Steuerung bürstenbehafteter DC-Motoren durch Pulsweitenmodulation (PWM)

Dr. Sunil Kedia, Core Market New Product Development Manager bei Portescap, erläutert die Vorteile des PWM-Antriebs als Alternative und Faktoren wie die optimale Frequenz, Stromwelligkeit und Lebensdauer für die Steuerung bürstenbehafteter DC-Motoren.

Von der Robotik und Industrieautomation bis hin zu Haushaltsgeräten und sogar Spielzeug gibt es zahlreiche Anwendungen für bürstenbehaftete DC-Kleinstmotoren, die an mehr als einem Lastpunkt oder mit besonderen Lastzyklen betrieben werden müssen. Eine stufenlose Regelung ist zwar mit einer Stromversorgung mit Linerarregler realisierbar, doch sind diese Geräte in der Regel ineffizient und sperrig – zwei Eigenschaften, die bei batteriebetriebenen Geräten besonders unerwünscht sind.

Eine Alternative ist die Spannungsregelung durch Pulsweitenmodulation (PWM). Hierbei wird die Eingangsspannung des Motors kontinuierlich mit einer hohen Frequenz ein- und ausgeschaltet. Die Kombination aus Spuleninduktivität und Motorträgheit dient zur Glättung der Drehzahl, sodass sich der Motor so verhält, als würde er an kontinuierlicher Gleichspannung betrieben. Die Motordrehzahl ist abhängig vom Taktverhältnis – dem zeitlichen Verhältnis der Phasen mit und ohne angelegte Spannung.

Die Motorsteuerung mit PWM eliminiert die beiden Hauptnachteile von Stromversorgungen mit Linerarregler und ermöglicht kompakte Antriebe mit hohem Wirkungsgrad. Das Drehmoment lässt sich präzise regeln, und bei korrekter Auslegung können Wirbelstromeffekte – die Kehrseite der Medaille bei der PWM-Ansteuerung von Motoren – auf ein Minimum reduziert und die Motorsteuerung optimiert werden. Der verbesserte Wirkungsgrad des PWM-Antriebs reduziert die Erwärmung der elektronischen Bauelemente und erhöht bei batteriebetriebenen Anwendungen die Standzeit.

Vieles spricht also für eine PWM-Steuerung. Bei der PWM-Steuerung von bürstenbehafteten DC-Motoren kommen jedoch eine Reihe von konstruktiven Überlegungen ins Spiel, weil Parameter wie die PWM-Frequenz und das Taktverhältnis sich auf die Leistung und Lebensdauer des Motors auswirken.

Konstruktive Überlegungen

Bürstenbehaftete DC-Motoren können einfach als Reihenschaltung von Widerstand R und Induktivität L modelliert werden. Wird an eine derartige Schaltung Spannung angelegt, so steigt der Strom in einem Kurvenverlauf bis auf einen stationären Wert an. Wird der Stromkreis unterbrochen, fällt der Strom im umgekehrten Kurvenverlauf zurück auf null. Die Zeitkonstante der RL-Schaltung bestimmt die maximale Änderungsrate der angelegten Spannung.

Bei PWM-gesteuerten Motoren steigt und fällt der Strom im Stromkreis mit jeder PWM-Periode. Lässt man die Gegen-EMK des Motors außer Acht, ist der Stromanstieg eine Funktion der Motorinduktivität und des Gesamtwiderstandes. Intuitiv würde man nun die PWM-Frequenz so wählen, dass der Strom in jedem Takt genug Zeit hat, um den stationären Zustand zu erreichen. Das ist aber nicht immer der richtige Ansatz.

Wenn die PWM-Frequenz über diesen Schwellwert hinaus erhöht wird, hat der Strom nicht genügend Zeit, seinen stationären Zustand zu erreichen. Er oszilliert dann zwischen zwei nicht stationären Zustandswerten, was zu einer Stromwelligkeit führt. Die Welligkeit ist direkt proportional zur angelegten Frequenz, d. h. mit einer Erhöhung der PWM-Frequenz, verringert sich die Stromwelligkeit auf ein akzeptables Maß. Diese Stromwelligkeit beeinträchtigt die Motorleistung auf unterschiedliche Weise, u. a. durch ein nicht lineares Drehmomentverhalten, da das abgegebene Drehmoment proportional zum Strom ist. Die Frequenz wird daher so gewählt, dass die Drehmomentwelligkeit keinen Einfluss auf die Performance der Anwendung hat.

Außerdem ist die Erwärmung durch den Widerstand der Motorwicklung proportional zum Quadrat des Stroms. Eine zu hohe Stromwelligkeit erhöht die Erwärmung im Wicklungspaket, wodurch die Motorleistung abnimmt und die Lebensdauer des Motors beeinträchtigt wird.

Bei bürstenbehafteten DC-Motoren ohne Elektroblech-Pakete sind die Wirbelstrom- und Hystereseverluste im magnetischen Kreis direkt proportional zur Stromwelligkeit, sodass unter einer zu hohen Stromwelligkeit wiederum die Gesamtleistung des Motors leidet. Die Stromwelligkeit hat außerdem direkten Einfluss auf die Kommutierung des Motors. Bei der Edelmetallkommutierung kann die Elektroerosion an den Bürsten während der Stromspitzen ein ernsthaftes Problem darstellen, wobei die Elektroerosion proportional zum Quadrat des effektiven Stroms in der Wicklung ist. Der Bürstenverschleiß ist bei bürstenbehafteten DC-Motoren ohnehin der dominierende Ausfallfaktor. Stärkere Elektroerosion würde die Abnutzung noch beschleunigen.

Bei der Kohlebürstenkommutierung verstärkt ausgeprägte Stromwelligkeit die Bildung der Patina – der Kupferoxidschicht, die sich auf der Oberfläche des Kollektors bzw. dem Schleifpartner der Kohlebürste, bildet. Eine gewisse Patina ist zwar vorteilhaft für die Kommutierung und reduziert die Reibung, aber mit zunehmender Schichtdicke verschlechtert sich der Bürstenkontakt. Bei mittleren bis hohen Drehzahlen beeinträchtigt das die Motorleistung unter Umständen nicht, aber bei niedrigen Betriebsdrehzahlen macht es sich auf jeden Fall bemerkbar.

Reduzieren der Stromwelligkeit

Nachdem die Stromwelligkeit sich so empfindlich auf die Leistung und Lebensdauer des Motors auswirkt – wie lässt sie sich herabsetzen? Vorauszuschicken ist, dass die Stromwelligkeit bei einem Taktverhältnis von 50 % am größten ist. Das Ziel muss also darin bestehen, den Motor abseits eines Taktverhältnisses von 50 % zu betreiben.

Außerdem ist, wie wir gesehen haben, die Stromwelligkeit unmittelbar an die PWM-Frequenz gekoppelt. Auf jeden Fall empfiehlt es sich, die PWM-Frequenz außerhalb des menschlichen Hörvermögens (20 Hz bis 20 kHz) zu halten, da eine Stromwelligkeit in diesem Frequenzspektrum zu einer Lärmbelastung durch den Motorbetrieb führen kann. Wenn man nun noch bedenkt, dass eine Stromwelligkeit unter 10 % anzustreben ist, um die Leistung und Lebensdauer des Motors zu maximieren, ergibt sich daraus ein recht hoher PWM-Frequenzbereich von bis zu 40–120 kHz.

Portescap empfiehlt die Hinzuziehung eines sachkundigen Ingenieurs, um die konkrete Anwendung zu diskutieren, denn die Zusammenhänge zwischen deren Anforderungen, den Leistungsmerkmalen des Motors und der sich daraus ergebenden Konstruktion bzw. Spezifikation des PWM-Antriebs sind komplex. Besonders wichtig ist eine Harmonisierung der gegenseitigen Abhängigkeiten bei batteriebetriebenen Anwendungen, da zur Forderung einer optimalen Gesamtperformance der Anwendung noch die Notwendigkeit einer möglichst langen Batteriestandzeit kommt.