Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Schubmessung/PWM-Ansteuerung
Minifriese
22.06.2005, 07:37
Moin moin!
Ich hab mir eine einfache AVR-Schaltung fuer einen "Eigenbau"-Motor/Luftschraubenpruefstand gebaut. Eigentlich nur ein 8bit-PWM-Ausgang, der ueber einen MOSFET einen Motor ansteuert. Das Sollwert-Byte wird erzeugt, indem ich ueber ein Poti am ADC 0..5V erzeuge und das auf 8bit gestutzte Ergebnis auf den PWM-Ausgang gebe. So laesst sich der Motor leicht "von Hand" mit dem Poti hochfahren.
Meine Absicht war jetzt, fuer verschiedene Kombinationen von Motoren und Luftschrauben Kennlinien aufzunehmen. Z.B. Wieviel Schub liefert der Antrieb bei einem bestimmten Strom. Allerdings variiert der Schub, je nachdem welche Akkuspannung ich nehme. Bei 12V und 62,5% bekomme ich 3A, bei 6V und 98% ebenfalls 3A. Im ersten Fall hatte ich 120g Schub, beim zweiten nur noch 85g.
Frage: Schadet es dem Motor, wenn ich ihn mit hoeherer Spannung und entsprechend kuerzerem Tastverhaeltnis betreibe? Ausgelegt ist er fuer 6..8,4V, Nennspannung 7,2V. Rein rechnerisch komme ich ja bei 12V und 62,5% auf 7,5V. Da ich dabei wesentlich mehr Schub bekomme als bei vergleichbaren Stroemen mit kleineren Spannungen und groesserem Tastverhaeltnis, waere das ja fuer die Anwendung besser...
Bisher hab ich uebrigens nur so Spielzeug-Luftschrauben zum Aufstecken, die "richtigen" kommen erst Ende der Woche [-o< . Dann gibt's hoffentlich deutlich mehr Schub...
Nils
Klaus_0168
22.06.2005, 08:01
Hi Minifriese,
Das mit der Überspannung ist im gewissen Maße noch vertretbar. Für Wettbewerbe werden Motoren mit Überspannungsbetrieb mit einer Extrakühlung versehen.
Das große Problem ist die Wärme. Spannung und Leistung stehen im quadratischen Verhältnis.
Gruß Klaus
Minifriese
22.06.2005, 08:11
Aha. Das heisst ich muesste nur mal pruefen, wie warm der Motor wird, wenn ich ihn laenger mit 12V/62,5% betreibe. Und wenn er dabei nicht waermer wird als mit 7,2V DC, dann ist es OK? Weil im Dauerbetrieb laufen sollte er schon. Durch die Luftschraube ist natuerlich auch immer eine gewisse Kuehlung gegeben.
Mich hat nur gewundert, dass die Stroeme gleich sind. Ist die Verlust(Waerme-)leistung nicht I^2*R?
Nils
Der Teil der Spannung der am ohmschen Widerstand abfällt ist dem Strom propotional. Bei ausreichend hoher PWM Frequenz ist der Strom auch weitgehend konstant.
Ein Senken der Frequenz führt zu einer größeren Welligkeit des Stroms und damit zu (zunächst leicht) höheren Verlusten.
Manfred
Aha. Das heisst ich muesste nur mal pruefen, wie warm der Motor wird, wenn ich ihn laenger mit 12V/62,5% betreibe. Und wenn er dabei nicht waermer wird als mit 7,2V DC, dann ist es OK? Weil im Dauerbetrieb laufen sollte er schon. Durch die Luftschraube ist natuerlich auch immer eine gewisse Kuehlung gegeben.
Mich hat nur gewundert, dass die Stroeme gleich sind. Ist die Verlust(Waerme-)leistung nicht I^2*R?
Nils
Ja, der Motor darf eben nicht durchbrennen.
Die Verlustleistung bei einem ohmschen Widerstand ist I^2*R, ein Motor ist aber leider keine rein ohmsche Last, er hat nur einen ohmschen Anteil.
Ein Motor hat auch eine gewisse Induktivität welche einer Stromänderung entgegen wirkt. Dadurch ergeben sich je nach Frequenz und Spannung andere Stromverläufe in der Kurve.
Dazu kommen noch die Eigenschaften der Luftschraube. Deren Energie z.B. ist Drehzal * Drehmoment. Je höher der Strom desto höher das Drehmoment. Allerdings kommen noch die aerodynamischen Verluste dazu. Dabei ergibt sich in einem bestimmten Parameterverhältnis ein Optimum an Wirkungsgrad, das gilt es zu finden. Möglichst viel Schub mit möglichst wenig hineingesteckter Energie...
So eine Kennlinie würde mich übrigens auch sehr interessieren, vielleicht könntest du mal eine posten.
Gruß, Sonic
Minifriese
22.06.2005, 13:09
Mach ich, klar. Ich warte halt bloss auf die Luftschrauben. Hab schon da angerufen, wo ich bestellt hab, der Chef ist in Urlaub. Soll aber Freitag wieder da sein, und Samstag hab ich die Teile hoffentlich ;-)
Ich frage mich noch, was die sinnvollste Darstellung waere. Auf der Y-Achse der Schub, klar. Auf der X-Achse die Spannung an den Motorklemmen?? Der Strom? Strom*Spannung???
Mal schauen...
Ich benutze uebrigens eine PWM-Frequenz von 4kHz. Reicht das oder macht noch mehr mehr Sinn? Der MOSFET (BUZ71) scheint ziemlich heiss zu werden, haengt das auch direkt oder indirekt mit der Frequenz zusammen?
Nils
...
Ich benutze uebrigens eine PWM-Frequenz von 4kHz. Reicht das oder macht noch mehr mehr Sinn? Der MOSFET (BUZ71) scheint ziemlich heiss zu werden, haengt das auch direkt oder indirekt mit der Frequenz zusammen?
Nils
Jaein, wenn der BUZ heiß wird entstehen zu große Verlusste beim Umladen des Gates, nimm nen kleineren Gatewiderstand...
Bzw. zeig mal deinen Schaltplan her...
Gruß, Sonic
Minifriese
22.06.2005, 13:41
Es ist ne ganz normale Transistorschaltung, bloss halt mit nem MOSFET. Also Motor in Reihe mit dem MOSFET, ueber den Motor eine Freilaufdiode. Einen Gatewiderstand habe ich nicht, Gate haengt direkt am AVR-Pin. Braeuchte ich einen??
Mir ist gerade eingefallen, dass mein Handy ja ne Kamera drin hat. So sieht mein "Pruefstand" aus. Um den Schub zu messen, lasse ich natuerlich nur den rechten Motor laufen. Auf der Kuechenwaage links wird dann komfortabel der Schub angezeigt :-) Die Wippe ist kugelgelagert.
Wenn ich die Waage und ihren Unterbau wegnehme und beide Motoren anschmeisse, kann ich hoffentlich mit der Wippe eine Lageregelung bauen und optimieren, wie man sie auch fuer den Quattrocopter braeuchte, bloss da halt doppelt ;-) Dafuer fehlen mir bloss die ADXRS150EB. Sind so schweineteuer, das billigste was ich bisher gesehen habe, waren 97 Euro...
Nils
Es ist ne ganz normale Transistorschaltung, bloss halt mit nem MOSFET. Also Motor in Reihe mit dem MOSFET, ueber den Motor eine Freilaufdiode. Einen Gatewiderstand habe ich nicht, Gate haengt direkt am AVR-Pin. Braeuchte ich einen??
...
Nils
Dann müsstest du nen LogicLevel Mosfet nehmen, der BUZ71 kann bei 5V gar nicht ganz durchschalten.
Nimm nen kleinen npn und schalte damit die Vcc zum Gate durch...
Dann brauchst du noch einen Widerstand zwischen AvrPin und Gate nach Masse, sonst dümpelt die Ladung immer im Gate rum und fliesst nur ganz langsam durch den hochohmigen Pin ab. Das bedeutet hohe Verluste.
Je schneller das Gate die Ladung loswird (einige nC) desto weniger Verlust...
Bzw. zwischen Emitter des Npn und dem Gate...
Gruß, Sonic
Minifriese
22.06.2005, 14:39
Mit Vcc meinst du jetzt die 12V bzw. 6V, die ich - PWMzerhackt - an den Motor anlege? Das mit dem Widerstand zur Masse leuchtet mir ein. Der sollte so klein sein, wie es die noetige Strombegrenzung zulaesst, oder?
Wieso sollte der BUZ71 bei 5V nicht durchschalten? Hab das Datenblatt wohl verschlampt *suchsuchsuch*, aber ich glaube da stand drin "can be driven directly by logic circuits" oder so aehnlich...
Danke schonmal fuer die Tips,
Nils
Wieso sollte der BUZ71 bei 5V nicht durchschalten? Hab das Datenblatt wohl verschlampt
Bis 4A bei 5V Ugs.
Manfred
Mit Vcc meinst du jetzt die 12V bzw. 6V, die ich - PWMzerhackt - an den Motor anlege? Das mit dem Widerstand zur Masse leuchtet mir ein. Der sollte so klein sein, wie es die noetige Strombegrenzung zulaesst, oder?
[Ne, die DC Versorgungsspannung...]
Achso grade kapiert, du meinst das richtige ;-) allerdings bevor es zerhackt wird...
Wieso sollte der BUZ71 bei 5V nicht durchschalten? Hab das Datenblatt wohl verschlampt *suchsuchsuch*, aber ich glaube da stand drin "can be driven directly by logic circuits" oder so aehnlich...
Danke schonmal fuer die Tips,
Nils´
Hmm? Das stand in meinem Datenblatt nicht drinn, da haben auch die Diagramme was anderes gesagt, aber kann sein dass ich mich in der Eile verkuckt hab...
Aber miss doch einfach mal nach wieviel Spannung über Drain und Source abfällt wenn du 5V Vgs anlegst. Dann weist du's ja ob der durchschaltet oder nicht...
Bis 4A bei 5V Ugs.
Manfred
Wie gesagt, kann auch sein das ich ein falsches Datenblatt erwischt hab. Wie wird die Grenze eigentlich festgelegt? Pmax? Müsste ja so sein, d.h. der Mosfet könnte auch so warm werden weil der Motor mehr als 4A zieht?
Gruß, Sonic
Minifriese
22.06.2005, 15:57
So, hier ist das Datenblatt. Aber wo soll da jetzt stehen, dass das Teil bei 5V nicht durchsteuert? Als Schwellenspannung sind doch dort max 4V angegeben?
Nils
Minifriese
23.06.2005, 09:13
Moin,
Ich hab mal einen ersten Satz Kennlinien aufgenommen. Der Motor ist ein Pro400 von Conrad (gibt's dort recht billig), die Luftschraube aus dem "Antriebsset Spatz", ca 12cm Durchmesser. Die Schraube ist voellig unterdimensioniert, war aber die einzige, die ich hatte...
Ich glaube, fuer meine Zwecke am aussagekraeftigsten ist die Kurve "Schub/Strom ueber Klemmenspannung", rechts unten. Bei meinen bestellten Luftschrauben kann man die Steigung verstellen. Da muesste ich dann durch Ausprobieren das Maximum des "Schub/Spannung"swertes so legen, dass es bei etwa 85% des PWM-Tastverhaeltnisses liegt (etwas Regelreserve nach oben muss schon noch sein...). Da duerfte dann die Motor/Luftschrauben-Kombination am effektivsten arbeiten, oder?
Einen Drehzahlmesser hab ich leider nicht, sonst koennte man da vielleicht auch noch ein paar aussagekraeftige Werte bekommen.
Nils
Aber wo soll da jetzt stehen, dass das Teil bei 5V nicht durchsteuert? Als Schwellenspannung sind doch dort max 4V angegeben?
Bild 6: Für Ugs=5V ist bei Ids=4A Uds=0,7V.
Wenn der Strom größer wird ist der FET gesättigt (Ids=const, 5,5A) und die Spannung Uds steigt auf der wagerechten Linie Ugs=5V nach rechts an.
Es wird ja in dem Strombereich gehen.
Manfred
Moin,
Ich hab mal einen ersten Satz Kennlinien aufgenommen. Der Motor ist ein Pro400 von Conrad (gibt's dort recht billig), die Luftschraube aus dem "Antriebsset Spatz", ca 12cm Durchmesser. Die Schraube ist voellig unterdimensioniert, war aber die einzige, die ich hatte...
Ich glaube, fuer meine Zwecke am aussagekraeftigsten ist die Kurve "Schub/Strom ueber Klemmenspannung", rechts unten. Bei meinen bestellten Luftschrauben kann man die Steigung verstellen. Da muesste ich dann durch Ausprobieren das Maximum des "Schub/Spannung"swertes so legen, dass es bei etwa 85% des PWM-Tastverhaeltnisses liegt (etwas Regelreserve nach oben muss schon noch sein...). Da duerfte dann die Motor/Luftschrauben-Kombination am effektivsten arbeiten, oder?
Einen Drehzahlmesser hab ich leider nicht, sonst koennte man da vielleicht auch noch ein paar aussagekraeftige Werte bekommen.
Nils
Was ich nicht versteh ist warum du immer in "PWM" denkst ;-)
Ist doch im Augenblick noch völlig egal. Wichtig ist wieviel Strom bei wieviel Spannung und wieviel Schub. Was dich im Moment interessiert ist doch der Wirkungsgrad. Also wo liegt das Maximum des Wirkungsgrads. Und der wird ja bekanntlich in erzeugte Leistung / reingesteckte Leistung berechnet. Also würd ich die PWM Werte in den Diagrammen erst mal weglassen und nur die Strom/Spannungs/Leistungswerte berücksichtigen.
Beziehungsweise pro Messung eine Spannung einstellen und per PWM definierte Stromwerte einstellen.
Die erzeugte Leistung einer Luftschraube ist ein bisschen schwer zu berechnen/umzurechnen. Irgendwo hab ich gelesen das man Schub(Pfund) mit dem Faktor 0,6 in PS umrechnen kann. Aber ohne Gewähr. Und 1 PS sind ca. 750W...
Damit lässt sich ja was anfangen...
Beispiel:
80g Schub -> 0,16 lbs * 0,6 = 0,096 PS -> 0,096PS * 750W = 72W
Alternativ kann man auch Schub/Eingangsleistung auftragen, kommt aufs gleiche raus.
Fürs erste würde ich Kennlinien Y->Schub, X->Elektrische Leistung auftragen, und zwar in mehreren Spannungsschritten ab der Spannung bei der sich der Motor beginnt zu drehen, bzw. Schub erkennbar ist, bis 12V oder was auch immer ,-)
Die Drehzahl zu messen wäre schon interessant, weil die aerodynamischen Verluste von der Drehzahl abhängen. Also einen weiteren Parameter für den Wirkungsgrad angiebt.
Gruß, Sonic
Minifriese
23.06.2005, 11:42
"Beziehungsweise pro Messung eine Spannung einstellen und per PWM definierte Stromwerte einstellen."
Wie meinst du denn das? Wenn ich eine bestimmte Klemmenspannung einstelle, ergibt sich doch mit einer bestimmten Luftschraube auch ein bestimmter Strom, den ich dann nicht mehr veraendern kann. Es sei denn, ich halte die Luftschraube fest, was ja einer Drehzahl-/Drehmomentaenderung entsprechen wuerde.
Das mit der elektrischen Leistung auf der X-Achse hatte ich mir ja auch schon ueberlegt, aber kann ich bei nem Motor einfach annehmen, dass P=U*I ist? Wie soll ich sonst an die Leistung kommen? Deswegen hatte ich auch die Spannung aufgetragen und dann das Verhaeltnis aus sich ergebendem Schub und sich ergebendem Strom aufgetragen. In dieser Kennlinie ist ja auch PWM im Spiel :-)
Auf die PWM bin ich nur deswegen so scharf, weil ich halt die Klemmenspannung, die ich nachher als "Arbeitspunkt" festlege, auf etwa 85% legen will, siehe oben. Fuer die Wirkungsgraduntersuchungen hat das nix zu sagen, da haste natuerlich recht.
Nils
"Beziehungsweise pro Messung eine Spannung einstellen und per PWM definierte Stromwerte einstellen."
Wie meinst du denn das? Wenn ich eine bestimmte Klemmenspannung einstelle, ergibt sich doch mit einer bestimmten Luftschraube auch ein bestimmter Strom, den ich dann nicht mehr veraendern kann. Es sei denn, ich halte die Luftschraube fest, was ja einer Drehzahl-/Drehmomentaenderung entsprechen wuerde.
Das mit der elektrischen Leistung auf der X-Achse hatte ich mir ja auch schon ueberlegt, aber kann ich bei nem Motor einfach annehmen, dass P=U*I ist? Wie soll ich sonst an die Leistung kommen? Deswegen hatte ich auch die Spannung aufgetragen und dann das Verhaeltnis aus sich ergebendem Schub und sich ergebendem Strom aufgetragen. In dieser Kennlinie ist ja auch PWM im Spiel :-)
Auf die PWM bin ich nur deswegen so scharf, weil ich halt die Klemmenspannung, die ich nachher als "Arbeitspunkt" festlege, auf etwa 85% legen will, siehe oben. Fuer die Wirkungsgraduntersuchungen hat das nix zu sagen, da haste natuerlich recht.
Nils
Ja wir reden vom gleichem aber trotzdem aneinander vorbei ;-)
Ich geh einfach mal davon aus das die aufgenommene Leistung des Motors P=U*I ist, also alles an den Klemmen gemessen. Es ist ja ein DC-Motor. Im Prinzip ist die aufgenommene Energie das was nachher einer "Batterie" an Energie fehlen würde. Leichte Schwankungen in der Versorgung können wir wahrscheinlich aus vernachlässigbar annehmen.
Sicher stellt sich bei einer bestimmten Spannung ein bestimmter Strom ein, logisch ;-) hätt mich aber trotzdem interessiert wie sich das System verhält.
Gruß, Sonic
Ein Parameter des Systemverhaltens ist, welcher Schub wird bei welcher Leistung erzeugt. Ist das richtig abgelesen?
Manfred
Schub in "Gramm",--- Eingangsleistung in Watt,--- "Gramm" pro Watt
12--- 0,7--- 16,9
18--- 1,1--- 16,2
30--- 2,2--- 13,6
38--- 3,2--- 11,9
46--- 4,4--- 10,4
54--- 6,1--- 8,9
62--- 7,8--- 8,0
66--- 9,0--- 7,4
70--- 11,2--- 6,3
78--- 17,1--- 4,6
Hallo,
vielleicht kann ich noch was zum Verständnis beitragen.
1) Der BUZ71 ist schon durchgeschaltet, das sieht man an den Messungen. Bei 3,15A fällt am FET 0,44V ab, das ergibt ca. 0,14 Ohm. Das passt schon. Aber wie schon Manfred bemerkte, es ist knapp, mehr als 5,5A wird nicht gehen. Die Verlustleistung ist etwa 1,4 Watt. Kein Wunder, wenn der BUZ ohne Kühlkörper heiss wird.
2) Eine PWM funktioniert wie ein Spannungssteller bei einem Netzteil. Bei 50% kommt genau die Hälfte der Versorgungsspannung am Motor an. Um bei 12V Versorgung das Gleiche wie bei 6V und 98% PWM zu erreichen, müsstest du bei 12V eben 54% einstellen. Ich glaube, da ist noch was an dem Messaufbau faul, denn bei 3A müsste in beiden Fällen auch der gleiche Schub raus kommen.
3) Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von mech. zur elektrischer Leistung. Die mech. Leistung = Kraft (also Schub) * Geschwindigkeit der Luftmasse.
Die el. Leistung P = U * I
Da die Geschwindigkeit der durch die Luftschraube bewegten Luftmasse nicht bekannt ist, kann in dem Fall auch kein Wirkungsgrad bestimmt werden.
Frage an Minifriese: Für welche Anwendung ist der Versuchsaufbau gedacht?
Gruss waste
Minifriese
23.06.2005, 19:42
Moin!
Danke fuer die Info! Meinst du wirklich, dass bei 3A der gleiche Schub rauskommen muss, egal welche Grundspannung ich benutze? Ich haette gedacht, dass der Effekt der groesseren Spannung im High-Teil der PWM vielleicht doch eine hoehere Leistung bewirkt.
Das mit dem Wirkunsgrad ist so ne Sache. Der Wert als solcher interessiert mich ja gar nicht so sehr. Ich will nur wissen, bei welcher Klemmenspannung bzw bei welchem Strom ich den Motor betreiben muesste, damit der Wirkungsgrad moeglichst hoch ist. Ob er dann z.B. 50% oder 70% betraegt, ist mir relativ egal, kann ich ja eh nicht gross aendern. Was ich aber aendern kann, ist die Steigung der Propeller, damit sollte ich dann ja das Optimum des Wirkungsgrades - wie gross es auch immer sein mag - zu einem Arbeitspunkt (=bestimmte Klemmenspannug) schieben koennen, der mir gerade gut passt. Also zum Beispiel zu 9V, weil meine Akkuspannung 11,1V ist und ich noch ein bisschen Regelreserve haben will.
Der Aufbau , also die Wippe, ist eigentlich dazu da, eine Lageregelung zu testen, wie man sie fuer den Quattrocopter braucht. Natuerlich nur eine der beiden Achsen, aber die andere waere ja identisch, bloss 90' versetzt. Ich denke, mit dem Aufbau sollte ich die Reglerparameter schon mal grob einstellen koennen. Wenn und falls ich dann mal den kompletten Quattrocopter baue, wird der hoffentlich schon mal einigermassen stabil fliegen. Jedenfalls nicht voellig ungezaehmt...
Der Regler ist ein Kaskadenregler, Fuehrungsgroesse ist die Lage (ueber ADXL202 gemessen), der Ausgang ein Drehratensollwert. Der Folgeregler regelt die Drehrate der jeweiligen Achse (ueber ADXRS150 gemessen). Damit ist die Stabilisierung gleich im Regler mit drin. Da die Strecke integrales Verhalten hat (konstante Schubdifferenz zwischen den beiden Motoren bewirkt stetige Drehung um die jeweilige Achse), sollte bei Fuehrungs- und Folgeregelung ein P-Regler ausreichen. Wenn's damit nicht geht, muss vielleicht ein PD-Regler rein.
Dummerweise weiss ich noch nicht, wo ich die ADXRS150 zu zivilen Preisen herbekomme und meine einstellbaren Propeller hab ich auch noch nicht. Also bastel ich hier momentan nur mit dem Spielzeugpropeller und einem ADXL202 rum. Mal gucken, was da so geht...
Nils
Hallo,
vielleicht kann ich noch was zum Verständnis beitragen.
...
2) Eine PWM funktioniert wie ein Spannungssteller bei einem Netzteil. Bei 50% kommt genau die Hälfte der Versorgungsspannung am Motor an. Um bei 12V Versorgung das Gleiche wie bei 6V und 98% PWM zu erreichen, müsstest du bei 12V eben 54% einstellen. Ich glaube, da ist noch was an dem Messaufbau faul, denn bei 3A müsste in beiden Fällen auch der gleiche Schub raus kommen.
Genau das mit der PWM versuch ich ihm auch die ganze Zeit klar zu machen.
Nur wieso "...bei 3A in beiden Fällen..", hat er doch noch gar nicht gemessen, die Spannung ist doch immer ca. 6V oder hab ich mich da schon wieder verkuckt?
Aber der Schub muss da nicht unbedingt gleich sein meiner Meinung nach.
Kann mich da aber auch irren. Der Schub einer Luftschraube hängt bei vorgegebener Geometrie mit der Drehzahl und dem Drehmoment zusammen. Deswegen nimmt man ja auch manchmal ein Getriebe, weil das Wirkungsgrad Maximum nicht unbedingt mit dem Wirkungsgradmaximum des Motors übereinstimmen muss...
Man kann das doch mit einem Schrittmotor vergleichen der mit Überspannung betrieben wird. Das macht man ja auch um ein größeres Drehmoment zu bekommen. Klar wird das durch PWM und Strombegrenzung wieder ausgemittelt, aber kann man das nicht mit einem Hammer vergleichen? Da macht mann ja auch mehre Kraftvolle Schläge um einen Nagel ins Holz zu treiben. Würde man mit der gemittelten Kraft auf den Nagel drücken, würde der sich sicher nicht bewegen ;-)
3) Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von mech. zur elektrischer Leistung. Die mech. Leistung = Kraft (also Schub) * Geschwindigkeit der Luftmasse.
Die el. Leistung P = U * I
Da die Geschwindigkeit der durch die Luftschraube bewegten Luftmasse nicht bekannt ist, kann in dem Fall auch kein Wirkungsgrad bestimmt werden.
...
Gruss waste
Ja schon, wenn man vom Akademischen Wirkungsgrad per Definition ausgeht. ´Gesucht ist aber nicht der absolute Wert, sondern das relative Minimum. Schub/Eingangsleistung ist da schon ein guter Anhaltspunkt. Hab das auch schon so auf etlichen Websites gefunden die sich damit beschäftigen. Man rechnet ja auch mit dem Schub und nicht mit der mechanischen Leistung.
Was mir in dem Diagramm allerdings fehlt ist der Abfall des Wirkungsgrad ab einer gewissen Drehzahl, bzw. der Punkt an der Schub nicht mehr Steigt. Also der Punkt an dem der Luftwiderstand die Überhand gewinnt.
Aber dazu brauchts anscheinend noch ein bisschen mehr Strom ,-)
Gruß, Sonic
Minifriese
23.06.2005, 20:41
Genau das mit der PWM versuch ich ihm auch die ganze Zeit klar zu machen.
Nur wieso "...bei 3A in beiden Fällen..", hat er doch noch gar nicht gemessen, die Spannung ist doch immer ca. 6V oder hab ich mich da schon wieder verkuckt?
Ich hab dich schon verstanden. So halbwegs jedenfalls :-) Alter Mann ist doch kein D-Zug... Mit PWM hab ich an sich kein Problem, allerdings kenn ich das sonst nur fuer Signale, z.B. Servos. Die Effekte in nem "Leistung"-Stromkreis mit Motor find ich noch etwas verwirrend...
Das mit den 3A ist nicht in der Tabelle, richtig. Hatte ich nur vorher mal kurz getestet. Aber weil dabei der BUZ71 ziemlich warm wurde, hab ich fuer die anderen Versuche 6V genommen (hab nur je einen 12V und 6V-Akku, noch nix dazwischen...). Aber bei diesem ersten Versuch hatte ich bei 12V Grundspannung und 3A etwa 120g Schub, bei 6V und 3A nur noch knapp 80g. Rein instinktiv wuerde ich dir schon zustimmen, dass das normal ist, wegen der hoeheren Grundspannung.
Nils
Ich sehe gerade, dass ich mich in meinem Beitrag verrechnet habe. Die Hälfte von 98% ist 49% und nicht 54%, wie ich geschrieben hatte. Also 12V und 49% PWM sollte das Gleiche als 6V und 98% ergeben.
@sonic
Dein Vergleich mit dem Hammer würde stimmen, wenn die PWM-Frequenz sehr niedrig ist. Aber bei 4kHz sollte der Strom nicht mehr pulsieren sondern einigermassen konstant sein. Dann wirkt es so, als ob nur eine geringere Gleichspannung angelegt wird. Die "3A in beiden Fällen" bezieht sich auf den 1. Beitrag von Minifriese, wo er bei 3A einmal 120g Schub ermittelt und ein anderes Mal 85g Schub.
Bei 3A liefert ein Motor ein ganz bestimmtes Drehmoment. Bei gleicher Luftschraube ergibt das eine ganz bestimmte Drehzahl und diese Drehzahl am Motor bei 3A ergibt wiederum nur eine bestimmte Spannung am Motor. Also, da ist noch etwas unstimmig an der 1. Messung.
Bezüglich Wirkungsgrad bei Luftschrauben muss ich noch kurz nachdenken.
Komm gleich wieder.
Gruß waste
Minifriese
23.06.2005, 21:10
Hab den elektrischen Aufbau gerade erstmal aufgeraeumt, weil ich bis die Luftschrauben kommen, lieber an meiner LCD-Ansteuerung und den Analogeingaengen gebastelt hab.
Ist aber ne interessante Frage, also werde ich das morgen nochmal aufbauen und nachmessen ;-)
Nils
Hab noch vergessen, gleiche Drehzahl an der gleicher Luftschraube, ergibt auch gleichen Schub.
waste
Minifriese
23.06.2005, 21:14
Muss mir vielleicht doch mal nen Drehzahlmesser zulegen...
Uebrigens messe ich mit billigen Multimetern aus dem Baumarkt. Ist die PWM-Frequenz hoch genug, dass der Strom da nicht wegen der Welligkeit falsch angezeigt wird?
Nils
Ich denke, bei 4kHz ist die Welligkeit nicht so gross, dass es zu einer Falschmessung kommt. Bin mir da aber nicht so sicher. Müsste es einmal nachmessen. Aber das hängt natürlich auch vom Motor ab.
Bezüglich Luftschraube für einen Quattrocopter habe ich folgendes herausgefunden: Um einen gewissen Schub zu erreichen, kann man entweder eine kleine Luftmasse mit hoher Geschwindigkeit verdrängen oder eine große Luftmasse mit entsprechend kleinerer Geschwindigkeit. Im Fall der hohen Strahlgeschwindigkeit ist die im Strahl aufgewandte kinetische Energie als unnütz zu sehen, denn der Quattrocopter soll ja nicht wie eine Rakete durch die Luft zischen, sondern eher sanft dahin schweben. Also sollte man für einen Quattrocopter Luftschrauben wählen, die möglichst viel Luftmasse bewegen aber nur mit der Geschwindigkeit, dass es für den Schub bzw. für die max. Steiggeschwindigkeit ausreicht. D.h. möglichst grosser Durchmesser und geringe Drehzahl.
Just my 2 cents.
waste
@waste: stimmt 4khz, da bleibt nicht mehr viel Welligkeit. Aber am Oszi anschauen würd ich mir sowas schon mal gern, bin blos zu faul ,-) Ne muss lernen ,-)
Also irgendwie wird man blöd im Kopf wenn man versucht zu diesem Thema mal ein paar Formeln zu finden. Jeder schreibt was anderes, jeder hat andere Ausgangssituationen. Das ist echt zum Kinderkriegen. Verstehen würde ich das Ganze aber auch gern.
Das mit den Luftschrauben für die Quattrocopter stimmt grundsätzlich auch so. Wir hatten das schon mal in unserem Quattrocopterthread besprochen.
Wahrscheinlich bleibt uns nichts anderes übrig als auf die nächsten Kennlinien zu warten.
Gruß, Sonic
Minifriese
24.06.2005, 06:39
Moin,
Das mit den moeglichst grossen Luftschrauben stimmt. Bloss finde mal leichte Luftschrauben, die es mit grossen Durchmesser sowohl links- als auch rechtsdrehend gibt... Die groessten die ich aufgetrieben haben, sind 20,8cm, mit drei bzw. vier Blaettern. Die sollen dann ca 18g wiegen. Sind aber immer noch nicht bei mir angekommen =P~
Sobald sie da sind, versorg ich euch wieder mit Kennlinien...
Nils
BlackBox
24.06.2005, 07:15
Hallo Nils,
hier gibt es eine Überschlagsberechnung für den Schub --> www.standschub.de. Geht allerdings von der Drehzahl aus aber evtl. hilft es irgendwie.
Für einen Speed400 im Direktantrieb ist der Günni-Prop schon fast das Optimum. Für größere Schrauben brauchst Du ein Getriebe, sonst fällt der Wirkungsgrad zu stark ab.
Der Speed400 7,2V wird im Modellbau mit 8..12 Zellen eingesetzt. Die 12V sollten also OK sein. Zur Fet-Ansteuerung würde ich allerdings einen Fet-Treiber einsetzen. Der Motor zieht bei 12V so 10..12A (mit Günni). Wenn der Fet nicht schnell genug durchgesteuert wird ist die Schaltverlustleistung verdammt hoch.
Viele Infos zu Motoren etc. findest Du unter http://www.rclineforum.de/forum/index.php.
Ich sehe gerade, dass ich mich in meinem Beitrag verrechnet habe. Die Hälfte von 98% ist 49% und nicht 54%, wie ich geschrieben hatte. Also 12V und 49% PWM sollte das Gleiche als 6V und 98% ergeben...
Moment mal:
Das ist nicht richtig! Die PWM reduziert die Spannung in keiner Weise. Die liegt nämlich immer voll an. Wenn sie dennoch kleiner ist dürfte höchstwahrscheinlich ein LC-Glied zur HF-Dämpfung nachgeschaltet sein wodurch aber der Vorteil des höheren Drehmoments völlig flöten geht.
Demnach kann auch der maximale Strom fließen wenn er nicht geregelt wird. Nehmen wir an der liegt bei 4A.
Bei Deinen Vorgaben wird innerhalb einer Sekunde bei 12V eine Arbeit von 23,52Ws verrichtet. (12V*4A*0,49s)
Nun halbieren wir die Spannung. Um es etwas einfacher zu gestalten wird im Betrieb des Motors der gleiche elektrische Widerstand angenommen. Also die halbe Spannung lässt bei gleichem Widerstand den halben Strom und damit ein Viertel der Leistung zu. Um die gleiche elektrische Arbeit wie bei 12V zu verrichten brauchst Du nun 4 mal mehr Zeit als bei 12V. Da Du die aber nicht hast kommst Du nur auf maximal die Hälfte des Ursprünglichen Wertes (11,72Ws=6V*2A*0,98s) was sich zwangsläufig dann auch im geringeren Schub äußern wird.
Minifriese
01.07.2005, 17:07
Moin,
Das deckt sich mit meinen Erfahrungen... Bei 12V und gleichem Tastverhaeltnis ist der Schub wesentlich groesser. Aber bei 12V wird der Pro400 bei 3A schon sehr heiss, ich trau der Sache nicht so ganz... Ziel sind ohnehin 7,4V Akkuspannung.
Ich wollte eigentlich mal fuer verschiedene Propeller aufnehmen, bei welcher Drehzahl sie wieviel Schub geben, aber der Drehzahlmesser von Conrad scheint ziemlicher Mist zu sein. Selbst wenn man einen weissen Propeller vor schwarzem Hintergrund misst, zeigt das Ding entweder gar nichts an oder stark schwankende Werte, die voellig unbrauchbar sind. Trotz voller Batterien. Dumm gelaufen.
Ich wollte den Motor nicht mit mehr als zwei Ampere oder so laufen lassen, fuer die groesseren Propeller ist also der Pro400 ungeeignet, weil ich keine Getriebe auftreiben konnte. Da muss ich mir noch was anderes ueberlegen. Der Guenniprop scheint in der Tat gar nicht schlecht zu sein, wo kommt eigentlich der Name her??? Und gibt's das Ding auch in anderen Groessen?
Nils
Nun halbieren wir die Spannung. Um es etwas einfacher zu gestalten wird im Betrieb des Motors der gleiche elektrische Widerstand angenommen. Also die halbe Spannung lässt bei gleichem Widerstand den halben Strom und damit ein Viertel der Leistung zu.
Das stimmt leider nicht.
Ein Motor ist nur im Stillstand bei Geichspannung durch den Widerstand beschrieben.
Es kommen die Induktivität hinzu die den Strom glättet und die induzierte Spannung die den größeren Teil des Spannungsabfalls an der Wicklung ausmacht.
Manfred
Ja ist schon klar. Aber trotzdem kann man nicht annehmen das sich der gesamte Widerstand halbiert und man die gleiche Leistung herausbekommt wenn man das Puls/Pausenverhältniss ändert.
...wenn man die anliegende Spannung halbiert. (Ergänzung)
Die Spannung mit PWM an einer Induktivität erscheint im wesentlichen als die um das Tastverhältnis reduzierte Spannung.
Damit kann man dann die weitere Berechnung durchführen.
Manfred
@Gast
Ein Motor hat auch eine Induktivität, dadurch wird der Strom geglättet. Damit stimmt deine Rechnung nicht mehr. Sie würde stimmen, wenn der Motor im lückenden Betrieb arbeitet, also z.B. bei 50 Hz. Aber bei 4kHz geh ich von einem nicht lückenden Strom aus. Aber das hatten wir ja schon in dem Thread.
Es würde zwar die Unstimmigkeit etwas aufklären, aber immer noch nicht ganz. Klarheit kann wohl nur Minifriese schaffen, indem er den Strom mit einem Oszi nachmisst. So viel ich aber mitbekommen habe, hat er nur ein einfaches Multimeter.
Wenn es interessiert, kann ich Vergleichskurven reinstellen, aber das sind dann nicht die Verhältnisse wie bei Minifriese.
Waste
Minifriese
01.07.2005, 18:47
Moin!
Doch, ich hab ein Oszi. Aber um damit den Strom im Leistungskreis zu messen, muesste ich ja einen ohmschen Widerstand in Reihe zum Motor schalten und den Spannungsabfall darueber messen, richtig? Die kleinsten Widerstaende, die ich habe, sind 1,4Ohm. Sind zwar etwas dicker als die normalen Winzlinge, aber ob sie 3A*3A*1,4Ohm=12,6Watt aushalten, wage ich zu bezweifeln...
Uebrigens war meine urspruengliche Fragestellung etwas anders: Die Akkuspannung ist bei mir festgelegt, ich hatte nur aus Neugier mal eine andere probiert. Mittlerweile hab ich auch den vorgesehenen Akku mit 7,4V. Bei dieser Akkuspannung und variablen PWM-Tastverhaeltnissen wollte ich den Punkt finden, wo die Motor/Luftschrauben-Kombination am effizientesten laeuft, also mit dem meisten Schub pro Strom. Beziehungsweise wollte ich dann durch Ausprobieren verschiedener Antriebskonfigurationen einen finden, der bei z.B. 80% PWM dieses Maximum hat.
Wenn jemand eine bestimmte Messung zu dieser PWM/Leistungsdiskussion sehen moechte, kann ich gerne mal mein Oszi anschmeissen, vorausgesetzt, ich muss dafuer keine Widerstaende grillen...
Nils
Minifriese
01.07.2005, 18:48
Ach ja, bevor ich's vergesse: Ich bin inzwischen auf 62,5kHz PWM-Frequenz umgestiegen...
@Minifriese
Sehr gut! Du hast doch auch noch ein Multimeter, mit dem du Ströme messen kannst. Da hast du deinen Shunt-Widerstand. Einfach das Multimeter als Strommesser in die Motorleitung schalten und parallel dazu den Spannungsabfall an dem Multimeter oszillographieren.
Übrigens 62kHz als PWM scheint mir doch zu viel zu sein. Ich hab es zwar noch nie ausprobiert, aber da könnten andere negative Effekte wie zu hohe Wirbelströme und sonstige Störungen auftreten.
Waste
Minifriese
01.07.2005, 19:06
Da hab ich ja noch gar nicht dran gedacht... Ich hab bloss gesehen, dass hochwertige Fahrt- bzw. Flugregler teilweise bis 100kHz haben. Das soll angeblich sehr motorschonend sein. Erwaehnt waren da meistens Glockenankermotoren, aber das sollte doch bei normalen Motoren nicht anders sein, oder? Und mit 62,5kHz hat das Pfeifen aufgehoert, dass ich mit 4kHz bei kleinen PWM-Tastverhaeltnissen noch gehoert hatte.
Ich bau dann nachher mal mein Oszi auf und melde mich dann wieder :-)
Nils
Vielleicht funktioniert der Drehzahlmesser, wenn hinter der Luftschraube ein Licht ist. Eine normale 230 Volt Lampe ist da aber nicht geeignet, da die Lichtintensität durch die 50 Herz Wechselspannung schwankt, was den Drehzahlmesser verwirren kann. Besser ist eine Halogenlampe (größere Temperaturträgheit) oder eine helle Taschenlampe.
Hi, ich schliesse mich hier einfach mal kurz an...
Dann brauchst du noch einen Widerstand zwischen AvrPin und Gate nach Masse, sonst dümpelt die Ladung immer im Gate rum und fliesst nur ganz langsam durch den hochohmigen Pin ab. Das bedeutet hohe Verluste.
Je schneller das Gate die Ladung loswird (einige nC) desto weniger Verlust...
Wie gross müsste denn so ein Widerstand sein? Sind 10k OK?
grüsse
Basti
Bei einem Volt fließt über den 10k Widerstand 100µA.
10nC oder 10nAs werden so bei einem Volt in etwa 100µs abfließen.
Das ist im allgemeinen etwas langsam, auch bei ein paar Volt mehr ist es noch langsam.
Manfred
Hmmm, ich gebe ja zu, ich habe von diesen mosfets nicht so wirklich viel Ahnung, vielleicht sollte ich auch daran arbeiten, aber was wäre denn ein sinnvoller Wert bzw wäre "langsam" schlimm?
grusse
Basti
Als Kurzschluss oder als Leerlauf nimmt ein Schalter praktisch keine Leistung auf, die Zustände dazwischen müssen relativ schnell durfahren werden.
Manfred
https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?p=108815#108815
Hi, erstmal danke für die schnellen Antworten aber leider bin ich jetzt eher noch mehr verunsichert....
Ich werd einfach mal schreiben was ich machen will.
Mein Ziel war eigentlich so einfach wie möglich einen einfachen Gleichspannungsmotor, der so ca 3A bei 12V benötigt etwas langsamer laufen zu lassen. Da in unserer bastelschaltung sowieso ein Atmega8 vorhanden ist, und dieser auch einen pwm-ausgang hat, sagte man mir, machs doch einfach damit, und dann bin ich auf diesen buz71 gestossen, den man da angeblich einfach "dranhängen" kann.
In dem verlinkten Thread schlägt jemand vor eine 12v z-diode ans gate anzuschliessen - hat die hier den gleichen effekt wie so ein Widerstand?
...Basti
Wenn der Motor mit 12V und PWM angesprochen wird, ist der Wirkungsgrad der Schaltung günstiger, da mehr Energie in den Motor gepumpt werden kann. Du musst immer die Gegen-EMK überwinden, also U0, um Strom in den Motor zu "schieben". (Ersatzschaltung DC Motor: U=U0 + I²*R)
Durch die 12V hast du den nötigen "Druck".
Deshalb hast du auch mehr Schub:
12V: Pzu=12V*0,625*3A= 22,5W
6V: Pzu=6V*0,98*3A = 17,6W
Wenn du das ins Verhältnis zum gemessenen Schub setzt:
12V: 22,5W / 120g = 0,188 W/g
6V: 17,6W / 85g = 0,207 W/g
Du hast also mit der höheren Spannung einen etwas besseren Wirkungsgrad, aber die beiden Ergebnisse passen zusammen. Im Wesentlichen ist ist der Schub pro Watt gleich.
Das kannst du auch anders rechnen:
@12V, 3A, 62,5% fließt in der On-Phase ein Strom von 4,8A (3A/0,625).
Dieser ruft einen Spannungsabfall am RDS von 0,14 Ohm * 4,8A = 0,672V hervor.
Verglichen mit 0,14 OHm * 3A /0,98 = 0,44 V @6V, 98% PWM
@12V kommen von deiner Spannung also 12V - 0,672V = 11,33V an, das sind bei 0,625 PWM dann 11,33V*0,625 = 7,08V am Motor.
7,08V/7,5V (nominell) = 94,4%
@6V kommen von deiner Spannung nur 6V - 0,42V = 5,58V *0,98 = 5,48V am Motorn, das sind dann 5,48V/6V= 91,1%
Die höhere Spannung bewirkt also einen höheren Wirkungsgrad der Treiberschaltung und bietet die nötige Reserve.
Evtl. kannst du ja noch einen besseren FET nehmen, mit kleinerem RDS ON? Der wird dann nicht so heiß und du hast mehr Power. Wenn du mehr Spannung hast, als Logic-Level, kannst du natürlich mit nem Mosfet-Treiber (z.B. TSC1426 , bzw 1427 o.ä.) den Schaltvorgang optimieren..
Gruß sigo
(Ersatzschaltung DC Motor: U=U0 + I²*R)...
@12V, 3A, 62,5% fließt in der On-Phase ein Strom von 4,8A (3A/0,625).
Dieser ruft einen Spannungsabfall am RDS von 0,14 Ohm * 4,8A = 0,672V hervor. Das I ohne Quadrat und wenn die Spannung nicht konstant ist, dann fällt an der Induktivität auch noch etwas ab.
Der Strom soll sich sicher nicht im PWM Takt ändern. Üblicherweise wird die PWM Frequenz so hoch gewählt, dass der Strom im wesentlichen konstant bleibt. Für die Spannung am Motor ist dann (wegen der Induktivität) die Betriebsspannung mal Tastverhältnis einzusetzen.
Der Hauptpunkt ist, wie schnell wird der Transistor, der hier ca.10nC Gateladung hat, umgeladen. Bei 10mA dauert es 1µs. In den Bereich sollte man kommen.
Manfred
Hallo,
Eine PWM funktioniert wie ein Spannungssteller bei einem Netzteil. Bei 50% kommt genau die Hälfte der Versorgungsspannung am Motor an. Um bei 12V Versorgung das Gleiche wie bei 6V und 98% PWM zu erreichen, müsstest du bei 12V eben 54% einstellen.
Neenee, um mit 12V das Gleiche wie bei 6V 98%PWM zu erreichen musst du bei 12V
ca. 25% PWM einstellen.
Bei PWM kommt die volle Spannung am Verbraucher an.
Zeitlich zerhackt wird der Strom, und damit die Leistung, aber nicht die Spannung.
z.B. ein Ohmscher Verbraucher von 10 Ohm:
P = (U*U)/I
bei 6V 98% ergibt sich eine mittlere Leistung von ca. 3,6W
(6V*6V) / 10Ohm * 0,98 = 3,6W
bei 12V 25% ergibt sich eine mittlere Leistung von ca. 3,6W
(12V*12V) / 10Ohm * 0,25 = 3,6W
bei 12V 54% ergibt sich eine mittlere Leistung von ca. 7,8W
(12V*12V) / 10Ohm * 0,54 = 7,8W
Gruß Jan
Neenee, um mit 12V das Gleiche wie bei 6V 98%PWM zu erreichen musst du bei 12V ca. 25% PWM einstellen.
Richtig, wenn es um ohmsche Verbraucher geht.
Hier geht es um die Ansteuerung eines Motors, (mit Induktivität).
Manfred
@sigo
Hmmm ich bin mir jetzt nicht ganz sicher, ob ich gemeint war, aber da der Thread ansonsten schon relativ alt war, gehe ich mal davon aus.
Eigentlich ist mir der Wirkungsgrad relativ egal, die 12V stehen fest, wenn ich 6V hätte, würde ich den Motor damit direkt laufen lassen und bräuchte kein pwm ;-)
Da man mir sagte das geht relativ einfach mit dem atmega, wollte ichs halt mal probieren, da könnte man dann auch schön gleich die Geschwindigkeit einstellen, aber scheinbar gibts wohl da keine einfachen Antworten, und es wär vielleicht sinnvoller, wenn ich mal einen eigenen Thread eröffne?
Basti
Du kannst gerne auch einen einen Thread aufmachen um zu diskutieren wie man einen DC-Motor mit PWM ansteuert.
Die Umschaltzeiten des Tansistors sollen klein bleiben, so im µs Berich und die PWM Frequenz soll so hoch sein, dass der Strom nicht zu stark schwankt ab ein paar kHz geht es meistens.
Welche Daten mit welchen Schaltungen errreicht werden bei Motoren für den ASURO mit 50mA oder für größere Fahrzeuge mit 5A, darüber sollte man sich austauschen.
Manfred
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