voor en nadelen van PWM

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

Er worden weer een hoop rare theorieën verzonnen. Als nu eens wat verder door was gemeten en ook de gemiddelde spanning over de motor was gemeten had dit een goede aanwijzing kunnen zijn.
Dus geef ik het goede voorbeeld. Alles bij 10 volt voedingsspanning en 50% duty-cycle.

500 Hz   8,94 V
1 kHz    8,60 V
2 kHz    7,98 V
5 kHz    6,72 V
10 kHz   5,60 V
20 kHz   4,95 V
50 kHz   4,79 V
100 kHz  4,75 V
200 kHz  4,74 V
500 kHz  4,71 V

Je ziet dat vanaf 20 kHz de gemiddelde spanning bij hoger wordende frequentie constant blijft. Onder de 20kHz is de spanning afhankelijk van de frequentie. En daar is een simpele verklaring voor: bij lage frequenties werkt de PWM-regeling in discontinues current mode en vanaf zo'n 20kHz gaat dit over in continues current mode.
Dit kun je heel mooi zien als je de motorstroom meet met een oscilloscoop. De exacte overgangsfrequentie is afhankelijk van het type motor en de belasting.

Soms zeggen plaatjes meer dan duizend woorden. Hier twee metingen van een PWM sturing. Eén bij 2 kHz en de andere bij 50kHz. Het gele spoor is de spanning over de motor en het grijze spoor de motorstroom.

Duidelijk is te zien dat bij 2kHz de motorstroom niet in stand wordt gehouden en de motor voor een groot deel van de tijd aan het "free-wheelen" is. De gemiddelde motorspanning wordt bepaald door het deel waar de MOSFET de volle spanning over de motor zet en het deel waar de diode de spanning minimaal houd.

Bij 50kHz wordt de motorstroom continu in stand gehouden en is er geen moment dat de motor vrij loopt. De gemiddelde spanning wordt alleen bepaald door de voedingsspanning en de duty-cycle. De motor draait exact hetzelfde toerental als bij een DC spanning van 5V.

Ik geloof je op je woord, maar plaatjes zeggen vaak meer dan woorden.

Edoch, zit er geen nadeel aan die hoge PWM-frequentie? Neem nu het motortje van een modeltrein. Met een analoge regeling heb je het nadeel dat de overgangsweerstanden (rails, wielen, e.d.) een zachte start in de weg staan. De loc reageert eerst niet, om dan alsnog met een onnatuurlijke vaart weg te schieten.
Bij een lage PWM-frequentie valt dat nadeel weg, omdat er --met tussenpozen-- de volle voedingsspanning over de motor komt te staan, en het aandeel van die weerstanden naar verhouding maar even groot is als wanneer de motor op volle snelheid draait.
Ga je nu sturen met een hoge PWM-frequentie, dan zal de zelfinductie v/d motor de stroom beperken, waardoor het aandeel van die overgangsweerstanden bijna net zo hoog wordt als bij een analoge regeling.

Op 1 december 2008 09:32:42 schreef critiacrof:
[...]
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)

http://nl.wikipedia.org/wiki/Bipolaire_transistor

Als de spanning varieerd, en de stroom gelijk blijft. Is het dan een stroom of spanningsbron?

Op 1 december 2008 21:49:09 schreef pros:
Ga je nu sturen met een hoge PWM-frequentie, dan zal de zelfinductie v/d motor de stroom beperken, waardoor het aandeel van die overgangsweerstanden bijna net zo hoog wordt als bij een analoge regeling.

Modelbouwtreinen worden ook vaak met iets van 100-200Hz gestuurd. Goede antenne trouwens, zo'n baan. Dat is zeker een nadeel van PWM.

Op 1 december 2008 21:21:18 schreef Freddy:
Soms zeggen plaatjes meer dan duizend woorden.
[...]

Zeer interessant!

Ik zie beide metingen op ~50% d/c.

Bij de eerste metingen zie je tijdens de Toff van de MOSFET dat de spanning weer stijgt als de stroom 0 wordt. Wat is dit exact? generatorbedrijf en het opwekken van een spanning?

Zou wel kunnen kloppen, want de stijging komt ongeveer tot zo`n 7 á 8V, wat weer bij dezelfde frequentie (2KHz) op gemiddelde spanning uitkomt.

Toerental blijft constant, dus opgewekte spanning zal ongeveer de aangelegde gemiddelde spanning zijn (verschil in verliezen, die zijn in dit generatorbedrijf kleiner omdat je amper stroom hebt)...

Klopt dit? Eigenlijk zou het wel leuk zijn om een aantal verschillende koppel/toeren karakteristieken te maken met verschillende meetfrequenties. Heb alleen geen opstelling om koppel te meten/regelen. Misschien wat gaan knutselen als ik wat tijd over heb. straingauge+versterkertje en een regelbare slipkoppeling regelen...

Als een koppel limiet nodig is zoals bij treintjes heeft een lage PWM frequentie inderdaad voordeel. Een kleine kracht samen met de massa van de treintjes veroorzaakt een kleine versnelling.
Doordat bij deze lage frequentie de stroom zich continu weer vanaf nul moet opbouwen krijgt de motor geen kans om de stroom flink op te laten lopen. Een meting laat zien dat de piekstroom is slechts twee maal groter wordt bij belasting en twee tot drie maal langer aanhoud. Het koppel bij belasting wordt daardoor slechts 3 a 4 maal hoger en is makkelijk met de vingers af te remmen.

Bij hoge PWM frequenties is het niet zo dat de zelfinductie de stroom beperkt, zij vlakt de stroom alleen af en houd deze in stand. De stroom wordt volledig bepaald door de belasting en is gelimiteerd door de serieweerstanden. In dit geval kan de motorstroom zeer sterk oplopen bij belasting. Een snelle meting liet de stroom een factor 12 toenemen bij belasting en leverde een stel verbrande vingertoppen op in een poging deze af te remmen.

Bovenstaande situaties beide bij 10 volt voeding en 30% duty-cycle.

@ Elmo,
Het opkomen van de motorspanning bij 2kHz na het uit geleiding gaan van de diode is inderdaad generatorbedrijf. Deze spanning komt overeen met het toerental.

[Bericht gewijzigd door Freddy op maandag 1 december 2008 23:04:35 (11%)]

Op 1 december 2008 22:45:21 schreef klein is fijn:
[...]Modelbouwtreinen worden ook vaak met iets van 100-200Hz gestuurd. Goede antenne trouwens, zo'n baan. Dat is zeker een nadeel van PWM.

Hoe zit het met storingen bij verschillende PWM frequenties? Het stroomverschil zal afnemen met hogere frequenties, maar de steilheid veranderd niet echt.

Di/Dt blijft dus toch eigenlijk gelijk? En de geemiteerde storing dan? Minder agressief misschien...

Heeft iemand bij de nadelen het lawaai al genoemd? Zeker bij wat grotere motoren.

Niet als je hoge frequenties gebruikt

Weer terug uit verweggistan GJ_?

Ja, de terugreis was een echt drama.

Hoge frequenties maken e.e.a. wel stiller maar geven bij FO's wat extra verlies. De meeste hebben een maximum frequentie van zo'n 16kHz maar schakelen bij hoge belasting terug naar lagere frequenties tot meestal minimaal 3kHz.

Mmmm.. Dat is inderdaad nog goed te horen. Maar dat zijn ook andere orde motoren dan de kleine brushlessgeborstelde waar het hier meest om gaat.

Inductiviteit van die dingen zal vaak een stuk hoger liggen, waardoor ook de tijd om een bepaalde stroomverandering tot stand te kunnen brengen.

Kortom, mogelijk om met een lagere frequentie CC regeling te krijgen.

@Freddy:
Jouw plaatjes maken een heleboel duidelijk.

@elmowww: je hebt een mailtje.

Ik vraag mij af wat er gebeurd bij een frequentie die rond de frequentie zit waar de borstels en de commutator mee schakelen.

Edit:

Op 1 december 2008 23:59:36 schreef elmowww: Maar dat zijn ook andere orde motoren dan de kleine brushless waar het hier meest om gaat.

Je bedoeld brushed neem ik aan.

Edit: @elmowww: Met N/m bedoel je Nm neem ik aan?

critiacrof, ik denk dat we het nu wel eens zijn. Verschillende schakelingen veranderen de boel toch een hoop

En ik bedoelde inderdaad een geborstelde motor.

Bij dezen nog wat info over elektromotoren die wel interessant kan zijn voor de diverse relaties:

Model van een motor (DC motor, maar principe blijft hetzelfde):
Ik heb wel een redelijk simpel model voor je:

Serieschakeling van een weerstand (koperverliezen) en een bron.

De bron heeft de volgende relaties met toerental en koppel:
U = CphiP * Omega
T = CphiP * I

Waarin:
U [V] = geinduceerde spanning
CphiP (of KphiP) = motorconstante
Omega [rad/sec] = assnelheid
T [N/m] = Koppel
I [A] = Motorstroom

In dit model is de eventuele veldwikkeling niet inbegrepen, maar die is er makkelijk bij te denken.