Motorsteuerung: Eingangsstrom, Motorstrom, Leistungswandler

Thema:

Es taucht immer wieder die Diskussion auf, warum der Motorstrom welcher von der Motorsteuerung zurückgemeldet wird stark von dem Strom abweicht welche von der Stromversorgung anzeigt wird. Dies scheint für viele Anwender insbesondere überraschend weil der Motorstrom häufig deutlich grösser ist als der Eingangsstrom der Steuerung.
Wie kommt es zu dieser Abweichung und welcher Stromwert ist korrekt?

Lösung:

Die Leistungsendstufe einer Motorsteuerung ist ein Leistungswandler oder Art elektronischer Transformator. Es muss deshalb die Eingangsleistung (= "Versorgungsspannung" x "Eingangsstrom") welche durch die Stromversorgung zur Verfügung gestellt wird mit der Ausgangsleistung (= "Motorspannung" x "Motorstrom") verglichen werden, welche an den Motor durch die Leistungsendstufe der Motorsteuerung abgegeben wird. Der reine Vergleich der Werte vom "Eingangsstrom" und dem "Motorstrom" ist irreführend und besitzt keine Aussagekraft.

Die Leistungsendstufe von modernen Motorsteuerungen (wie maxon’s ESCON, EPOS oder MAXPOS) basieren auf einer sogenannten PWM (= Pulsweitenmodulation) gesteuerten Motorspannung. Dabei wird die Motorspannung mit hoher Frequenz (typ. 50-100 kHz) durch die Steuerungslogik aus- und eingeschaltet. Das Einschaltverhältnis (= sogenannter "PWM Duty Cycle") innerhalb jedes Schalt-Zyklus (bei 100 KHz = 0.01 ms Dauer) bestimmt die effektiv anliegende Motorspannung. Die Motorspannung kann zwischen 0V bis fast zur angelegten Versorgungsspannung in beiden Richtungen variieren. Diese Motorspannung (bzw. der PWM Duty Cycle) wird durch die Motorsteuerung in jedem Stromregler-Zyklus (von typ. 0.1 - 0.01 ms) jeweils auf den aktuellen Arbeitspunkt (d.h. Drehzahl und Drehmoment) des Motors abgestimmt bzw. ausgeregelt. Basierend auf der Leistungsgleichung bedeutet dies, dass der Motorstrom typischerweise deutlich höher sein wird als der Eingangsstrom (= Ausgangsstrom der Stromversorgung), da die PWM-modulierte, permanent angepasste Motorspannung tiefer ist als die fixe Versorgungsspannung (aus einer Batterie oder einem Netzteil).

Die Leistungsgleichung:

System-Diagramm:

Messung der Motorleistung bei der EPOS4 oder dem IDX:

In dem folgenden verlinkten Dokument des Support Centers finden Sie einige Informationen, wie auf alle relevanten Daten (Versorgungsspannung, Motorstrom, PWM-Tastverhältnis) über die EPOS4 bzw. IDX Objekte zugegriffen werden kann und wie die elektrische Leistung des Motors basierend auf diesen Daten berechnet werden kann:
-> EPOS4 / IDX: Berechnung der elektrischen Motorleistung

Zusammenfassung:

• Der Eingangsstrom der Motorsteuerung (= Ausgangsstrom des Netzteil oder der Batterie) entspricht NICHT(!!) dem Motorstrom.
  • Der von der Stromversorgung angezeigte Eingangstrom der Motorsteuerung ist korrekt.
  • Der von der Motorsteuerung gemessene Motorstrom ist korrekt.
  • Die beiden Stromwerte können jedoch nicht direkt verglichen werden,
    da die Versorgungsspannung und die Motorspannung unterschiedlich sind!
    
    
• Entscheidend ist die Leistungsgleichung: PEl.Motor = PEingang - PElektronik
  • Die Motorspannung ist immer tiefer als die Versorgungsspannung.
  • Die Motorspannung variiert permanent sehr schnell
    und hängt von der Motordrehzahl und Gegen-EMK (durch den Motorstrom) ab.
  • Der Motorstrom ist typischerweise deutlich höher als der Strom aus dem versorgenden Netzteil oder der Batterie.

Ergänzende Informationen:

• Bitte beachten Sie das angehängte PDF, welche die obigen Informationen in druckbarer Form enthält.

Querverweise:

• Leistungswandlung in PWM-Endstufe
• Motorstrom-Messung bei PWM Leistungsendstufen
• Welche Stromaufnahme hat eine Motorsteuerung?
• EPOS / IDX: Auslesen des Motorstroms
• EPOS4 / IDX: Berechnung der elektrischen Motorleistung
• ESCON: Auslesen des Motorstroms