2 Eingangskanäle des Oszilloskops und wählt die Betriebsart A-B, mit der die Differenz der beiden Eingangssignale angezeigt wird. Falls es die Betriebsart A-B am verwendeten Oszilloskop nicht gibt, statt dessen die Betriebsart A+B und einer der beiden Eingangskanäle läßt sich invertieren, geht es ebenso. Die Massebeinchen der Tastköpfe klemmt man – ist eigentlich egal wohin, Hauptsache konstantes Potential, z. B. Masse, Erde. Auf diese Weise werden die Meßpunkte nur mit dem hohen Innenwiderstand und der niedrigen Eingangskapazität der beiden Tastköpfe belastet, das springende Potential aber nicht über die Masseklemmen ohmsch oder kapazitiv festgehalten.

Verwende wie beschrieben die Differenzmessung und das Oszillogramm wird deutlich anders aussehen, wird überhaupt erst interpretationsfähig. Dabei gehe ich davon aus, daß die Brückenschaltung aus keinem wilden Drahtverhau besteht, sondern aus einer Schaltung, bei deren praktischen Aufbau sich jemand Gedanken über Ströme und Bezugspotentiale gemacht hat.

Gruß
Wolfgang

#5

Hallo zusammen,

ein frohes neues Jahr wünsche ich Euch.

Vielen Dank, dass ihr Euch die Mühe gemacht habt mir einige Tipps zur Interpretation der Schaltung zu geben!

Ich werde in den nächsten Wochen Eure Tipps aufgreifen und versuchen umzusetzen.
Dann stelle ich sicher nochmal ein paar Fragen und werde meinen Versuchs- und Messaufbau, inklusive Schaltung, die nicht geheim ist, hier in Form weiterer, noch aussagekräftigerer, Bilder reinstellen.

Ich wünsche Euch noch einen schönen Tag.

#6

Hallo zusammen sehr geschätze Experten,

da meine erst gestellte Frage tatsächlich mehrere, für mich komplexe Fragen beinhaltete, möchte ich das Thema nun gern in mehrere Fragen aufspalten.
Zuerst möchte ich mich gern mit der Dimensionierung der Speicherspule für die Pulspausenzeiten der PWM beschäftigen.
http://s14.directupload.net/file/d/3485/2xnpy78l_jpg… Bild Oszilloskop

http://s1.directupload.net/file/d/3485/bhut9jei_jpg.htm Bild Motor und Spule

Ich betreibe einen DC-Motor im Leerlauf (I=0.1A ), Mnenn = 1.5Nm an einer PWM angesteuerten H-Brücke.
PWM Frequenz: 15,19 kHz, PWM Tastverhältnis: 80% Einschaltzeit

Ich habe den Stromverlauf am Shunt 2.2 Ohm aufgezeichnet. Wo an welcher Stelle genau zeige ich bei meiner nächsten Frage zu diesem Thema. Ich habe nicht geschafft das jetzt hier auch noch reinzustellen. Das würde zu viel auf einmal werden.

In dieser ersten Frage würde mich der Einfachheit halber erst einmal nur interessieren, wie ich während der gesamten Pulspausenzeit den Stromfluß mittels geeigneter Speicherspule aufrecht erhalten kann. In dem ersten Bild erkennt man, das der Stromfluss in der Pulspause „Null“ ist. Vergrößere ich die Paulspause beispielsweise von 80% auf 60%, dann wird die Zeit in der kein Strom fließt auch länger.
Nach meinem Verständnis sollte optimaler Weise die von der Spule gelieferte Energie die gesamte Pulspausenbreite zur Verfügung stehen.

Reicht die gespeicherte Energie der Spule nicht aus, um den Motor in der gesamten Pulspause mit Strom zu versorgen, passiert folgendes:
Der Motor dreht sich, aufgrund seiner Masseträgheity auch ohne Stromzufuhr weiter und liefert nun als Generator Energie zurück in die Schaltung. Dies kann die Schaltung beschädigen, wenn keine weiteren Maßnahmen wie Pufferkondensator- und Z-Dioden-Einbau getroffen werden.
Um diesen Nachteil zu verhindern muss die Speicherspule ausreichend dimensioniert werden.
Wie berechne ich nun die Energie?

  1. Die der Motor in der Pulspause benötigt und

  2. Die Energie der Spule

  3. Energie für den Motor in der Pulspause
    Angenommen 80% Einschaltzeit:
    F pwm= 15,19kHz
    T= 65,83us  80% = 52,66us 20% Ausschaltzeit 13,2us
    E= 24V * 0,110A * 13,2us = 34,8µWs
    Frage: soll ich 24V einsetzen (das entspricht aber der Spannung bei 100% PWM) oder die Spannung für 80% PWM berechnen? Ich bin der Meinung mit 24V rechnen zu müssen.

  4. Energie der Spule
    E= ½ * 330µH * (0,11A)^2 = 2µJ =2µWs

  5. Auswertung der beiden Berechnungen:
    Würde so eine Spule meinen Anforderungen gerecht werden?
    http://www.conrad.de/ce/de/product/434539/Fastron-In…

–> 16 man höhere Induktivität = 5280uH --> 5,2mH würde ich benötigen

Ich würde mich über weitere Antworten von Euch sehr freuen. Wenn die Frage mit der Spule geklärt ist, widme ich mich den anderen Aspekten dies Oszibildes und versuche auch diese Unklarheiten zu beseitigen. Dann gehe ich, dazu passen, auch auf Eure Nachfragen ein.

Viele, interessierte Grüße von
Matthias