Kraft - Schwacher/Voller Akku

Ich möchte meinen Roboter möglichst genau drehen lassen. Habe das Handyboard als Controller, welches die Motoren mittels PWM-Signal steuert.
Als Motoren habe ich modifizierte Servos (360°-Drehung möglich, Elektronik ausgebaut und Strom wird direkt an die Motoren gegeben).

Jetzt stelle ich mich die Frage ob ich bei höherer Spannung und geringer Leistung mich genau so genau drehen kann wie mit niedrigerer Spannung und höherer Leistung.

Die genaue Drehung ist von nöten, damit sich mein Roboter ganz genau in eine bestimmte Himmelsrichtung drehen kann. Toleranz am besten unter 2°.

Hi,
meinst du mit höherer Spannung und geringer Leistung, dass bei vollem Akkui die PMW "weniger durchschaltet"?.
Mh...man könnte irgendwie hinbekommen, dass die PMW je nach Spannung die Motoren mehr oder weniger kräftig durchschaltet. Dazu müsste eben die Akkuspannung ausgewertet und die PMW dementsprechend geregelt werden. Wesentlich einfacher wäre as ganze mit Schrittmotoren gegangen.
Aber man könnte auch an jedes Servo eine sog. lochscheibe hängen die jeweils mit Lichtschranken(1 pro motor) versehen werden. Dann müssten die Impulse an der Lichtschranke eben gezählt werden und der Motor würde ab einem best. Zählwert eben abschalten.


Das fällt mir grad so alles ein..
Gruß
Raphael

das mit den lichtschranken und lochscheiben ist schon eingebaut,.
es geht viel mehr darum den motor langsam zu drehen. Dabei soll der Motor immer noch genug kraft haben.
jetzt ist die frage, was besser ist. Eine hohe spannung und den PMW seltener durchschalten oder eine niedrige spaunnnung und öfters durchschalten

gruss veloxid

Zitat:

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was besser ist. Eine hohe spannung und den PMW seltener durchschalten oder eine niedrige spaunnnung und öfters durchschalten

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So wie ich das verstanden habe, ist das Prinzip von PWM, dass man über die Pulsbreite den Mittelwert einer Spannung mit konstantem Spitzenwert steuert.
Ob du deinen Gleichstrommotor mit 10V und einer Pulsweite von 10% oder 1Volt und einer Pulsweite von 100% speist sollte also völlig egal sein, da der Mittelwert der Spannung in beiden Fällen 1 Volt ist.

Bei derselben mittleren Spannung bringt derselbe Motor auch dieselbe Leistung.

Hallo,

Zitat:

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Ob du deinen Gleichstrommotor mit 10V und einer Pulsweite von 10% oder 1Volt und einer Pulsweite von 100% speist sollte also völlig egal sein,

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Nein, das stimmt so nicht.
Bei 10facher Spannung bekommst du auch den 10fachen Strom,
also die 100fache Leistung. ( P=U*I )
Und umgekehrt bei einem Zehntel der Spannung nur ein Hunderstel der Leistung.
Du wirst also mit 1V und 100%
trotzdem nur 10% der Leistung gegenüber 10V und 10% erreichen.

Bei Elektromotoren gilt:
Lieber mehr Spannung, dann wird die Leistung,
aber auch der Wirkungsgrad besser.
Denn mehr Spannung bedeutet bei gleicher Leistung weniger Strom.
Und der Strom ist es, der am ohmschen Widerstand der Kupferwicklung
die Verluste in Form von Wärme erzeugt, nicht die Spannung.

Gruß Jan

Zitat:

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Nein, das stimmt so nicht.
Bei 10facher Spannung bekommst du auch den 10fachen Strom,
also die 100fache Leistung. ( P=U*I )

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Klar. Aber über eine PWM Periode gesehen habe ich ja nicht die 10fache sondern dieselbe Spannung.
Für die Wirkleistung und einen ohmschen Verbraucher gilt: P= U^2/R und da 10U/10 = U ist kommt in beiden fällen dasselbe raus.

Nach deiner Berechnung würde ich ja aus einem 10 Volt Motor mit 10 Volt und Tastverhältniss 1/10 dieselbe Leistung herausholen, wie wenn ich den Motor mit einer konstanten 10 V Gleichspannung betreibe.
Das kann irgendwie nicht hinkommen.

Zitat:

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Bei Elektromotoren gilt:
Lieber mehr Spannung, dann wird die Leistung,
aber auch der Wirkungsgrad besser.

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Wir reden hier aber von PWM, das heisst über den gleichen Effektivwert der Spannung. Bei einer vernünftigen PWM Steuerung sollte die Frequenz so hoch sein, dass der Motor noch rund läuft.

Da ein Elektromotor kein ohmscher Verbraucher ist, wäre eine realistische Rechnung nätürlich wesentlich kompolizierter als das was wir uns hier zusammenrechnen.

Mal so ganz aus dem Bauch heraus würde ich aber vermuten, dass Wirkungsgrad und Leistung bei einem glatten 1 Volt Gleichstrom eher besser sind, als bei einer 10V PWM Spannung mit 1/10 Tastverhältnis, da letztere bei gleichem Effektivwert massig Schwingungen in Strom- und Spannungsverläufe bringt.

ich denke auch dass das so ist wie JanB es sagt.
Du hast ja da eine kurze spannnugs spitze von 10V und danach fällt das auf 0V zurück, aber in den paar hundertstel sekunden läuft strom, der 10 x so hoch ist wie bei 1v.
Wenn du dir die PWM so vorstellst, dass es immer für 1ms an ist dann für 9ms aus, haste dein ding auf 1/10 der leistung.
jetzt rechenen wir aus was man für die Power x Zeit erhält:
ohne PWM, und mit 1V:
X= Pxt=P*10ms
mit PWM und 10V, theoretischen 1V:
X= 100*p*1ms=P*100ms

daraus folgt, dass mit PWM und einer theoretischen Spannung von 1V dennoch noch 10x mehr power geliefert wird als ohne PWM und einer realen spannung von 1V.

Stimmt das so????

gruss veloxid

Hallo,

Zitat:

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Ob du deinen Gleichstrommotor mit 10V und einer Pulsweite von 10% oder 1Volt und einer Pulsweite von 100% speist sollte also völlig egal sein,

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Da bin ich immer noch anderer Meinung:
Das Problem ist:
Du verteilst bei deiner PWM-Betrachtung immer die Spannung über die Zeit.
Du musst aber die Leistung über die Zeit verteilen.

Denn der Strom, der im Moment des Einschaltpulses fliesst,
wird ja nicht durch die mittlere Spannnug bestimmt,
sondernd durch die in diesem Moment anliegende Spannung.

Und die Leistung steigt bei 10facher Spannung auf das 100fache.
(wegen U-Quadrat in deiner Formel)
Betrachten wir mal ein konkretes Beispiel:
Deine Werte von oben mit Lastwiderstand von 1Ohm.
10 V, 1 Ohm, ergibt 100W, bei Einschaltdauer 10% also 10W im Mittel.
1 V, 1 Ohm, ergibt 1W , bei Einschaltdauer 100% also auch 1W im Mittel.
Deshalb ist deine Aussage "10V 1% oder 1V 100% ist egal" falsch.

Recht gebe ich dir darin, das diese Betrachtung ein wenig akademisch ist,
weil ein E-Motor kein reiner Ohmscher Verbraucher ist.
Deshalb sind die realen Verhältnisse etwas kompliziertet.
Aber die Tendenz bleibt:
Wenn du die gleiche Leistung anstatt mit 10V 10%PWM mit 100%PWM erhalten willst,
dann brauchst du nicht 1V sondern 3,16V. (Wurzel 10 wegen P=U^2/R)

Aber unter uns Praktikern:
Wenn du aus einen Motor nur 10% der Nennleistung rausholen willst,
dann hast du einfach den falschen Motor,
denn du kriegst dann so oder so einen miserablen Wirkungsgrad und
ein genauso schlechtes Gewichts/Leistungsverhältnis.

Gruß Jan

Man muß bei den Betrachtungen schon aufpassen, daß man sie nicht für für Widerstände und stillstehende Motoren macht.

In einem ersten Schritt kommt man dem Ansteuerungsthema sicher näher, wenn man einen idealen Motor betrachtet. (näher als gar kein Motor)

Der hat eine induzierte Spannung die der Drehzahl proportional ist. Diese Spannung liegt gerade um die Spannungsdifferenz unter dem PWM Wert (Ubatt*PWM%) die nötig ist, um den Strom durch den Wicklungswiderstand zu treiben, der für das aktuelle Moment nötig ist.

Wenn in dem Wicklungswiderstand nur ein geringer Teil der Spannung abfällt (guter Wirkungsgrad) dann ist der Spannungsanteil für den Widerstand gering. (Der Motor ändert bei Belastung seine induzierte Spannung nur geringfügig und kann mit der Spannungsdifferenz am Spulenwidrstand mehr Strom aufnehmen.) Die Induktivität des Motors glättet den Strom, sodaß der Mittelwert der PWM Spannung wirksam wird.

Es geht alles zusammen sehr in Richtung einer effektiven Spannung, die der Batteriespannung mal dem Tastverhältnis entspricht. Bei größerem Strom aus dem schwachen Akku wird dessen Spannung mehr einbrechen und ein Nachsteuern erforderlich machen.

Manfred

Hallo Manfred,

Zitat:

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Man muß bei den Betrachtungen schon aufpassen, daß man sie nicht für für Widerstände und stillstehende Motoren macht.

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Wenn er die Wahl hat, den Motor mit 1V 100%ED oder 10V und PWM zu betreiben,
dann wird der Motor offensichtlich mit einer Drehzahl gefahren,
wo die induzierte Spannnung in der Wicklung (Gegen-EMK) kleiner
als 1V ist.
Wenn er die gleiche Drehzahl mit 10V und PWM erreicht,
wird die Gegen-EMK auch kleiner als 1V sein,
denn die ist nur von der Drehzahl abhängig.
Also fallen fast die ganzen 10V nämlich über 9V,
am ohmschen Anteil des Scheinwiderstandes der Wicklung ab,
mit entsprechendem Strom und Verlustleistung.

Insofern halte ich meine Art der Betrachtung in diesem Fall für zulässig.

Ein Motor, der bei 10V weniger als 1V Gegen-EMK entwickelt,
ist doch ein fast stillstehender Motor.
Von 10V aus gesehen. Viel fehlt da nicht mehr.
Wenn ich ihn blockiere hätter er 0V.
Bei voller Last-Drehzahl hätte er ca. 8V Gegen-EMK.
(Wirkungsgad 0,8 mal angenommen)

Schöne Grüße... Jan

Die Bemerkung mit der Motor-Betrachtung bezieht sich auf die Nutzlast, die durch die induzierte Spannung mal dem Strom beschrieben ist.

Die ist der entscheidende Anteil am Leistungsumsatz, wenn sie es nicht ist dann kann man meistens die Betrachtung unter neuen Voraussetzungen noch einmal beginnen.

Der Unterschied zwischen der Versorgungsspannung und der induzierten Spannung kann mit einer PWM Schaltung überbrückt werden.

Wenn es nur einen ohmschen Anteil des Widerstandes in der Wicklung gäbe, dann wären die Verluste sehr groß. Ist die PWM Frequenz hoch genug, dann wirkt im wesentlichen der induktive Anteil des Wicklungswiderstandes und der Strom wird geglättet.

Die Verluste müssen dann nicht sehr groß werden und der Motor kann auch noch bei niedriger Drehzahl betrieben werden. Natürlich mit dem geringeren Wirkungsgrad bei niedriger Drehzahl. (Eben so wie mit der Versorgung durch ein Schaltnetzteil anstelle eines Längsreglers.)

Ich halte übrigens Deine Betrachtung in jedem Fall für zulässig und schätze Deine Meinung sehr.
Manfred

Hallo Manfred,

Zitat:

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Ist die PWM Frequenz hoch genug, dann wirkt im wesentlichen der induktive Anteil des Wicklungswiderstandes und der Strom wird geglättet.

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Ok, das muss man auch mit einbeziehen.
Bei genügend hoher PWM-Frequenz wird der Strom
in der Wicklung gar nicht seine volle Höhe erreichen.
Der Stromanstieg wird durch die Induktivität verlangsamt,
und noch bevor er seine volle Höhe erreicht,
wird schon wieder abgeschaltet.
Der Strom fliesst dann durch
die (hoffentlich vorhandene) Freilaufdiode weiter,
und klingt ebenfalls verlangsamt ab.

Aber was meinst du ?
Wo ist denn jetzt der Wirkungsgrad besser bei Teillast.
Kleine Gleichspannnung mit 100% ED ?
Oder hohe Spannnung mit PWM ?
Oder ist das egal ?

Gruß Jan

Am besten läuft ein klassischer Motor, wenn er von außen eine feste Spannung bekommt. Solange der Strom nicht zu sehr schwankt und die Kernverluste durch den Wechselanteil gering sind ist auch der Unterschied gering.
Eine kleine Variation kann er durch PWM erhalten, das geht auch in Richtung der ursprünglichen Frage. Für eine Minimierung der Verluste muß die Frequenz dann eben auch gut passen.
Die normalen Trafobleche in Ankern gehen gut bis 400Hz und ein Stück darüber, mehr brauchen sie klassisch auch nicht. Schaltnetzteilspulen sind für weit höhere Frequenzen ausgelegt.

Das wird wohl ein Trend für Robotermotoren sein: Optimale Leistung über einen weiten Drehzahlbereich mit PWM Ansteuerung zu bringen, (das schließt auch ein gutes Haltemoment im Stillstand ein), neben einer großen Kontinuität des Momentes über dem Winkel durch hohe Polzahl.
Das Ganze auf einer Hohlachse mit Versorgungskanal und mit Feinst-Inkrementalgebern die auch eine absolute Winkelbestimmtung ermöglichen.
Auf der Automatika München 2004 habe ich mich am DLR Stand über die Entwicklung von Roboter Motoren informiert. Es gibt da eine ganze Menge Sachen die ich wohl nur mit Mühe alle wieder zusammenbekomme. Ich freue mich schon auf eine nächste Gelegenheit.
Manfred

ohne ein kompasmodul erreichts du niemals eine genaue drehung. der untergrund (durchdrehen der räder) verfälschen schon nach einer kurzen strecke den drehstandort. ich habe mich beim küchenbrettroboter für das kompassmodul cmps03 entschieden. diese entscheidung war richtig. ich gebe z.b. am pc eine gradzahl ein und sende die über das easy-radio-modul zum robby und schon dreht er in diese richtung. wenn die drehung ferig ist, pendelt er sich noch einmal genau ein, weil die getriebemotoren auch noch eine schwungmasse haben wenn diese zu schnell drehen. ich weis aber genau, wenn ich den robby nach 99 umdrehungen auf 46 grad stelle, das er dann auch auf 46 grad +-1 grad steht.
mf gpebisoft

Nicht schlecht auf 1° genau. und das bei einem Sensor der auf 4° genau ist. Wie hast du das gemacht?