Thema:
- Was bedeutet PWM-Leistungsendstufe?
- Warum verursacht eine PWM-basierende Motorspannung einen Stromripple und kann sogar zu einer zusätzlichen Erwärmung der Motorwicklungen führen?
- Was ist der Unterschied zwischen einer 2-Punkt und 3-Punkt PWM?
Lösung:
1.) PWM-gesteuerte Motorspannung
Pulsweitenmodulierte (= PWM) Leistungsausgänge von Steuerungen zur Motorversorgung sind heutzutage Stand der Technik. Die Leistungsendstufe schaltet die Motorspannung in sehr schnellen Zyklen EIN und AUS bzw. die positive und negative Versorgungsspannung in jedem PWM-Zyklus für eine bestimmte Zeitspanne auf die Motorwicklung. Die PWM-Frequenz ist dabei typischerweise in einem Bereich zwischen 20 kHz und bis zu 100 kHz.
Die Motorspannung ergibt sich hierbei nicht (wie bei sogenannten Linearreglern, die früher teilweise im Einsatz waren) über den Spannungsabfall eines veränderlichen "elektronischen Widerstand" der Leistungsendstufe, sondern durch das permanente, schnelle Umschalten der Versorgungsspannung am Motor über die MOSFETs der sogenannten H-Brücke. Es ergibt sich hierduch eine durchschnittliche Motorspannung in jedem PWM-Zyklus, welche die Motordrehzahl bestimmt.
Die Verluste in der Leistungselektronik sind bei einer solchen PWM-basierenden Motoransteuerung sehr klein, weil jeder MOSFET wie ein Ein/Aus-Schalter funktioniert. Dies bedeutet, dass der MOSFET entweder abgeschaltet ist (d.h. es in diesem Zweig der H-Brücke keinen Stromfluss gibt) oder der MOSFET vollständig leitend ist (d.h. der Innenwiderstand nahe 0 Ohm ist und somit kein Spannungsabfall und keine Verlustleistung auftritt).
Der prinzipielle Vorteil von PWM-basierenden Leistungsendstufen ist der sehr hohe Wirkungsgrad (von bis zu 98% und mehr) sowie die sehr kompakten Abmessungen, ohne dass es selbst bei hohen Strömen zu einer starken Erwärmung der Elektronik kommt.
Im Motor erzeugen PWM-gesteuerte Spannungen jedoch einen Stromrippel der Stromwärmeverluste in der Wicklung und Wirbelstromverluste im Eisenkern verursacht. In der Folge kann sich der Motor zusätzlich erwärmen. Eine solche deutliche Erwärmung kann im Falle einer 2-Punkt PWM sogar im Stillstand ohne Drehmomentabgabe des Motors der Fall sein (wie später noch erklärt wird).
2.) PWM & Stromrippel
2.1.) PWM führt zum Stromrippel
Das Vorzeichen der Spannung, die an die Motorwicklung angelegt wird, wechselt innerhalb jedem PWM-Zyklus, d.h. typisch alle 50 ... 10 Mikrosekunden (entsprechend der verwendeten PWM-Frequenz von 20 kHz bis 100 kHz). Die hierbei erzeugte mittlere Motorspannung innerhalb jedes PWM-Zyklus hängt dabei von dem zeitlichen Verhältnis der Phasen mit positiver und negativer Versorgungsspannung ab. Das Verhältnis wird als "PWM Duty Cycle" (= PWM Tastverhältnis) bezeichnet. Die resultierende mittlere Motorspannung aufgrund des "PWM Duty Cycle" bestimmt die Motordrehzahl.
Die permanente Umschaltung zwischen den beiden Spannungsleveln (d.h. das Umschalten des Vorzeichens der Motorspannung innerhalb jeden PWM Zyklus) verursacht einen Stromrippel.
Die maximale Grösse des Peak-to-Peak Stromrippels hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab ...
-
Versorgungsspannung
Je grösser die Versorgungsspannung umso höher der Stromrippel. -
Gesamtinduktivität der Motorwicklung und evtl.vorhandener externer Drosseln
Umso höher die Induktivität umso niedriger der Stromrippel. -
PWM Frequenz
Umso höher die PWM-Frequenz um so tiefer der Stromrippel.
Der Motor-Stromrippel ...
- ... verursacht einen Stromfluss in den Motorwicklungen, der jedoch nicht zu einem Drehmoment an der Motorwelle führt, aber die Motorwicklungen zusätzlich erwärmt.
Bitte beachten Sie den folgenden verlinkten Artikel um mehr über die Motorerwärmung zu erfahren:
Die Erwärmung von Motoren (in Handgeräten)
- ... kann durch den Einsatz von externen Motordrosseln reduziert werden.
Bitte beachten Sie den folgenden Artikel zur Berechnung des Stromrippels und Auslegung von zusätzlichen Motordrosseln:
PWM Leistungsendstufen: Stromrippel & Motor-Drossel
2.2.) Massnahmen um den Stromripple zu reduzieren
-
Reduktion der Versorgungsspannung der Leistungsendstufe
soweit die von der Anwendung geforderte Drehzahl zuverläsig erreicht werden kann.
Weitere Informationen zur Auslegung der Versorgungsspannung unter dem Aspekt der Motordrehzahl finden sich in dem folgenden verlinkten Artikel:
Welche Versorgungsspannung ist bei einer Steuerung erforderlich?
-
Erhöhung der Gesamtinduktivität,
z.B. durch externe Motordrosseln oder Einsatz einer Steuerung mit integriertem Motordrosseln (wie bei allen maxon ESCON und EPOS4 in der Compact- oder Gehäuse-Ausführung vorhanden).
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Wahl einer modernen Steuerung mit einer hohen PWM Taktfrequenz.
Für maxon Motoren wird eine PWM-Taktfrequenz von mindestens 50 kHz empfohlen.
Die ESCON- und EPOS4-Steuerungen besitzen alle eine PWM-Taktfrequenz zwischen 50 ... 100 kHz.
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Wahl einer modernen Steuerung mit dem "3-Punkt PWM" Verfahren.
maxon's ESCON- und EPOS4-Steuerungen nutzen das "3-Punkt PWM" Verfahren.
Lediglich die "ESCON EC-S" (mit der sensorlosen Regelung & Kommutierung) ist eine Ausnahme und verwendet das 2-Punkt PWM Verfahren.
3.) PWM-Verfahren
Es gibt im wesentlichen zwei verschiedene Arten von PWM-Verfahren. Diese werden "2-Punkt PWM" (oder 2-Level) und "3-Punkt PWM" (oder 3-Level) genannt.
Es gibt bei maxon nur noch wenige Steuerungen, die das einfachere "2-Punkt PWM" Verfahren einsetzen. Dieses Steuerungen (z.B. "DEC 70/10", ADS, MIP) sind meist im Zustand "NRND" (d.h. nicht mehr für Neuentwicklungen empfohlen) oder auch bereits nicht mehr erhältlich.
Das moderne, komplexere "3-Punkt PWM" Verfahren wird (fast) von allen aktuellen maxon Steuerungsbaureihen verwendet (z.B. ESCON, EPOS2, EPOS4, MAXPOS, ...). Lediglich die "ESCON EC-S" stellt innerhalb der ESCON-Baureihe eine Ausnahme dar und verwendet aufgrund der notwendigen Back-EMF Detektion für die sensorlose Kommutierung eine "2-Punkt PWM".
3.1.) 2-Punkt (oder 2-Level) PWM
Bei dem "2-Punkt PWM" Verfahren (auch als "konventional bipolar PWM" bezeichnet) wird die Motorspannung nur zwischen der positiven und negativen Versorgungsspannung der Endstufe umgeschaltet, d.h. zwischen zwei Spannungen.
Technische Aspekte:
Wenn der Motor im Stillstand ist und kein Drehmoment abgeben muss, ist der PWM Duty Cycle bei 50%, d.h. die Motorspannung wird in jedem Zyklus zeitlich gleich verteilt zwischen der positiven und negativen Versorgungsspannung der Leistungsendstufe umgeschaltet. Die mittlere Motorspannung ist in diesem Fall 0V. Trotzdem wird ein interner Stromfluss (= Stromrippel) durch den Auf-/Abbau der Spannung in den Motorwicklungen während jedem PWM Zyklus erzeugt. Dieser Stromrippel erwärmt den Motor (auch ohne Abgabe eines Drehmoments an der Motorwelle).
Vorteile des "2-Punkt PWM":
- Die Auslegung und Ansteuerung der elektrischen Schaltkreise ist einfacher.
- Die dynamischen Eigenschaften einer "2-Punkt PWM" sind theoretisch besser als bei einer "3-Punkt PWM". Dies ist allerdings ein marginaler theoretischer Aspekt, der in der Praxis wenig Relevanz besitzt.
Nachteile des "2-Punkt PWM":
- Der maximale Stromrippel eines "2-Punkt PWM" ist doppelt so hoch wie der maximale Stromrippel einer "3-Punkt PWM".
- Der grösste Stromrippel tritt im Stillstand auf. Ein Umstand der viele Anwender zuerst irritiert, weil der Motor sich im Stillstand ohne Drehmomentabgabe bereits deutlich erwärmen kann.
Berechnung des maximalen Stromrippels einer "2-Punkt PWM":
3.2.) 3-Punkt (oder 3-Level) PWM
Bei einer "3-Punkt PWM" gibt es als Unterschied zur "2-Punkt PWM" einen weiteren (= "dritten") Zustand mit einem PWM Niveauu von tatsächlich 0V. Dies ist der Fall, wenn der Motor im Stillstand ist und kein Drehmoment erzeugen muss (also identisch zu dem Betriebspunkt, bei welchem die "2-Punkt PWM" die Motorspannung permanent mit einem PWM Duty Cycle von 50% umschaltet).
Technische Aspekte:
Beim Motorstillstand ohne Drehmomentabgabe ist keine PWM-Umschaltung mehr vorhanden und die PWM-Motorspannung ist permanent 0V (entsprechend einem abgeschalteten PWM-Signal). Dies führt auch dazu, dass kein Stromrippel in diesem Zustand mehr vorhanden ist.
Vorteile der "3-Punkt PWM":
- Die Amplitude des Stromrippel ist sehr klein, wenn die EMK in der Nähe von 0 ist (d.h. der Motor stillsteht). Dies bedeutet, dass in diesem Zustand auch keine Motorerwärmung auftritt.
- Der maximale Stromrippel ist bei der "3-Punkt PWM" nur halb so gross wie bei einer "2-Punkt PWM".
Berechnung des Stromrippels einer "3-Punkt PWM":
3.3.) Vergleich der "2-Punkt" und "3-Punkt" PWM
-
"2-Punkt PWM":
Grösster Stromrippel im Stillstand. -
"3-Punkt PWM":
Grösster Stromrippel bei einer Motorspannung Umot die 50% der Versorgungsspannung Vcc der Leistungsendstufe entspricht.
Querverweise:
- Video "PWM Endstufen und Motorerwärmung"
- Support Center Dokument: "PWM Leistungsendstufen: Stromrippel & Motor-Drossel"
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