ESCON: PWM Eingangsfrequenz <-> PWM Ausgangsfrequenz?

Thema:

• Was ist die Bedeutung der ESCON PWM Eingangsfrequenz?
• Gibt es eine Abhängigkeit zwischen der PWM Eingangsfrequenz (des Sollwerts) und der PWM Ausgangsfrequenz (der Endstufe)?

Lösung:

Es gibt keine(!) Abhängigkeit zwischen der PWM Eingangsfrequenz und der PWM Ausgangsfrequenz der ESCON. Beide Grössen sind auch separat spezifiziert.

• Mittels eines PWM Eingangssignal kann ein Sollwert für die Drehzahl- oder Stromregelung der ESCON vorgegeben werden.
  Ein PWM Eingangssignal zur Sollwertvorgabe wird häufig verwendet falls die Ansteuerung der ESCON von einem Microcontroller aus erfolgt, der zwar keinen analogen Ausgang jedoch fast immer einen PWM Ausgang besitzt. 
  
  
• Der PWM Ausgang liefert eine pulsweiten modulierte Spannung mit fixer hoher Frequenz (53.6 kHz) von der Leistungsendstufe an den Motor. Diese Motorspannung bestimmt letztendlich die Drehzahl und auch den Strom des Motors.

Technische Aspekte:

I.) PWM Sollwert-Eingang

• Das am Digital-Eingang 1 der ESCON angelegte PWM Signal muss die folgenden Anforderungen erfüllen (siehe Kapitel "Digitaler Eingang 1" der ESCON "Geräte-Referenz"):
  
  
  
• Einschränkung 1: 10 Hz ... 5 kHz
  • Falls die PWM-Signalfrequenz am Digital-Eingang 1 höher als 5 kHz ist wird die Messung des PWM Duty Cycle zunehmend ungenau und fehlerhaft. Es sollte deshalb darauf geachtet werden, dass die Signalfrequenz 5 kHz nicht überschreitet.
  • Falls die PWM Signalfrequenz zu tief ist kann die maximale Messdauer überschritten und der erfasste PWM Duty Cycle ebenfalls fehlerhaft sein.
  • Im Falle einer falschen oder ungenauen PWM Duty Cycle Messung wird der Sollwert falsch erfasst und auf eine falsche Motordrehzahl oder Motorstrom geregelt. 
    
    
• Auswirkung der PWM Eingangsfrequenz?
  Bitte beachten Sie, dass die PWM Eingangsfrequenz einen Einfluss hat wie schnell neue Sollwerte ausgewertet werden können. Dies ist dadurch bedingt, dass immer eine Periodendauer gemessen werden muss bevor der PWM Duty Cycle bestimmt werden kann. Hohe Frequenzen besitzen eine kürzere Periodendauer und führen zu einem dynamischeren Folgen des Sollwerts.
  • Im Falle der minimalen PWM Eingangsfrequenz vom 10 Hz benötigt jede Messung 100 ms bevor der neue Sollwert bestimmt und auf diesen geregelt werden kann.
  • Im Falle der maximalen PWM Eingangsfrequenz von 5 kHz benötigt jede Messung 0.2 ms bevor der neue Sollwert bestimmt und auf diesen geregelt werden kann.
  • Als gute Kompromisslösung zwischen schneller Reaktion und präziser Sollwerterfassung hat sich in der Praxis eine PWM Frequenz von 1 kHz bewährt. Bei einer PWM Signalfrequenz von 1 kHz ergibt sich eine Verarbeitungszeit von 1 ms.
    
    
• Einschränkung 2: Duty cycle Bereich 10% ... 90%
  • Das PWM Signal muss einen Duty Cycle im Bereich von 10% bis 90% besitzen um eindeutig bestimmen zu können, dass es sich um ein PWM Signal und keine unzulässige fixe Signalspannung handelt.
  • Falls der gemessene PWM Duty Cycle kleiner als 10% oder grösser als 90% ist, ...
    • ... wird die virtuelle LED "PWM Eingabebegrenzung" der ESCON Studio "Kontroller-Überwachung" aktiviert.
    • ... wird die Drehzahl unter 10% nicht weiter reduziert und über 90% nicht weiter erhöht. Die Drehzahlkurve in Abhängigkeit vom PWM Duty Cycle Bereich sieht wie folgt aus:
      
      
      
• Auflösung der PWM Duty Cycle Messung?
  • Das PWM Eingangssignal wird mit einer Auflösung von 0.1% ausgewertet, d.h. mit 800 Schritten Auflösung über den zulässigen Bereich von 10% bis 90%.
    Beispiel 1: 10% = -5000 U/Min,  90% = 5000 U/Min
    => Drehzahlauflösung des Sollwerts: 12.5 U/Min
    Beispiel 2: 10% = 0 U/Min,  90% = 5000 U/Min
    => Drehzahlauflösung des Sollwerts: 6.25 U/Min
    Beispiel 3: 10% = -2000 U/Min,  90% = 6000 U/Min
    => Drehzahlauflösung des Sollwerts: 10 U/Min
    
    
• Fehlermeldung im Falle einer zu tiefen PWM-Frequenz oder viel zu tiefem / hohem PWM Duty Cycle
  • Die Fehler "PWM-Sollwert ausserhalb Bereich" wird nur ausgelöst falls die PWM-Eingangsfrequenz kleiner als 5 Hz wird. Dies ist ebenfalls bei 0% oder 100% Duty Cycle der Fall, da diese Werte einer konstanten Spannung von 0V oder einem permanenten High-Signal entsprechen, d.h. ebenfalls keine PWM-Frequenz mehr vorhanden ist. 
    
    
•  Voraussetzungen für den perfekten Betrieb
  • Bitte stellen Sie sicher, dass ein PWM-Eingangssignal mit zulässiger PWM Frequenz und Duty Cycle anliegt bevor das "Enable"-Signal gegeben wird. Andernfalls wird der Motor evtl. mit einer anderen Drehzahl als erwartet betrieben oder es kann auch sofort eine Fehlermeldung auftreten.

II.) PWM Ausgang der Leistungsendstufe

• Der PWM Spannungsausgang der Leistungsendstufe besitzt eine fixe Frequenz von 53.6 kHz.
  Diese ist ebenfalls im Datenblatt und der ESCON "Geräte-Referenz" spezifiziert:
  

III.) ESCON's Abtastfrequenzen der Regler

• Die fixen Abtastfrequenzen der ESCON Regelkreise sind ebenfalls in der "Geräte-Referenz" spezifiziert:
  
  
  • Die Abtastfrequenz des Stromreglers spezifiziert wie schnell (bzw. wie oft) die Berechnung der Stromregelung ausgeführt und der Motorstrom entsprechend angepasst wird. Die fixe Stromregler-Frequenz von 53.6 kHz bedeutet, dass die Berechnungen im 0.0186 ms Takt ausgeführt werden.  
  • Die Abtastfrequenz des Drehzahlreglers spezifiziert wie schnell (bzw. wie oft) die Berechnung der Drehzahlregelung ausgeführt und die Motordrehzahl entsprechend angepasst wird. Die fixe Drehzahlregler-Frequenz von 5.36 kHz bedeutet, dass die Berechnungen im 0.186 ms Takt ausgeführt werden.  
  • Die Regler-Frequenzen sind fix und haben keine Abhängigkeit oder Zusammenhang mit der Frequenz eines PWM Sollwert-Signals.