voor en nadelen van PWM

Stel je hebt een spanningsbron van 12 volt en je hebt een motor die je daarmee voedt. Met pwm kun je het gemiddelde vermogen omlaag brengen en dus de motor regelen. Als je de spanning wilt regelen ben je eigenlijk een weerstand in serie aan het zetten waardoor het rendement omlaag gaat. Ook is een motor niet echt linear. Bovendien heb je een bepaalde spanning waar onder de motor niet op gang wil. Je kunt natuurlijk met een geschakelde voeding de spanning omlaag brengen, maar dan kun je net zo goed pwm gebruiken.
Voordelen zijn:
-makkelijk te maken
-zowel analoog als digitaal(555 of een µc)
-goedkoop te maken
-hoog rendement
nadelen:
-mogelijke storing(harmonischen)
-stelt eisen aan schakelsnelheid van halfgeleiders

edit:
@benleentje: je hebt gelijk dat spanningsregeling vaak makkelijker is, maar als iets digitaal wilt aansturen moet je een DAC gebruiken en met goedkoop bedoel ik dat je minder dikke halfgeleiders kunt gebruiken.

[Bericht gewijzigd door critiacrof op vrijdag 28 november 2008 19:20:24 (13%)]

Met PWM blijft je koppel van je motor hoog omdat de spanning gewoon de normale spanning blijft. Alleen nu is de aan tijd van de spanning pulsvormig.

Als je een lager spanning op de motor zet wordt zijn koppel ook slechter.

Dus als een hoog aanloop koppel belangrijk is moet je PWM gebruiken anders kan je ook net zo goed spanning regelen.

Ben het het met mijn voorganger niet eens over makkelijk of goedkoop te maken.
Spanningsregeling is nog net even iets makkelijker en goedkoper als het om kleine motoren gaat.

spanningsregelaar IC's heb je tot ca 3A. Alles wat daar boven komt moet je haast wel met PWM doen. Dit omdat er fets te vinden zijn tot meer dan 250A. Al worden de uitdagingen bij de steeds groter wordende stromen steeds moeilijker.

Let er bij motoren ook op dat ze bij inschakelen tot 10x de normale stroom kunnen vragen. Bij blokkeren is de stroom ook veel groter. Zo trekt een motor uit een accutol moeiteloos 20A. Dus dat moet dan wel met PWM.

EDIT
@critiacrof Vandaar dat ik er ook bij schreef dat het enkel voor kleine motoren opgaat dan is het eenvoudiger zonder PWM.

ok, dat is alles wat ik wilde weten, dankje!

Ook zijn er veel motoren die nominaal 12V nodig hebben, en dan pas bij 6V beginnen met draaien. Maar dan draaien ze ineens behoorlijk. Laat je de spanning dan langzaam zakken, blijven ze mischien wel draaien tot 4 of zelfs 3V.

Bij PWM gaan ze dan bij 33% gewoon al draaien....

(Model trein fanaten roepen: Het kruipt zo mooi).

dus door PWM te gebruiken, kun je een motor op een veel lagere spanning laten starten?

Op 28 november 2008 16:44:49 schreef critiacrof:
[...]
Ook is een motor niet echt linear.

Dat is niet waar. Spanningsregeling is niet het in serie schakelen met een weerstand. Immers de spanning veranderd ook bij veranderende belasting. Op een enkel bedrijfspunt zou je het zo kunnen stellen, maar als dat punt veranderd, veranderd de weerstand ook.

Op 28 november 2008 17:03:04 schreef benleentje:
Met PWM blijft je koppel van je motor hoog omdat de spanning gewoon de normale spanning blijft. Alleen nu is de aan tijd van de spanning pulsvormig.

Als je een lager spanning op de motor zet wordt zijn koppel ook slechter.

Dus als een hoog aanloop koppel belangrijk is moet je PWM gebruiken anders kan je ook net zo goed spanning regelen.

Ook niet waar. Relatie van het koppel van een (DC geborstelde) motor (en daar hebben we het over) is linear met de stroom. Toerental met voltage.

Ben het het met mijn voorganger niet eens over makkelijk of goedkoop te maken.
Spanningsregeling is nog net even iets makkelijker en goedkoper als het om kleine motoren gaat.

spanningsregelaar IC's heb je tot ca 3A. Alles wat daar boven komt moet je haast wel met PWM doen. Dit omdat er fets te vinden zijn tot meer dan 250A. Al worden de uitdagingen bij de steeds groter wordende stromen steeds moeilijker.

Let er bij motoren ook op dat ze bij inschakelen tot 10x de normale stroom kunnen vragen. Bij blokkeren is de stroom ook veel groter. Zo trekt een motor uit een accutol moeiteloos 20A. Dus dat moet dan wel met PWM.

EDIT
@critiacrof Vandaar dat ik er ook bij schreef dat het enkel voor kleine motoren opgaat dan is het eenvoudiger zonder PWM.

Wat je hier zegt is allemaal relatief. Bij PWM heb je in principe enkel schakelverliezen en de verliezen van de Rds(on) in je vermogensfets, dit is vaak veel lager en daardoor makkelijker (goedkoper) te koelen dan een lineare trap. Zeker als de voedingsspanning een flink eind naar beneden moet (P = UI), heb je veel vermogen te verstoken, en zelfs bij de kleine motortjes is dat al irritant (stel 100mA bij 12V). Daar zou PWM al een goedkopere oplossing kunnen zijn.

Wat ik als eigenschappen van PWM zie:
+ Digitaal goed te sturen
+ Efficient concept
- Veel ruis/rotzooi

Voor de rest maakt het weinig uit met lineair sturen met CV of CC.

Op 28 november 2008 22:54:50 schreef electro_freakz:
dus door PWM te gebruiken, kun je een motor op een veel lagere spanning laten starten?

Hou er rekening mee dat een PWM puls/pauze-verhouding van 50/50 niet hezelfde is als het verlagen van de voedingsspanning naar 50%! In het eerste geval krijgt de motor het halve vermogen en in het tweede geval krijgt hij maar 1/4.
Dit in de veronderstelling dat de "weerstand" van de motor gelijk zou blijven, wat uiteraard niet zo is. Bij een zuivere ohmse weerstand klopt het wèl.

Op 29 november 2008 00:08:40 schreef elmowww:
[...]Wat ik als eigenschappen van PWM zie:
+ Digitaal goed te sturen
+ Efficient concept
- Veel ruis/rotzooi

Voor de rest maakt het weinig uit met lineair sturen met CV of CC.

+ geen of minder last van statische frictie

Op 29 november 2008 00:08:40 schreef elmowww:
[...]
Dat is niet waar. Spanningsregeling is niet het in serie schakelen met een weerstand. Immers de spanning veranderd ook bij veranderende belasting. Op een enkel bedrijfspunt zou je het zo kunnen stellen, maar als dat punt veranderd, veranderd de weerstand ook.

Toch is het waar. Een transistor die halfopen is gestuurd heeft nu eenmaal een spanningsval en er loopt een stroom door. Dat gedraagt zich daarom ook als een weerstand. Daarom is er ook verlies.
Bovendien bedoelde ik met niet-lineair het hysteresis gedrag.

Op 29 november 2008 00:08:40 schreef elmowww:
Wat ik als eigenschappen van PWM zie:
+ Digitaal goed te sturen
+ Efficient concept
- Veel ruis/rotzooi

Voor de rest maakt het weinig uit met lineair sturen met CV of CC.

Wat dacht je van het vermogensverlies? (misschien bedoel je dat met effcient?) Dat is voor veel toepassingen al de bepalende factor, zowel qua rendenment (verlies kost geld) als qua haalbaarheid (waar laat je anders al die warmte).

Ik lees hier naast een klein beetje zin erg veel onzin.

Een PWM gestuurde motor gedraagt zich precies hetzelfde als een lineair gestuurde motor. De gemiddelde spanning over de motor bij PWM is evenredig met de duty-cycle. Dus 50% duty-cycle resulteerd in een gemiddelde spanning van 50% van de voedingsspanning over de motor. Het is onzin om te stellen dat de duty-cycle het vermogen regelt: De belasting (koppel) van de motor bepaald de stroom en samen met de gemiddelde spanning het vermogen.
Een motor loopt ook niet eerder aan vergeleken met een lineare regeling.

De in dit topic genoemde misstanden worden veroorzaakt doordat veel PWM regelaars op een te lage frequentie werken. De frequentie moet hoog genoeg zijn dat de regeling in "continues current mode" werkt. Dat wil dus zeggen dat de stroom door de motor nooit nul mag worden.
De stroom tijdens de "off-tijd" van een periode moet blijven lopen via de vrijloop diode(s). Gebeurt dat niet, doordat de frequentie te laag is, dan wordt het regelgedrag erg slecht.

Op 29 november 2008 15:11:14 schreef Freddy:
De gemiddelde spanning over de motor bij PWM is evenredig met de duty-cycle. Dus 50% duty-cycle resulteerd in een gemiddelde spanning van 50% van de voedingsspanning over de motor.

Helemaal juist. Maar de effectieve spanning is heel wat hoger. En het is de effectieve spanning die bepalend is voor het vermogen!

Wat heeft de effectieve spanning te maken met motoren? De effectieve spanning is alleen van toepassing op het vermogen ontwikkeld in een ohmse belasting. En zover ik weet is een motor alles behalve een ohmse belasting.

[Bericht gewijzigd door Freddy op zaterdag 29 november 2008 15:39:43 (36%)]

Een motor vormt idd. een veel complexere belasting dan een ohmse weerstand. Even een testje met een motortje dat voorzien is van een opnemer:

15V - 100%
I = 46mA - f = 2200Hz

15V - 50%
I = 36mA - f = 1960Hz

7.5V - 100%
I = 31mA - f = 1080Hz

Dat toont toch een behoorlijk verschil tussen halve voedingsspanning en volle voedingsspanning met 50% PWM-verhouding.

Weet je wel zeker dat jou regeling in continues current mode werkt? Wat is de PWM-frequentie?

Ik had met een PWM-frequentie van 400Hz getest. Andere frequenties leveren dit plaatje op:

PWM-frequentie    Frequentie opnemer
  50Hz              2120Hz
 100Hz              2070Hz
 400Hz              1960Hz
 800Hz              1770Hz
1600Hz              1550Hz

Ik schreef al dat de meeste regelaars op een te lage frequentie werken. Die van jou is dus geen uitzondering. De stroom zal elke periode weer afbouwen tot nul.
Gooi die frequentie eens naar 20kHz.

U vraagt, wij draaien.

De opnemer produceert bij een PWM-frequentie van 20kHz een rotzooi van jewelste, waardoor ik diens frequentie niet meer kan meten. Het stroomverbruik zakt wel naar 26mA.

FYI: een BUZ11 neemt het schakelwerk op zich, terwijl een 1N5819 als vrijloopdiode dienst doet. Die laatste is rechtstreeks op de motor-aansluitingen gesoldeerd, zodat hij z'n werk naar behoren kan vervullen.

Op 29 november 2008 10:56:41 schreef critiacrof:
[...]
Toch is het waar. Een transistor die halfopen is gestuurd heeft nu eenmaal een spanningsval en er loopt een stroom door. Dat gedraagt zich daarom ook als een weerstand. Daarom is er ook verlies.
Bovendien bedoelde ik met niet-lineair het hysteresis gedrag.

Een transistor die half open gestuurd is (niet verzadigd) gedraagd zich niet als een weerstand, maar als een stroombron. Als je leest wat er staat, zie je dat een weerstand en een stroombron in één bedrijfspunt (van een stroombron/weerstand) te vervangen zijn. Echter een stroombron is niet spanningsafhankelijk buiten dat punt (idealiter) en een weerstand wel. Maar als je in één enkel punt redeneert dan klopt het inderdaad.

Wouter: inderdaad, dat bedoelde ik met efficient. (enkel schakelverliezen en hele kleine ohmse verliezen i.t.t. lineaire regelaar waarbij het spanningsverschil tussen voeding en motorklemmen verstookt wordt).

pros: wat voor opnemer gebruik je daar dan? Welke grootheid neemt ie op?

En dat meten dat hoeft ook niet perse goed te gaan: het kan zijn dat je je mosfet niet goed meer stuurt waardoor je eigenlijk geen pwm op de motor zet. Ik zou eventjes de in en uitgang (van je FET circuit) controleren met een scoop.

Eventueel kan je ook een snubbertje over je motor zetten.

Ik ben benieuwd naar de metingen.

Jammer dat de opnemer niet meer uitleesbaar is. Misschien dat de motor en opnemer kabel afschermen helpt. En wellicht ten overvloede nog leesvoer: http://www.circuitsonline.net/forum/view/5732

Voor zover ik kan nagaan, is het een magnetische opnemer - hij levert in ieder geval een mooie sinus af. Tot ik met een te hoge frequentie ga PWM'men.
Ik ga eens kijken of ik nog testmateriaal kan vinden...

Motortje: DC-motor met koolborstels, denkelijk afkomstig uit een oude mini-boormachine.
Hieraan gekoppeld, een miniscule stappenmotor. Die zorgt voor enige belasting, en is meteen de snelheidsopnemer. Zijn frequentie is uiteraard hoger dan de omwentelingsfrequentie.
Resultaat:

Spanning    Puls/pauze    PWM-frequentie   Stroom    Frequentie stepper

10V            100%         -               1.40A       928Hz
 5V            100%         -               1.10A       458Hz
10V             50%           50Hz          1.30A       806Hz
10V             50%          100Hz          1.28A       770Hz
10V             50%          500Hz          1.16A       706Hz
10V             50%         2000Hz          0.89A       512Hz
10V             50%        10000Hz          0.57A       342Hz

Merk op, dat de stroom bij 5V/100% groter is dan bij 10V/50%/2kHz, terwijl het toerental lager is! Dat heb ik nog eens overgedaan, om vergissingen van mijnentwege uit te sluiten.

Interesante stof om te lezen!
Wat ik nog mis is Grafieken!
Ik ga strak op grafieken en zeker met dutycycles, spanningspieken, afvlakken, etc etc wil ik dat wel eens terug zien in een grafiek.

Dus voor de mensen die dit topic educatief willen houden...

Op 29 november 2008 17:36:01 schreef elmowww:
[...]
Een transistor die half open gestuurd is (niet verzadigd) gedraagd zich niet als een weerstand, maar als een stroombron. Maar als je in één enkel punt redeneert dan klopt het inderdaad.

Fout, hij gedraagd zich momentaal misschien als een stroombron, maar de stroom wordt zo begrensd dat de spanning over de motor geregeld wordt. Het is dus eerder een spanningsbron.
En met een weerstand bedoel ik spanning en stroom ongeveer in fase, maar niet in constante verhouding.(en een bron die vermogen levert heeft daarom stroom in tegenfase)

Op 29 november 2008 06:29:30 schreef pros:
[...]
Hou er rekening mee dat een PWM puls/pauze-verhouding van 50/50 niet hezelfde is als het verlagen van de voedingsspanning naar 50%! In het eerste geval krijgt de motor het halve vermogen en in het tweede geval krijgt hij maar 1/4.

Omdat een motor een inductieve belasting is, zal als je 50% PWMt de stroom ook de helft bedragen van wat ie bij 100% voltage/PWM zou zijn. Dus omdat je de helft van de tijd de helft van de stroom laat lopen is het vermogen toch inderdaad een kwart. (de andere helft van de tijd is de spanning nul, dus het vermogen ook).

Dat je bij 5V niet de helft van de stroom meet als bij 10V komt omdat je belasting niet constant/lineair is. In princiepe zou bij dubbele spanning met dezelfde belasting(*) het toerental moeten verdubbelen, de tegen EMK ook, en de stroom ook, en de spanning over de interne weerstand ook. Een ideale motor, waarbij dit redelijk opgaat heeft een zeer lage stroom. Ik heb hier een motortje voor 9V wat een DC weerstand van 1.6 ohm heeft. Bij vrijloop bij 9V gaat er maar een paar mA lopen. Een motortje wat bij 10V 1.4A trekt (14W vermogen) is niet zomaar aan het vrijlopen. Daar is een significant stuk in belasting en interne weerstand verloren aan het gaan. De "interne wrijving" binnen de lagers in het motortje moet je dan ook zien als "belasting" vanuit het electrische gebeuren.

(*) En of dat hetzelfde koppel of wattage (lager kopel) of lineair (hoger koppel) is zou ik even hard over moeten nadenken