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Thema: Gibt es die optimale PWM-Frequenz für kleine E-Motore

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Gibt es die optimale PWM-Frequenz für kleine E-Motore

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    Hallo Alle,

    in einem getrennten Thread bin ich über die Tatsache gestolpert, dass ich keine Ahnung habe, wo ungefähr die optimale Frequenz der PWM zum Ansteuern von kleinen Motoren ist.

    Motor: Minimotor aus einem Servo - Duchm 6 mm, Länge ohne Achse 12mm, max 6 V, Stromaufnahme im Leerlauf 2,7 V 20 mA / 6V 27 mA, max 700 ... 800 Hz Leerlaufdrehzahl.
    Istzustand: PWM + L293D - PWM-Frequenz 39 kHz (20 MHz, Prescaler 1, PWM Phase Correct, 8-bit).

    Es ist stark anzuzweifeln, dass dies das Optimum ist. Da ich bei Elektromotoren froh bin, dass ich sie überhaupt ans Laufen bekomme - habe ich nicht mal ne Idee, wie ein solches Optimum aussieht - und warum. In den Threads habe ich nichts gefunden, und das Wiki (PWM, Getriebemotoren) ist da nicht sehr aussagekräftig. Im genannen Thread gabs ne Schätzung "... denke mal mit 1-10kHz liegt man auf jeden Fall im richtigen Bereich ...".

    Bitte kann jemand dazu Auskunft geben oder Stellung nehmen?

    Danke
    Ciao sagt der JoeamBerg

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Hallo,
    einfache Antwort die für jeden Motor von 1mW bis 100MW immer passt: möglichst hoch. Je höher die Frequenz ist umso geringer ist der Stromrippel und der Motor bleibt kälter. Über 20kHz ist natürlich aauch vorteilhaft weil man dann das gepiepse nicht hört. Je höher die Pulsfrequenz ist umso größer werden jedoch die Umschltverluste und die EMV-Abstrahlung. Ganz grob gesagt ist die Frequenz im wesentlichen von der Induktivität und der Betriebsspannung abhängig. Wenn man messen möchte muss man den Strom oszillographieren. Den Motor betreibt man dazu bei kleiner Last und niedriger Drehzahl an der höchsten zu erwartenden Betriebsspannung. Der Stromrippel sollte nicht über etwa 10% betragen (alles grobe Hausnummern). Unter die genannten 39kHz dürfte man denke ich nicht gehen. Für einen Motor der Klasse 540 braucht man schließlich auch schon fast 20kHz.
    Gruß,
    Michael

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    hi oberallgeier,
    je größer der motor, destso geringer die Frequenz.

    Es ist günstig, den Motor im nicht lückenden betrieb zu betreiben, d.h. der Stromfluss durch die Motorwicklungen darf nicht Null werden. Dafür musst du dir die Induktivität des Motors ansehen, und auch den Sättigungsstrom. Hängt natürlich von Modell zu Modell ab, aber je mehr Eisen magnetisiert werden kann, destso größer ist auch die INduktivität.

    Größere Motoren haben auch eine mechanische Trägheit. Auch die SChalterverluste beim umschalten sind wegen den größeren Strömen höher.

    Also: Ich habe nur gelesen, nichts selber nachgeprüft. Anscheinend wird das mehr oder weniger experimentell überprüft, praktisch rechnet das niemand.

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Hallo MichaelM, hallo avion23,

    danke für die Ausführungen. Es ist ja schon eine positive Auskunft, die ich herauslese, und genauer gehts nicht - das hört man(ich) gelegentlich auch ganz gern. Beruhigend zu wissen, dass ich nix falsch gemacht habe. Ok, die Schaltverluste - kann ich bei den kleinen Leistungen hinnehmen - blos - Verluste heissen ja immer Wärme .

    Danke jedenfalls.
    Ciao sagt der JoeamBerg

  5. #5
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    Ein Bisschen konkreter geht es schon. Die Motorwicklung hat eine Induktivitaet und einen Widerstand. Die bilden zusammen eine Zeitkonstante L/R mit der sich der Strom aendert.
    Haeufig liegt die Zeitkonstante von Kleinmotoren bei einigen ms und eine PWM Frequenz von 2kHz ist ausreichend den Rippel klein zu halten und Luecken auszuschliessen.
    Speziell Motoren mit eisenlosem Anker oder sehr kleine Motoren haben kleinere Induktivitaeten und die PWM Frequenz sollte dann auch ueber 10kHz liegen.
    Es laesst sich aber mit der Zeitkonstanten L/R angeben.

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Zitat Zitat von Manf
    Ein Bisschen konkreter ... mit der Zeitkonstanten L/R ...
    Ahhhhhh - schön. Und ich hatte mir schon Gedanken/Sorgen gemacht, wie man in den letzten Jahr(zehnt)en beispielsweise die FU´s ausgelegt hat (ich weiss schon, Aufgabe und Lösung sind dabei anders, aber die Blech-Zitter-Frequenz scheint mir da nicht das einzige Kriterium zu sein).
    Ciao sagt der JoeamBerg

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Hallo,
    bei den Aussagen von Manf fehlt aber noch einiges, aber mal von vorne: Von der Betriebsspannung muss man die EMK des Motors abziehen (deswegen den Stromrippel bei kleiner Drehzahl messen). Bei diesen kleinen Motoren hat auch der Spannungsabfall am Wicklungswiderstand einen Einfluss, also auch diesen abziehen (deswegen bei kleiner Last den Rippel messen). Das was übrig bleibt ist die Spannung an der Induktivität des Motors. Wenn jetzt der Transistor einschaltet liegt genau diese Spannung an der Induktivität und der Strom erhöht sich nach

    dI = Ub*t/L.

    Irgendwann schaltet man den Transistor wieder aus. Von nun an fließt der Strom über die (hoffentlich vorhandene) Freilaufdiode weiter. Jetzt gibt es zwei Möglichkeiten: Die Diode liegt parallel zum Motor oder sie liegt parallel zum Transistor. Für den ersten Fall Muss die Induktivität eine Selbstinduktionsspannung in Höhe von

    Diodenflussspannung + EMK + Spannungsabfall an der Wicklung

    aufbringen. Der Strom verringert sich also nach

    dI = (Ud+EMK+Ur)*t/L

    bis der Transistor wieder eingeschalten wird. Für den zweiten Fall (Diode parallel zum Transistor) wird in diesem Fall die Battterie (oder Elko) geladen. Deshalb muss in die obige Formel (in die Klammer) noch die Betriebsspannung eingetragen werden. Eine Frequenz von nur 2kHz ist für die meisten Motoren unter 2kW unbrauchbar. Einen Scheibenwischer kann man erst ab etwa 5kHz vernünftig betreiben, besser 10kHz. Wenn die Frequenz zu niedrig ist (z. B. bei einem 540er 800Hz) lückt der Strom und die Stromspitzen steigen auch sehr weit an. Früher gab es mal Drehzahlsteller mit 50Hz. Diese Dinger können bei heißem Motor sogar die Magnete abmagnetisieren und ganz nebenbei hat man sich gewundert warum der 20A-Transistor immer schon bei gemittelt 4A durchbrennt... (es fließt nämlich fast der Anlaufstrom des Motors).

    Ich hoffe ich konnte weiterhelfen.

    Gruß,
    Michael

  8. #8
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    Hallo Oberarlgeier,

    du schreibst, dass du den L293 als Endstufe bei 39kHz PWM-Frequenz verwendest. Der L293 ist aber nicht gerade der schnellste und laut Datenblatt sollte die PWM-Frequenz nicht wesentlich über 5kHz liegen. Ich denke, dass sonst die Schaltverluste zu hoch werden. Die 5kHz wären wahrscheinlich für den kleinen Motor auch ausreichend, wenngleich 15-20kHz sicher besser wären.

    Versuche doch mal 5kHz PWM-Frequenz.
    Frü größere PWM-Frequenzen wären Treiber wie der L6202 o.ä. besser. Diese arbeiten mit MOSFETs und können PWM-Frequenzen bis 100kHz vertragen..

    Sigo

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Hallo sigo,

    noch alles Gute im Neuen Jahr (lang nix mehr gehört von Dir).

    Zitat Zitat von sigo
    ... L293 als Endstufe bei 39kHz PWM-Frequenz verwendest. ...
    Ich habe die rncontrol.h verwendet, als ich meine RNControl 1.4 in Betrieb nahm. Dort hatte früher ja mal der 7,xx MHz Quarz gesteckt, und im code ist deshalb noch von 14 MHz die Rede :
    Code:
    /*### PWM-Routinen zur Motoransteuerung ###*/
    
    void init_timer1(void)	//Initialisierung des Timers für Erzeugung des PWM-Signals
    {
       /* normale 8-bit PWM aktivieren (nicht invertiert),
       Das Bit WGM10 wird im Datenblatt auch als PWM10 bezeichnet */
       TCCR1A = (1<<COM1A1)|(1<<COM1B1)|(1<<WGM10);
    
       /* Einstellen der PWM-Frequenz auf 14 kHz ( Prescaler = 1 ) */
       TCCR1B = (1<<CS10);
    
       /* Interrupts für Timer1 deaktivieren
       Achtung : Auch die Interrupts für die anderen Timer stehen in diesem Register */
       TIMSK &= ~0x3c;
    }
    . . . mittlerweile wird die RNControl mit dem 16 MHz Quarz ausgeliefert, und da sind das schon 32 kHz. Und ich habe meinem m168 den 20 MHz-Takt vorgegeben.

    Vielen Dank für Deinen Hinweis, ich werde mich daran machen und den Takt runternehmen - eben den Vorteiler raufsetzen - scheint dann von Vorteil zu sein. Du hast ja dankenswerter Weise gleich nach-/vorgerechnet, dass ich mit dem 8er Vorteiler auf die 5 MHz (4,88..) komme. Der nächste Vorteiler macht wohl wenig Sinn - da komme ich auf 600 Hz. Der Motor macht maximal rund 750 Hz - und ich weiss nicht, was sich tut, wenn dann mal Drehzahl und PWM in Resonanz sind ? ? ?

    Danke sigo, danke Allen für die Beiträge und schönen Abend
    Ciao sagt der JoeamBerg

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Danke Joe, dir auch ein tolles 2008!

    Ich war in den letzten Tagen/Wochen auch mit Motorendstufen beschäftigt, die ich auch mit 32kHZ PWM-Frequenz @ 16MHZ Qzuarzfrequenz an einem ATtiny2313 betreibe; siehe hier:

    http://www.roboternetz.de/phpBB2/vie...=346255#346255
    (ggf. weiter oben anfangen zu lesen)

    Ich verwende den L6205 (2 Vollbrücken zu je 2,8A, die man in dieser Anwendung per Jumper parallelschalten kann) und als Motoren MAXON REmax 24mm mit 11W Nennleistung @ 12V.

    Die Maxonmotoren brauchen wegen der eisenlosen Wicklung eine recht hohe PWM-Frequenz und außerdem hat es Vorteile, wenn die PWM-Frequenz außerhalb des Hörbereichs liegt - besonders für die Ohren..

    Gruß Sigo

    PS: Du kannst die PWM-freuquenz auch halbieren bzw vierteln indem du die PWM auf 9 oder 10 Bit einstellst. Du musst dann nur die Register des AVR entsprechend füttern...siehe Datenblatt..

    Falls du eine Endstufe, wie den L6202 mit Bootstrap- Kondensatoren benutzt, musst du beachten, dass die PWM nie 100% wird. Hier wäre z.B. ein max. PWM-Wert von ca. 240/255 sinnvoll.

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