Lutz
Aktives Mitglied
Thema meines nachstehenden beitrags ist eine variante zur versorgung bzw. ansteuerung von langsamlaufenden gleichstrom-motor-antrieben, vorzugsweise für die plattform-nachführung.
Da es darum geht, die erddrehung durch eine betragsmässig gleiche gegendrehung der plattform zu kompensieren, stellt diese aufgabe doch gewisse anforderungen an die konstanz der drehgeschwindigkeit.
Ich nehme im folgenden verlauf bezug auf den thread von Andreas: "EQ-Plattform, wie antreiben" und beschreibe hier den stand eines miniprojekts, an dem ich mit den selbstbauern Ekkehard und Karl-Heinz beteiligt bin. Die prinzipiellen möglichkeiten des ansteuern (konstant-spg, konstant-strom) hatte ich hier dargestellt.
Anhand des folgenden schlaglichts, das ich vorab auf die erreichbare güte eines motorgleichlaufs in drei ausführungen setze, könnt ihr entscheiden, ob ihr diesen umfangreichen bericht bis zu ende lesen wollt.
Die beiden gebräuchlichen varianten einer elektrischen versorgung des motors sind:
- betrieb an draht-potentiometer (einstellbarer spannungsteiler)
- betrieb an einstellbarem, elektronischen spannungsregler
Etliche weitere methoden binden den motor in einen geschlossenen regelkreis ein, wobei unsere PWM-regelung von ihrer einfachheit her eine gewisse sonderstellung einnimmt.
Verwendet wird ein bremsstand, der es erlaubt, die drehzahl eines permanentmagnet-motors unter vorgebbarer belastung (abgefordertes drehmoment an der welle) mit einem frequenzmesser zu erfassen.
Link zur Grafik: http://liebers-dental.de/Astronomie/tl494%20test.jpg
Fiktive vorgaben für diese beispielhafte anwendung:
- es möge eine festspannung von 12 V gegeben sein, z.b. in form eines kleinen blei-gel-akkus.
- für die gewünschte drehzahl sei eine versorgungs-spannung von 8 V notwendig.
- die plattform möge eine schwankung im abgeforderten motordrehmoment des faktors "ca. 2" haben (wärme/kälte/teleskopschwerpunkt ausserhalb der polachse)
- der verwendete bremstester möge den motor in sieben gleichen belastungsschritten an seine nennlast als grenze führen. Daraus ergibt sich eine vergleichs-belastung mit 2 bzw. 4 stück bremsgewichten (lasteinheiten).
Das ergebnis dieses prüfung ist die prozentuale veränderung der drehzahl bei 4 gegenüber 2 stück bremsgewichten. Als mindestanforderung an diese abbremsung stellen wir die erwartung: < 1% (begründung später).
Anmerkung zum drahtpoti: die in der elektrotechnik übliche forderung, dass über den einstellbaren abgriff (schleifer) maximal 1/10 des stroms durch das poti abfliessen soll, lässt sich nicht realisieren, denn bei geschätzten 80 mA in den motor müssten wenigstens 1 A durch das poti fliessen. Die verlustleistung wäre damit satte 12 Watt!
Variante 1: als kompromiss seien drei teilwiderstände der summe 30 Ohm gegeben, so dass jetzt nur noch 4,8 W verlustleistung auftreten. Mit 10 ohm in reihe zu 20 Ohm (passendes drahtpoti derzeit nicht verfügbar) ergibt sich das gewünschte ersatzpoti, dessen hierbei fester abgriff mit 2/3 von 12 V eben diese gewünschten 8 V liefert.
Link zur Grafik: http://liebers-dental.de/Astronomie/poti.jpg
Variante 2: den motor direkt an ein stabilisierten netzteil angeschlossen entspricht einem elektronischen spannungsregler, wie er einstellbar z.b. mit einem schaltkreis LM317 und wenigen bauteilen realisiert werden kann. Diese variante ist übrigens wesentlich effektiver in bezug auf den erreichten wirkungsgrad: es entfällt der nutzlose strom DURCH das poti, den der motor gar nicht zu gesicht bekommt, der aber für eine stabile spannungsteilung notwendig ist. Lässt man dieses poti zum reinen vorwiderstand entarten, hätte man die schlechteste aller lösungen realisiert.
Variante 3: die ökonomischste energieverwertung stellt die PWM-regelung dar: bis auf den geringen eigenbedarf des integrierten schaltkreises wird die der versorgung entnommene leistung dem motor uneingeschränkt zur verfügung gestellt.
Vorab-ergebnisse mit dem RB-35 (getriebemotor kleiner leistung) bei abgenommenem getriebe:
- das "10ohm/20ohm-poti" an 12 V stabilisiert ergibt eine drehzahl bei 4 LastEinheiten: 3440 upm, bei 2 LE 3597upm, abfall 4,4%
- stabilisierte 8V-versorgung, direkt aus einstellbarem netzteil, bei 4 LastEinheiten: 3716 upm, bei 2 LE 3763upm, abfall 1,2%
- PWM-regelung mit 2 LE auf 3604 upm eingestellt, ergibt bei 4 LE: 3612 upm, zunahme von 0,2%
In die bestromung nach variante 1, poti, geht übrigens der rückgang der akkuspannung mit fortschreitender entladung ebenfalls mit dem faktor 2/3 ein! Bei variante 2 und 3 hingegen wird dieser störfaktor praktisch zu null ausgeregelt.
Die prozentualen drehzahlveränderungen sprechen klar für sich, so dass ich meinen artikel für die weiterhin interessierten leser fortsetze:
Technische grundlage unserer motor-regelung ist der integrierte schaltkreis TL494, der u.a. in dem Funkschau-artikel Nr. 26/1983 veröffentlicht wurde. Dieser Baustein enthält die gesamte steuerschaltung mit taktgenerator, pulsweiten-modulation (kurz: PWM), operations-verstärker, spannungs-referenz sowie überstrombegrenzung zum schutz des blockierten motors.
Sein hauptanwendungsgebiet sind elektronische schaltnetzteile. Eine abkündigung dieses schon älteren baustein ist mir nicht bekannt. Er wird von verschiedenen herstellern produziert.
Als testmotoren stehen uns der bekannte RB-35 sowie andere kleine getriebemotoren zur verfügung.
Die in der Funkschau dargestellte schaltung wurde von uns drei jeweils separat aufgebaut. Wohl je nach vorkenntnis und erfahrung sind die resultate optisch unterschiedlich, funktionstechnisch gesehen aber gleichwertig.
Link zur Grafik: http://liebers-dental.de/Astronomie/tl494%20aufbau.jpg
Die schaltung kann als nachbausicher und unkritisch in ihrem verhalten bezeichnet werden.
Sie bindet kleinleistungs-permanentmagnetmotore in eine geschlossene regelstrecke ein, die zum zweck hat, die drehzahl der motorwelle lastunabhängig konstant zu halten. Darüberhinaus regelt sie auch den unvermeidbaren rückgang der spannung aus, der sich mit zunehmenden entladung einer mobilen versorgung zwangsläufig ergibt.
Wirkungsweise: wie bei jedem geschlossenen regelkreis gibt es eine führungsgrösse, die "soll-drehzahl", die an einem steuerpoti eingestellt wird. Der sensor für die zunächst lastabhängige "ist-drehzahl" ist der motor selbst: sein rotierender anker liefert eine EMK (elektromotorische kraft, zu deutsch: elektrische spannung aufgrund des gleichzeitig gegebenen generator-effekts) deren betrag drehzahl-proportional ist.
Den sensor für die rückmeldung der "ist-drehzahl" gibt es hierbei also zum nulltarif!
Aus der lastabhängigen differenz: "soll-drehzahl minus ist-drehzahl", die an einem internen summationspunkt anfällt und ca. 250 mal pro sekunde abgefragt wird, ergibt sich eine regeldifferenz, die den regelkreis veranlasst, die erkannte abweichung zu null zu machen. Dies geschieht durch die pulsbreiten-modulation, d.h. die betriebsspannung wird durch einen schalttransistor ohne nennenswerte eigenverluste (daher ohne kühlblech) ca. 250 mal pro sekunde dem motor aufgeschaltet, und die dauer der jeweiligen bestromung (pulsweite) gleichzeitig variiert.
Als vorteile ergeben sich:
- gute konstanz der drehzahl, dies über einen sehr weiten drehzahlbereich. Damit können z.b. beim plattform-nachführen auch evtl. vorhandene motoren eingesetzt werden, deren getriebe nicht optimal ausgelegt sind.
- vibrationsfreier gleichlauf, wie er beim schrittmotor erst durch die aufwendige einführung des mikroschritts möglich wird, und dies über einen realistischen temperaturbereich. Nach meiner erfahrung mit schrittmotoren als alternative läuft die schaltung ruhiger als ein schrittmotor im achtel-schritt-betrieb.
- keine konstruktiven vorkehrungen notwendig, um resonanzen von laufgeräuschen (tackern, summen, vibrieren, wie beim schrittmotor im üblichen halbschritt-betrieb gegeben) zu verhindern.
- mehr freiheitsgrad bei der gestaltung der plattform, da der schwerpunkt des teleskops nicht mehr so genau durch die polachse gehen muss. Damit sollten mehr als ein bestimmtes teleskop auf der vorgesehenen plattform verwendbar werden.
- geringer eigenverbauch der schaltung: unsere ausführung verbraucht bei 12 V versorgung nur 8 mA.
- bei verwendung einer vorgefertigten leiterkarte ergibt sich ein sicherer nachbau, auch durch den nichtelektroniker ausführbar.
- einfachste nachrüstung: zwei schraubklemmen für die versorgung, zwei klemmen für den motor, fertig.
- die leitungen zum motor gehen in den regel-algorithmus mit ein, so dass diese drähte lang und dünn sein können, da der spgs-abfall auf ihnen ebenfalls ausgeregelt wird. Das board muss also nicht zwingend in direkter nähe des motors angeordnet sein (sollte man aber nicht übertreiben, da sonst störungen das EMK-messsignal beeinträchtigen können)
- schaltung besteht aus preisgünstigen serienbauteilen (TL494: ca. 0,35Euro)
Nachteilig:
- 12V versorgung, die allerdings auf 7V abgesenkt werden kann, wenn der motor auch damit die gewünschte drehzahl erreicht.
- bei sehr leichtem, motorabhängig ausgeprägtem summen (der ca. 250 Hz-PWM grundtakt) ergibt sich eine leichte unruhe des laufenden motors, die sich durch das "feste" eingespanntsein in den regelkreis ergibt. Dieses geräusch ist allerdings so gering, dass es in den laufgeräuschen des low-lost-stirnradgetriebes untergeht.
- soll-drehzahl für das siderische nachführen muss einmalig am poti eingestellt werden, wozu eine messung an der motorwelle nötig ist. Im vergleich hierzu kann ein schrittmotor-antrieb digital und per software auf die gewünschte drehzahl programmiert werden, ohne messen zu müssen. Alternativ könnte auch eine anpassung der drehzahl ohne drehzahl-messgeräte während der nachführung "am stern" erfolgen.
Vor dem testlauf auf dem bremsstand wurde das getriebe abgenommen und auf das damit offenliegende zahnritzel eine kleine aluscheibe gepresst, auf deren umfang eine gedrucktes impulsmuster geklebt wurde. Die drehzahl wird mit einer glasfaserlichtschranke und einem frequenzmesser gemessen.
Hier die ergebnisse unserer bremstest-versuche, wobei der RB-35 eingesetzt wurde. Belastet wurde relativ, d.h. in vielfachen der lasteinheit: "1 Stück M4-schraube". Zuvor wurde das eigengewicht des hebelarms austariert.
Leerlauf: : 647,2 Hz, entspricht 2157 upm 100,0%
2 schraube belastung: : 649,8 " 100,4%
3 " " : 648,4 100,2%
4 " " : 643,6 99,4%
5 " " : 642,6 99,3%
6 " " : 619,0 95,6%
Zur erklärung: zwischen dem frequenzwert und dem upm-wert stehen die festen faktoren: 18 licht-pulse / 360 grad an der bremsscheibe, faktor 60 zwischen sekunde (Hz => 1/sec) und minute (upm => 1/min).
Am ende dieser messreihe war der motor leicht temperiert, die bremsscheibe hatte geschätzt ca. 60 grad C (grenze der berührbarkeit mit dem finger). Es ist zu vermuten, dass der antrieb in einer plattform einer belastung zwischen einer bis zwei schrauben entspricht.
Zur relativierung dieser drehzahlkonstanz sei folgende anwendung genannt: siderisches nachführen mit einem teleskop des bildwinkels 0,5 grad (mond sei formatfüllend) über zwei stunden. Das objekt soll dabei nicht mehr als 1/4 grad aus dem bildfeld wandern (die erddrehung beträgt 15 grad/h): 1/4 grad geteilt durch 2*15 grad ergibt eine notwendige drehzahlkonstanz von 0,84%.
Ein weiterer bremstest dokumentiert die drehzahlstabilität bei niedrigen drehzahlen. Dabei besteht selbst bei nur wenigen hundert upm ein enormes durchzugsvermögen an der welle! Ich hatte dazu die pulsierende spannung an den klemmen des motors im regelkreis gemessen: nur 1,7 V (wobei vorsicht geboten ist: der wirkliche effektivwert dieser spannung liesse sich nur mit einem dreheisen-voltmeter korrekt bestimmen).
An DC 1,7 Volt (am stabilisiertem netzteil, aber bei ungeregeltem motorlauf) hingegen kann man ihn mit den fingern mit leichtigkeit anhalten.
Für den nachstehenden schleichgang-test wurde der motor im regelbetrieb (leerlauf) auf 1,8 V (pulsbreitenmoduliert) an den klemmen eingestellt.
Leerlauf : 263,4 Hz (878 upm)
5 schrauben: 259,2 Hz (1,6% drehzahlabfall)
Nun der ungeregelte betrieb, der motor hängt direkt am stab. netzteil, spannung am motor ca. 1,3 V
Leerlauf : 261,6 Hz (872 upm)
5 schrauben : 208,4 Hz (20,3% drehzahlabfall) !
Solch eine drehzahlkonstanz gegenüber der geregelten spannungsversorgung vom ca. 12-fachen ist schon sehr erfreulich.
Temperaturverhalten: Zu dieser messung wurde bei raumtemperatur eine niedrige drehzahl von ca. 1000 upm am RB-35 eingestellt. Belastet wurde mit drei schrauben. Der zugehörige frenquenzwert am pulsrad lautete: f = 1000 upm / 60s * 18 pulse/umdr. = 300 Hz Diese frequenz wurde am f-meter wegen seiner kurzzeit-schwankungen mehrfach in zufälliger folge abgelesen und der mittelwert errechnet: 312,1 Hz
Nun wurden die komponenten: belasteter bremsstand mit motor, PWM-schaltung und lichtleiterauswertung des o.g. aufbau ins drei-sterne-kühlfach eines kühlschranks verlegt. Die lochraster-platine mit der schaltung darauf lag frei auf einer isolierenden unterlage, war also der kälte unabgeschirmt ausgesetzt.
Die gemessene frequenz (drehzahl) nach einer stunde (bei ca. -18 grad C): 311,3 Hz (praktisch gleich).
Dazu ist zu sagen, dass es den TL494 in zwei versionen gibt: für umgebungstemperatur 0 bis +70 grad C bzw. -25 bis +85 grad C. Hier wurde die erste version verwendet.
Als vorerst letzter punkt unseres projekts wurde geprüft, mit welcher minimalen betriebsspannung die PWM-schaltung betrieben werden kann. Da sich eine eingebaute 5V-spgs-referenz im TL494 befindet, hat der hersteller die minimale betriebsspannung lt. datenblatt auf 7V festgelegt.
Nach dem kältetest senkte ich einzig die betriebspg. von 14,7 auf 7,5 V ab. Daraufhin stieg die drehzahl auf 319,3 Hz. (2,3% höher), was 1064 upm entspricht. Die geregelte motorspannung wurde mit 3,2 V gemessen.
Das auflegen einer vierten schraube erbrachte eine frequenz von 324,0 Hz (1,4% mehr als gegenüber drei schrauben belastung). Damit reagiert die schaltung auf laständerung an der unteren grenze der betriebsspannung deutlich stärker. Und nun können nicht mehr so hohe drehzahlen eingestellt werden, was aber in dieser anwendung sowieso wenig sinn macht: im sinne eines geräuscharmen laufs besser einen motor mit weniger untersetzung bei geringerer drehzahl laufen lassen.
Stromverbrauch: bei 12 V betriebsspg. und 2 schrauben (geschätzte plattformlast) beträgt der strom bei ca. 1000 upm gerade mal 46 mA, bei 5 schrauben 89 mA., das macht ein halbes bis ein Watt leistungsaufnahme, damit deutlich weniger als bei einer schrittmotoranwendung. Mit drei stück 4,5V flachbatterien könnte man schon einige stunden nachführen.
****
Ekkehard ist dabei, die schaltung mit dem EAGLE-layouter auf eine kleinformatige leiterplatte zu routen. Damit sollte sich die PWM-verwendung für einen grösseren kreis selbstbauer eröffnen, auch wenn sie nur über geringe löterfahrung verfügen und mit elektronik nicht bewandert sind.
V.g. Lutz
Da es darum geht, die erddrehung durch eine betragsmässig gleiche gegendrehung der plattform zu kompensieren, stellt diese aufgabe doch gewisse anforderungen an die konstanz der drehgeschwindigkeit.
Ich nehme im folgenden verlauf bezug auf den thread von Andreas: "EQ-Plattform, wie antreiben" und beschreibe hier den stand eines miniprojekts, an dem ich mit den selbstbauern Ekkehard und Karl-Heinz beteiligt bin. Die prinzipiellen möglichkeiten des ansteuern (konstant-spg, konstant-strom) hatte ich hier dargestellt.
Anhand des folgenden schlaglichts, das ich vorab auf die erreichbare güte eines motorgleichlaufs in drei ausführungen setze, könnt ihr entscheiden, ob ihr diesen umfangreichen bericht bis zu ende lesen wollt.
Die beiden gebräuchlichen varianten einer elektrischen versorgung des motors sind:
- betrieb an draht-potentiometer (einstellbarer spannungsteiler)
- betrieb an einstellbarem, elektronischen spannungsregler
Etliche weitere methoden binden den motor in einen geschlossenen regelkreis ein, wobei unsere PWM-regelung von ihrer einfachheit her eine gewisse sonderstellung einnimmt.
Verwendet wird ein bremsstand, der es erlaubt, die drehzahl eines permanentmagnet-motors unter vorgebbarer belastung (abgefordertes drehmoment an der welle) mit einem frequenzmesser zu erfassen.
Link zur Grafik: http://liebers-dental.de/Astronomie/tl494%20test.jpg
Fiktive vorgaben für diese beispielhafte anwendung:
- es möge eine festspannung von 12 V gegeben sein, z.b. in form eines kleinen blei-gel-akkus.
- für die gewünschte drehzahl sei eine versorgungs-spannung von 8 V notwendig.
- die plattform möge eine schwankung im abgeforderten motordrehmoment des faktors "ca. 2" haben (wärme/kälte/teleskopschwerpunkt ausserhalb der polachse)
- der verwendete bremstester möge den motor in sieben gleichen belastungsschritten an seine nennlast als grenze führen. Daraus ergibt sich eine vergleichs-belastung mit 2 bzw. 4 stück bremsgewichten (lasteinheiten).
Das ergebnis dieses prüfung ist die prozentuale veränderung der drehzahl bei 4 gegenüber 2 stück bremsgewichten. Als mindestanforderung an diese abbremsung stellen wir die erwartung: < 1% (begründung später).
Anmerkung zum drahtpoti: die in der elektrotechnik übliche forderung, dass über den einstellbaren abgriff (schleifer) maximal 1/10 des stroms durch das poti abfliessen soll, lässt sich nicht realisieren, denn bei geschätzten 80 mA in den motor müssten wenigstens 1 A durch das poti fliessen. Die verlustleistung wäre damit satte 12 Watt!
Variante 1: als kompromiss seien drei teilwiderstände der summe 30 Ohm gegeben, so dass jetzt nur noch 4,8 W verlustleistung auftreten. Mit 10 ohm in reihe zu 20 Ohm (passendes drahtpoti derzeit nicht verfügbar) ergibt sich das gewünschte ersatzpoti, dessen hierbei fester abgriff mit 2/3 von 12 V eben diese gewünschten 8 V liefert.
Link zur Grafik: http://liebers-dental.de/Astronomie/poti.jpg
Variante 2: den motor direkt an ein stabilisierten netzteil angeschlossen entspricht einem elektronischen spannungsregler, wie er einstellbar z.b. mit einem schaltkreis LM317 und wenigen bauteilen realisiert werden kann. Diese variante ist übrigens wesentlich effektiver in bezug auf den erreichten wirkungsgrad: es entfällt der nutzlose strom DURCH das poti, den der motor gar nicht zu gesicht bekommt, der aber für eine stabile spannungsteilung notwendig ist. Lässt man dieses poti zum reinen vorwiderstand entarten, hätte man die schlechteste aller lösungen realisiert.
Variante 3: die ökonomischste energieverwertung stellt die PWM-regelung dar: bis auf den geringen eigenbedarf des integrierten schaltkreises wird die der versorgung entnommene leistung dem motor uneingeschränkt zur verfügung gestellt.
Vorab-ergebnisse mit dem RB-35 (getriebemotor kleiner leistung) bei abgenommenem getriebe:
- das "10ohm/20ohm-poti" an 12 V stabilisiert ergibt eine drehzahl bei 4 LastEinheiten: 3440 upm, bei 2 LE 3597upm, abfall 4,4%
- stabilisierte 8V-versorgung, direkt aus einstellbarem netzteil, bei 4 LastEinheiten: 3716 upm, bei 2 LE 3763upm, abfall 1,2%
- PWM-regelung mit 2 LE auf 3604 upm eingestellt, ergibt bei 4 LE: 3612 upm, zunahme von 0,2%
In die bestromung nach variante 1, poti, geht übrigens der rückgang der akkuspannung mit fortschreitender entladung ebenfalls mit dem faktor 2/3 ein! Bei variante 2 und 3 hingegen wird dieser störfaktor praktisch zu null ausgeregelt.
Die prozentualen drehzahlveränderungen sprechen klar für sich, so dass ich meinen artikel für die weiterhin interessierten leser fortsetze:
Technische grundlage unserer motor-regelung ist der integrierte schaltkreis TL494, der u.a. in dem Funkschau-artikel Nr. 26/1983 veröffentlicht wurde. Dieser Baustein enthält die gesamte steuerschaltung mit taktgenerator, pulsweiten-modulation (kurz: PWM), operations-verstärker, spannungs-referenz sowie überstrombegrenzung zum schutz des blockierten motors.
Sein hauptanwendungsgebiet sind elektronische schaltnetzteile. Eine abkündigung dieses schon älteren baustein ist mir nicht bekannt. Er wird von verschiedenen herstellern produziert.
Als testmotoren stehen uns der bekannte RB-35 sowie andere kleine getriebemotoren zur verfügung.
Die in der Funkschau dargestellte schaltung wurde von uns drei jeweils separat aufgebaut. Wohl je nach vorkenntnis und erfahrung sind die resultate optisch unterschiedlich, funktionstechnisch gesehen aber gleichwertig.
Link zur Grafik: http://liebers-dental.de/Astronomie/tl494%20aufbau.jpg
Die schaltung kann als nachbausicher und unkritisch in ihrem verhalten bezeichnet werden.
Sie bindet kleinleistungs-permanentmagnetmotore in eine geschlossene regelstrecke ein, die zum zweck hat, die drehzahl der motorwelle lastunabhängig konstant zu halten. Darüberhinaus regelt sie auch den unvermeidbaren rückgang der spannung aus, der sich mit zunehmenden entladung einer mobilen versorgung zwangsläufig ergibt.
Wirkungsweise: wie bei jedem geschlossenen regelkreis gibt es eine führungsgrösse, die "soll-drehzahl", die an einem steuerpoti eingestellt wird. Der sensor für die zunächst lastabhängige "ist-drehzahl" ist der motor selbst: sein rotierender anker liefert eine EMK (elektromotorische kraft, zu deutsch: elektrische spannung aufgrund des gleichzeitig gegebenen generator-effekts) deren betrag drehzahl-proportional ist.
Den sensor für die rückmeldung der "ist-drehzahl" gibt es hierbei also zum nulltarif!
Aus der lastabhängigen differenz: "soll-drehzahl minus ist-drehzahl", die an einem internen summationspunkt anfällt und ca. 250 mal pro sekunde abgefragt wird, ergibt sich eine regeldifferenz, die den regelkreis veranlasst, die erkannte abweichung zu null zu machen. Dies geschieht durch die pulsbreiten-modulation, d.h. die betriebsspannung wird durch einen schalttransistor ohne nennenswerte eigenverluste (daher ohne kühlblech) ca. 250 mal pro sekunde dem motor aufgeschaltet, und die dauer der jeweiligen bestromung (pulsweite) gleichzeitig variiert.
Als vorteile ergeben sich:
- gute konstanz der drehzahl, dies über einen sehr weiten drehzahlbereich. Damit können z.b. beim plattform-nachführen auch evtl. vorhandene motoren eingesetzt werden, deren getriebe nicht optimal ausgelegt sind.
- vibrationsfreier gleichlauf, wie er beim schrittmotor erst durch die aufwendige einführung des mikroschritts möglich wird, und dies über einen realistischen temperaturbereich. Nach meiner erfahrung mit schrittmotoren als alternative läuft die schaltung ruhiger als ein schrittmotor im achtel-schritt-betrieb.
- keine konstruktiven vorkehrungen notwendig, um resonanzen von laufgeräuschen (tackern, summen, vibrieren, wie beim schrittmotor im üblichen halbschritt-betrieb gegeben) zu verhindern.
- mehr freiheitsgrad bei der gestaltung der plattform, da der schwerpunkt des teleskops nicht mehr so genau durch die polachse gehen muss. Damit sollten mehr als ein bestimmtes teleskop auf der vorgesehenen plattform verwendbar werden.
- geringer eigenverbauch der schaltung: unsere ausführung verbraucht bei 12 V versorgung nur 8 mA.
- bei verwendung einer vorgefertigten leiterkarte ergibt sich ein sicherer nachbau, auch durch den nichtelektroniker ausführbar.
- einfachste nachrüstung: zwei schraubklemmen für die versorgung, zwei klemmen für den motor, fertig.
- die leitungen zum motor gehen in den regel-algorithmus mit ein, so dass diese drähte lang und dünn sein können, da der spgs-abfall auf ihnen ebenfalls ausgeregelt wird. Das board muss also nicht zwingend in direkter nähe des motors angeordnet sein (sollte man aber nicht übertreiben, da sonst störungen das EMK-messsignal beeinträchtigen können)
- schaltung besteht aus preisgünstigen serienbauteilen (TL494: ca. 0,35Euro)
Nachteilig:
- 12V versorgung, die allerdings auf 7V abgesenkt werden kann, wenn der motor auch damit die gewünschte drehzahl erreicht.
- bei sehr leichtem, motorabhängig ausgeprägtem summen (der ca. 250 Hz-PWM grundtakt) ergibt sich eine leichte unruhe des laufenden motors, die sich durch das "feste" eingespanntsein in den regelkreis ergibt. Dieses geräusch ist allerdings so gering, dass es in den laufgeräuschen des low-lost-stirnradgetriebes untergeht.
- soll-drehzahl für das siderische nachführen muss einmalig am poti eingestellt werden, wozu eine messung an der motorwelle nötig ist. Im vergleich hierzu kann ein schrittmotor-antrieb digital und per software auf die gewünschte drehzahl programmiert werden, ohne messen zu müssen. Alternativ könnte auch eine anpassung der drehzahl ohne drehzahl-messgeräte während der nachführung "am stern" erfolgen.
Vor dem testlauf auf dem bremsstand wurde das getriebe abgenommen und auf das damit offenliegende zahnritzel eine kleine aluscheibe gepresst, auf deren umfang eine gedrucktes impulsmuster geklebt wurde. Die drehzahl wird mit einer glasfaserlichtschranke und einem frequenzmesser gemessen.
Hier die ergebnisse unserer bremstest-versuche, wobei der RB-35 eingesetzt wurde. Belastet wurde relativ, d.h. in vielfachen der lasteinheit: "1 Stück M4-schraube". Zuvor wurde das eigengewicht des hebelarms austariert.
Leerlauf: : 647,2 Hz, entspricht 2157 upm 100,0%
2 schraube belastung: : 649,8 " 100,4%
3 " " : 648,4 100,2%
4 " " : 643,6 99,4%
5 " " : 642,6 99,3%
6 " " : 619,0 95,6%
Zur erklärung: zwischen dem frequenzwert und dem upm-wert stehen die festen faktoren: 18 licht-pulse / 360 grad an der bremsscheibe, faktor 60 zwischen sekunde (Hz => 1/sec) und minute (upm => 1/min).
Am ende dieser messreihe war der motor leicht temperiert, die bremsscheibe hatte geschätzt ca. 60 grad C (grenze der berührbarkeit mit dem finger). Es ist zu vermuten, dass der antrieb in einer plattform einer belastung zwischen einer bis zwei schrauben entspricht.
Zur relativierung dieser drehzahlkonstanz sei folgende anwendung genannt: siderisches nachführen mit einem teleskop des bildwinkels 0,5 grad (mond sei formatfüllend) über zwei stunden. Das objekt soll dabei nicht mehr als 1/4 grad aus dem bildfeld wandern (die erddrehung beträgt 15 grad/h): 1/4 grad geteilt durch 2*15 grad ergibt eine notwendige drehzahlkonstanz von 0,84%.
Ein weiterer bremstest dokumentiert die drehzahlstabilität bei niedrigen drehzahlen. Dabei besteht selbst bei nur wenigen hundert upm ein enormes durchzugsvermögen an der welle! Ich hatte dazu die pulsierende spannung an den klemmen des motors im regelkreis gemessen: nur 1,7 V (wobei vorsicht geboten ist: der wirkliche effektivwert dieser spannung liesse sich nur mit einem dreheisen-voltmeter korrekt bestimmen).
An DC 1,7 Volt (am stabilisiertem netzteil, aber bei ungeregeltem motorlauf) hingegen kann man ihn mit den fingern mit leichtigkeit anhalten.
Für den nachstehenden schleichgang-test wurde der motor im regelbetrieb (leerlauf) auf 1,8 V (pulsbreitenmoduliert) an den klemmen eingestellt.
Leerlauf : 263,4 Hz (878 upm)
5 schrauben: 259,2 Hz (1,6% drehzahlabfall)
Nun der ungeregelte betrieb, der motor hängt direkt am stab. netzteil, spannung am motor ca. 1,3 V
Leerlauf : 261,6 Hz (872 upm)
5 schrauben : 208,4 Hz (20,3% drehzahlabfall) !
Solch eine drehzahlkonstanz gegenüber der geregelten spannungsversorgung vom ca. 12-fachen ist schon sehr erfreulich.
Temperaturverhalten: Zu dieser messung wurde bei raumtemperatur eine niedrige drehzahl von ca. 1000 upm am RB-35 eingestellt. Belastet wurde mit drei schrauben. Der zugehörige frenquenzwert am pulsrad lautete: f = 1000 upm / 60s * 18 pulse/umdr. = 300 Hz Diese frequenz wurde am f-meter wegen seiner kurzzeit-schwankungen mehrfach in zufälliger folge abgelesen und der mittelwert errechnet: 312,1 Hz
Nun wurden die komponenten: belasteter bremsstand mit motor, PWM-schaltung und lichtleiterauswertung des o.g. aufbau ins drei-sterne-kühlfach eines kühlschranks verlegt. Die lochraster-platine mit der schaltung darauf lag frei auf einer isolierenden unterlage, war also der kälte unabgeschirmt ausgesetzt.
Die gemessene frequenz (drehzahl) nach einer stunde (bei ca. -18 grad C): 311,3 Hz (praktisch gleich).
Dazu ist zu sagen, dass es den TL494 in zwei versionen gibt: für umgebungstemperatur 0 bis +70 grad C bzw. -25 bis +85 grad C. Hier wurde die erste version verwendet.
Als vorerst letzter punkt unseres projekts wurde geprüft, mit welcher minimalen betriebsspannung die PWM-schaltung betrieben werden kann. Da sich eine eingebaute 5V-spgs-referenz im TL494 befindet, hat der hersteller die minimale betriebsspannung lt. datenblatt auf 7V festgelegt.
Nach dem kältetest senkte ich einzig die betriebspg. von 14,7 auf 7,5 V ab. Daraufhin stieg die drehzahl auf 319,3 Hz. (2,3% höher), was 1064 upm entspricht. Die geregelte motorspannung wurde mit 3,2 V gemessen.
Das auflegen einer vierten schraube erbrachte eine frequenz von 324,0 Hz (1,4% mehr als gegenüber drei schrauben belastung). Damit reagiert die schaltung auf laständerung an der unteren grenze der betriebsspannung deutlich stärker. Und nun können nicht mehr so hohe drehzahlen eingestellt werden, was aber in dieser anwendung sowieso wenig sinn macht: im sinne eines geräuscharmen laufs besser einen motor mit weniger untersetzung bei geringerer drehzahl laufen lassen.
Stromverbrauch: bei 12 V betriebsspg. und 2 schrauben (geschätzte plattformlast) beträgt der strom bei ca. 1000 upm gerade mal 46 mA, bei 5 schrauben 89 mA., das macht ein halbes bis ein Watt leistungsaufnahme, damit deutlich weniger als bei einer schrittmotoranwendung. Mit drei stück 4,5V flachbatterien könnte man schon einige stunden nachführen.
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Ekkehard ist dabei, die schaltung mit dem EAGLE-layouter auf eine kleinformatige leiterplatte zu routen. Damit sollte sich die PWM-verwendung für einen grösseren kreis selbstbauer eröffnen, auch wenn sie nur über geringe löterfahrung verfügen und mit elektronik nicht bewandert sind.
V.g. Lutz
