PWM Leistungsendstufen: Stromrippel & Motor-Drossel

Thema:

Jede PWM Motoransteuerung von Leistungsendstufen führt zu einem sogenannten Stromrippel, insbesondere bei niedriginduktiven Motoren. Dieses Dokument zeigt verschiedene Aspekte und Massnahmen auf um den Stromrippel zu reduzieren.

Situation:

Moderne Motorsteuerungen und Verstärker basieren auf einem PWM Leistungsausgang, bei welchem die notwendige Motorspannung durch eine permanente Variation der PWM Pulsbreite erzeugt wird. Die PWM gesteuerte Motorspannung verursacht einen Stromrippel bedingt durch den Stromanstieg und –rückgang in der Motorwicklung in jedem PWM Zyklus. Der Stromrippel kann zu einer zusätzlichen Erwärmung der Motorwicklung (selbst im Stillstand und ohne Last) führen. Der maximale Peak-to-Peak Wert (Ipp) des Stromrippels hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab.

Stromrippel: Einflussfaktoren

• Die PWM-Frequenz fpwm der Leistungsendstufe:
  Je höher die PWM-Frequenz, desto kleiner ist der Stromrippel.
  
  
• Das PWM-Schema der Leistungsendstufe:
  Bei 4-Q Motorsteuerungen mit einem 2-Level PWM ist der Stromrippel grösser als bei 1‑Q Motorsteuerungen oder 4‑Q Motorsteuerungen mit 3-Level PWM.
  
  
• Die Versorgungsspannung VCC:
  Je kleiner die Versorgungsspannung, desto kleiner ist der Stromrippel.
  
  
• Die wirksame Gesamtinduktivität Ltot des Motors und eventuell vorhandener Motordrosseln:
  Je höher die Induktivität Ltot, desto kleiner ist der Stromrippel.
  
  
• Die Last im Verhältnis zum Nennstrom Icont des Motors (siehe Katalogdatenblatt):
  Je kleiner die Last, desto mehr Stromrippel ist zulässig ohne den Motor zu überhitzen.

Lösung: Motordrosseln

Zusätzliche Drosseln (in Ergänzung zu der Induktivität der Motorwicklung) können den Stromrippel stark reduzieren. Solche Drosseln können bereits in die Leistungsendstufe der Steuerung integriert sein (wie bei maxon häufig üblich) oder können extern in Serie zu der Motorleitung verdrahtet werden.
Durch den Einsatz von Motordrosseln ergeben sich verschiedene Vorteile:

• Motordrosseln schützen den Motor vor Überhitzung durch übergrossen Stromrippel:
  Durch zusätzliche Motordrosseln wird der durch die PWM verursachte Stromrippel verkleinert und damit die zusätzliche Wärmeentwicklung im Motor reduziert.
  
  
• Motordrosseln können in Spezialfällen notwendig sein um die Stabilität des Stromreglers zu garantieren:
  Bei einzelnen Steuerung wird teilweise eine “minimal notwendige Anschlussinduktivität“ spezifiziert.
  
  
• Motordrosseln verhindern das ungewollte Ansprechen der Spitzenwert-Strombegrenzung, z.B. bei „DEC Module 24/2“ und „DEC Module 50/5“ mit niederinduktiven Motoren an hoher Versorgungsspannung.
  
  
• Externe Motordrosseln sind beim Betrieb von bürstenbehafteten DC Motoren mit CLL-Scheiben an Verstärkern ohne eingebaute Drosseln dringend empfohlen.
  
  

Berechnung des Stromrippel:

(Auszug aus maxon's "Formelsammlung")

Daumenregeln:

• maxon's 4-Q Steuerungen basieren auf einem 3-Level PWM Schema.Es kann deshalb die Formel
  Ipp = Vcc / (4 * Ltot * fpwm)
  zur Abschätzung des Stromrippels zugrunde gelegt werden, welche für 1-Q und 4Q (3-Level PWM) Steuerungen gilt.
  
  
• Die effektive Induktivität der Motorwicklungen beträgt bei PWM Frequenzen von 50 – 100 kHz lediglich 30‑80% des spezifizierten Werts im Motor-Datenblatt (bei welchem die Angabe auf einer Frequenz von 1 kHz basiert). Zu Berechnung der effektiven Induktivität sollte der spezifizierte Wert deshalb mit 0.3 multipliziert werden.
  
  
• In die Gesamtinduktivität Ltot muss ebenfalls die Induktivität der internen Drosseln der Steuerung einberechnet werden. Es sind jeweils nur zwei der internen Drosseln (Phase – Phase) gleichzeitig bestromt.
  
  
• Falls der Stromrippel Ipp kleiner ist als der 1.5-fache Motor-Nennstrom (gemäss Motordatenblatt) und die Motorlast ist tiefer als 90% des spezifizierten Motor-Nennmoments sind keine externen Motordrosseln erforderlich.
  
  

Beispiel:

• Motor: ECi-40, #449464
  Nennstrom: 2.8 A
  Anschlussinduktivität: 0.39 mH
  
  
• ESCON 50/5, #409510
  PWM Frequenz: 53.6 kHz
  Eingebaute Motordrosseln: 3 x 30 µH
  
  
• Versorgungsspannung:
  Vcc: 24 V
  
  
• Gesamtinduktivität:
  Ltot = (0.3 * 0.39 mH) + (2 * 0.03mH)
  Ltot = 0.177 mH
  
  
• Stromrippel:
  Ipp = Vcc / (4 * Ltot * fpwm)
  Ipp = 24V / (4 * 0.177mH * 53.6kHz)
  Ipp = 0.63 A
  
  
• Schlussfolgerung:
  Der Stromrippel (= 0.63A) ist deutlich kleiner als der spezifizierte Nennstrom des Motors (= 2.8A), d.h. es sind keine zusätzlichen Massnahmen (w.e externe Motordrosseln) für den Betrieb erforderlich.
  
  

Abschätzung der Notwendigkeit zusätzlicher Motordrosseln:

Anmerkung:

maxon Steuerungen nutzen hohe PWM Frequenzen (50 – 100 kHz), ein 3-Level PWM Schema und besitzen häufig integrierte Motordrosseln passend zu dem typischen Einsatzbereich an Motoren. In der Summe können hierdurch bei einem möglichen Verzicht auf externe Motordrosseln die Verdrahtungs- und Systemkosten reduziert werden.

Bei dem Einsatz von maxon Steuerungen werden in den meisten Fällen keine zusätzlichen Drosseln benötigt. Nichtsdestotrotz sollten die obigen Formeln zur Überprüfung bei einer zu starken Motorerwärmung oder bei dem Einsatz von Produktvarianten in „Module“ Ausführung (ohne integrierte Drosseln) herangezogen werden.

Weiterführende Informationen: Angehängte Dokumente!

Bitte beachten Sie die angehängten Dokumente, welche detailliertere Informationen und eine Übersicht der relevanten technischen Daten aller maxon Steuerungen und Verstärker beinhalten:

• DEUTSCH_MotorDrosselBerechnung_V1-00de.pdf
  Deutsches Dokument mit zusätzlichen und umfangreicheren Informationen zur Berechnung des Stromrippel basierend auf den technischen Daten der maxon Steuerungen.
  Identisch wie Inhalt wie die entsprechende englische Version.
  
  
• ENGLISH_MotorChokeCalculation_V1-00en.pdf
  Englisches Dokument mit zusätzlichen und umfangreicheren Informationen zur Berechnung des Stromrippel basierend auf den technischen Daten der maxon Steuerungen.
  Identischer Inhalt wie die entsprechende deutsche Version.
  
  
• ENGLISH_PWM-and-Motor-Heating_V1-00en.pdf
  Englisches Dokument mit vertieften Informationen zu dem Stromrippel und der Auswirkung betreffend Motorerwärmung.
  Dieses vertieft technische Dokument steht nur in Englisch zur Verfügung.

Querverweis:

• Video: "PWM Endstufen und Motorerwärmung"
• Support Center Dokument: "PWM, PWM-Typ (2-Punkt, 3-Punkt), Stromrippel, Motorerwärmung"