Pulsweitenmodulierte (PWM) Leistungsausgänge von Steuerungen zur Motorversorgung sind heutzutage Stand der Technik. Die Leistungsendstufe schaltet die Motorspannung in sehr schnellen Zyklen EIN und AUS bzw. die positive und negative Versorgungsspannung in jedem PWM-Zyklus für eine bestimmte Zeitspanne auf die Motorwicklung. Die PWM-Frequenz ist dabei typischerweise in einem Bereich zwischen 20 kHz und bis zu 100 kHz.
Die Motorspannung ergibt sich hierbei nicht (wie bei sogenannten Linearreglern, die früher teilweise im Einsatz waren) über den Spannungsabfall eines veränderlichen "elektronischen Widerstand" der Leistungsendstufe, sondern durch das permanente, schnelle Umschalten der Versorgungsspannung am Motor über die MOSFETs der sogenannten H-Brücke. Es ergibt sich hierduch eine durchschnittliche Motorspannung in jedem PWM-Zyklus, welche die Motordrehzahl bestimmt.
Die Verluste in der Leistungselektronik sind bei einer solchen PWM-basierenden Motoransteuerung sehr klein, weil jeder MOSFET wie ein Ein/Aus-Schalter funktioniert. Dies bedeutet, dass der MOSFET entweder abgeschaltet ist (d. h. es in diesem Zweig der H-Brücke keinen Stromfluss gibt) oder der MOSFET vollständig leitend ist (d.h. der Innenwiderstand nahe 0 Ohm ist und somit kein Spannungsabfall und keine Verlustleistung auftritt).
Der prinzipielle Vorteil von PWM-basierenden Leistungsendstufen ist der sehr hohe Wirkungsgrad (von bis zu 98 % und mehr) sowie die sehr kompakten Abmessungen, ohne dass es selbst bei hohen Strömen zu einer starken Erwärmung der Elektronik kommt.
Im Motor erzeugen PWM-gesteuerte Spannungen jedoch einen
Stromrippel der
Stromwärmeverluste in der Wicklung und Wirbelstromverluste im
Eisenkern
verursacht. In der Folge kann sich der Motor zusätzlich erwärmen. Eine solche deutliche Erwärmung kann im Falle einer 2-Punkt PWM sogar im Stillstand ohne
Drehmomentabgabe des Motors der Fall sein.
quelle: Jürgen Wagenbach, Maxon Motor GmbH
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Eine der wichtigsten Anwendungen für PWM-Stufen ist die direkte Ansteuerung von Motoren. Der große Vorteil von PWM ist auch hier wieder der hohe Wirkungsgrad. Würde man stattdessen einen Digital-Analog-Wandler mit einem nachgeschalteten analogen Verstärker zur Ansteuerung verwenden, würde im Verstärker eine höhere Verlustleistung in Wärme umgewandelt werden. Ein digitaler Verstärker mit PWM hat dagegen geringere Verluste. Dieder Oberwellen im Signal spielen bei der Motorentechnik in der Regel keine Rolle, da hier noch mechanische Trägheiten zur effektiven Glättung beitragen. Die verwendete Frequenz liegt meist im Bereich von einigen 10 kHz. Zur Berechnung der Drehzahl eines Motors kann im Normalfall der Mittelwert der PWM-Spannung als Betriebsspannung angenommen werden.
Bei Leistungsanwendungen spielen die Transienten der ansteuernden Rechteckimpulse jedoch dahingehend eine Rolle, dass sie die Verluste der Schaltelemente (MOSFETs) in die Höhe treiben und die ungefilterten Anteile in den Motoren zu Schwingungen führen, weil Resonanzen angeregt werden können.
quelle: Mikrocontroller.net
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Ein PWM-fähiges Gerät behält das vom Benutzer definierte Tastverhältnis bei, und in einigen Fällen kann der Benutzer jederzeit Änderungen der Pulsbreite programmieren. Mathematisch gesehen ändern die PWM-fähigen Geräte das Ausgangssignal so, dass eine "durchschnittliche" Spannung erzeugt wird. Ein Signal, das auf 50 % Tastverhältnis eingestellt ist, reduziert die einer Last dargebotene durchschnittliche Spannung ungefähr um 50 %. Dies ist jedoch in den meisten Fällen nicht praktikabel, da die Geräte nicht 100% genau sind. Ein besser zu berücksichtigendes Maß wäre eine Messung des Effektivwertes (root mean square, RMS). Viele Multimeter und andere Messgeräte können Messungen des Effektivwerts durchführen. In einer Simulation mit LTSpice bietet z.B. ein 5VDC-Signal bei 50% Tastverhältnis und einer Aktualisierungsrate von 60 Hz eine effektive Spannung von 3,57 V. Ich habe auch eine Last hinzugefügt, die in der gleichen Simulation typischerweise 1 A ohne PWM-Impuls ziehen würde, sie ergab bei 50% Tastverhältnis etwa 714 mA(eff).
quelle: Kaleb Kohlhase, DigiKey Germany GmbH