DC-Motorsteuerung: PWM, Treiber und Encoder erklärt

Einführung

Die Steuerung des Gleichstrommotors scheint einfach zu sein: Variieren Sie die Spannung, variieren Sie die Geschwindigkeit. Echte Systeme müssen jedoch mit Einschaltstrom, Gegen-EMF, thermischen Grenzwerten und Positionsgenauigkeit umgehen. Diese Anleitung führt Sie durch jede Ebene des Control Stacks.

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Das DC-Motormodell

Ein gebürsteter Gleichstrommotor kann als Spannungsquelle (Gegen-EMK) in Reihe mit einem Widerstand (Ankerwiderstand) und einem Induktor (Ankerinduktivität) modelliert werden:

„MATHBLOCK_0“

wobei „MATHINLINE_7“ (Gegen-EMF proportional zur Geschwindigkeit) und Drehmoment „MATHINLINE_8“.

Im stationären Zustand: „MATHBLOCK_1“

Verwenden Sie den [DC-Motordrehzahlrechner] (/calculators/motor/dc-motor-speed), um diese Beziehung interaktiv zu untersuchen.

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PWM-Grundlagen

PWM (Pulsweitenmodulation) steuert die Motorspannung durch schnelles Ein- und Ausschalten der Stromversorgung:

„MATHBLOCK_2“

wobei „MATHINLINE_9“ für den Arbeitszyklus steht (0— 100%). Bei 75% Einschaltdauer und 12-V-Versorgung ist „MATHINLINE_10“ = 9 V.

Die Wahl der PWM-Frequenz beinhaltet Kompromisse:

Faustregel: Verwenden Sie 20—25 kHz für die meisten Anwendungen mit bürstenbehafteten Gleichstrommotoren. Dies liegt über dem hörbaren Bereich und sorgt für überschaubare Schaltverluste.

Verwenden Sie den [PWM-Arbeitszyklusrechner] (/calculators/motor/pwm-duty-cycle-motor), um die effektive Spannung zu berechnen und den Stillstandsstrom abzuschätzen.

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# H-Bridge-Treiber

Um einen Motor bidirektional anzutreiben, benötigen Sie eine H-Brücke: vier Schalter, die so angeordnet sind, dass Sie Spannung in beide Richtungen anlegen können.

Diskret oder integriert

Integrierte Treiber (DRV8833, TB6612, L298N) sind am einfachsten. Sie sorgen intern für Totzeiten, thermische Abschaltung und Überstromschutz. Diskrete MOSFETs bieten einen höheren Wirkungsgrad und ermöglichen die Ansteuerung höherer Ströme, erfordern jedoch Gate-Treiber, Bootstrap-Schaltungen und ein sorgfältiges Layout.

MOSFET-Auswahl

Die kritischen Spezifikationen für H-Brücken-MOSFETs:

1. V_DS — muss die Versorgungsspannung mit der Marge „MATHINLINE_11“ überschreiten 2. I_D — muss den Spitzenstrom (Einschaltstrom) überschreiten: „MATHINLINE_12“ 3. R_ {DS (on)} — niedriger ist besser (weniger Leitungsverlust) 4. Q_g — Gate-Ladung, bestimmt Schaltgeschwindigkeit und -verlust

Leitungsverlust pro MOSFET: „MATHINLINE_13“

Verwenden Sie den [H-Brückenauswahlrechner] (/calculators/motor/h-bridge-selection), um den Spitzenstrom und die minimalen MOSFET-Nennwerte zu berechnen, und den [Motor Driver Power Calculator] (/calculators/motor/motor-driver-power), um die Gesamtverluste abzuschätzen.

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Einschalt- und Anlaufstrom

Beim Start ist der Motor stationär (ω = 0), also Back-EMF = 0. Der Anfangsstrom ist:

„MATHBLOCK_3“

Bei einem Motor mit „MATHINLINE_14“ = 0,5 Ω bei 12 V beträgt der Einschaltstrom 24 A — auch wenn der Nennstrom nur 2 A beträgt. Dies ist ein 12-facher Einschaltmultiplikator.

Strategien zur Schadensbegrenzung:

• Erhöhen Sie den PWM-Arbeitszyklus (Sanftanlauf)
• Verwenden Sie einen Strombegrenzungsregler (DRV8434 verfügt über eine integrierte Stromunterbrechung)
• Passen Sie die Größe der H-Brücke für den Einschaltstrom an, nicht für den Nennstrom

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Encoder für den Regelkreis

Die PWM-Geschwindigkeitssteuerung mit offenem Regelkreis reicht für Lüfter und Pumpen aus. Für eine Positionssteuerung oder eine präzise Geschwindigkeitsregelung benötigen Sie eine Rückmeldung von einem Encoder.

Arten von Encodern

• Optisch inkremental (AB-Quadratur): Zählt die Impulse, wenn sich die Welle dreht. Am häufigsten: 100—10.000 PPR.
• Magnetisch (Hall-Effekt) : Robust gegen Verschmutzung. Wird in Industriemotoren verwendet.
• Absolut: Gibt die absolute Position aus; keine Zielsuche erforderlich.

Quadratur-Dekodierung

Zwei Kanäle A und B, 90° phasenverschoben. Indem alle ansteigenden und fallenden Flanken beider Kanäle erkannt werden, erhalten Sie eine 4-fache Auflösung:

„MATHBLOCK_4“

Ein 1000-PPR-Encoder liefert 4000 Zählungen pro Umdrehung = 0,09° Auflösung.

Verwenden Sie den [Encoder Resolution Calculator] (/calculators/motor/encoder-resolution), um die CPR, die Winkelauflösung und die maximale Impulsfrequenz für Ihren Zähler zu berechnen.

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PID-Geschwindigkeitsregelung

Sobald Sie eine Rückmeldung vom Encoder erhalten haben, können Sie den Regelkreis mit einem PID-Regler schließen:

„MATHBLOCK_5“

wo „MATHINLINE_15“.

Ziegler-Nichols Tuning

Ein praktischer Ausgangspunkt mit der Open-Loop-Step-Antwort:

1. Wenden Sie eine Schritteingabe an und messen Sie die Prozessverstärkung „MATHINLINE_16“, die Totzeit „MATHINLINE_17“ und die Zeitkonstante „MATHINLINE_18“ 2. Wenden Sie die Ziegler-Nichols-Formeln an: - „MATHINLINE_19“ - „MATHINLINE_20“ - „MATHINLINE_21“

Verwenden Sie den [PID-Tuning-Rechner] (/calculators/motor/pid-tuning), um die Verstärkungen aus Ihrer gemessenen Sprungantwort zu berechnen.

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Wärmemanagement

Motoren erzeugen Wärme in den Wicklungen („MATHINLINE_22“) und im Treiber („MATHINLINE_23“). Eine anhaltende Überlastung führt zu einer thermischen Leistungsreduzierung und schließlich zum Ausfall.

Betriebstemperatur berechnen: „MATHBLOCK_6“

Der Wicklungswiderstand von Kupfer steigt mit der Temperatur (TCR ≈ 0,39% /°C), sodass der Hitzewiderstand zunimmt und das Drehmoment sinkt — überprüfen Sie die Kurve für die thermische Leistungsreduzierung Ihres Motors.

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Zusammenfassung

1. Modellieren Sie den Motor: Verwenden Sie „MATHINLINE_24“, um Geschwindigkeit und Strom vorherzusagen 2. Wählen Sie den Treiber: Größe für den Einschaltstrom (5—10× Nennstrom), nicht nur für den Nennstrom 3. Wählen Sie die PWM-Frequenz: 20—25 kHz für Stille und Effizienz 4. Feedback hinzufügen: Der Quadratur-Encoder bietet eine 4-fache Auflösung 5. PID tune: Beginne mit Ziegler-Nichols und verfeinere es empirisch 6. Temperatur prüfen: Motor- und Treibertemperatur bei maximaler Last