Ein kompletter Leitfaden zur Drehzahlregelung von DC-Motoren

Ein Gleichstrommotor ist eine Maschine, die Strom in Bewegung umwandelt. Es ist eine sehr einfache und gängige Art von Motor. Aber wie kann man seine Drehzahl verändern? Das nennen wir Drehzahlregelung für Gleichstrommotoren. Zu wissen, wie man die Motordrehzahl steuern kann, ist für jedes Projekt sehr wichtig. Das gilt sowohl für kleine Dinge wie Roboter als auch für große Dinge wie Fabrikmaschinen. Dieser Artikel zeigt Ihnen, wie Sie die Drehzahl auf einfache Weise regeln können. Du wirst die verschiedenen Möglichkeiten kennenlernen, die es gibt. Wir behandeln alles von der einfachen Spannungssteuerung bis hin zu fortgeschrittenen Methoden, die schnelle Stromimpulse verwenden. Dieser Leitfaden macht es jedem leicht zu lernen, wie die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren funktioniert.

Was ist ein Gleichstrommotor und wie funktioniert er eigentlich?

Ein Gleichstrommotor ist ein Gerät, das elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt. Er verwendet eine Art von Elektrizität, die Gleichstrom (DC) genannt wird. Dies ist die Art von Strom, die man von Batterien erhält. Die Funktionsweise von Gleichstrommotoren ist im Grunde ganz einfach. Im Inneren eines Gleichstrommotors befinden sich eine Drahtspule und ein Magnet. Wenn Strom durch die Spule fließt, erzeugt er ein Magnetfeld. Dieses neue Magnetfeld stößt gegen das Feld des Magneten. Dieser Druck bewirkt, dass sich der mittlere Teil des Gleichstrommotors dreht.

In einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor gibt es ein Teil, das Kommutator genannt wird. Dieser Teil hilft dem Motor, sich weiter zu drehen. Der Kommutator ist ein spezieller Schalter. Mit jeder halben Umdrehung ändert er die Richtung des Stroms, der zur Spule fließt. Dadurch werden die magnetischen Kräfte in die richtige Richtung gelenkt. Infolgedessen dreht sich der Gleichstrommotor weiter. Die Geschwindigkeit des Gleichstrommotors hängt von der Spannung ab, die Sie ihm geben. Je höher die Spannung, desto schneller dreht er sich. Diese einfache Regel ist der Ausgangspunkt für alle Drehzahlregelungen von Gleichstrommotoren. Anders als bei einem Wechselstrommotor, der eine ganz andere Art von Strom verwendet. Ein Gleichstrommotor ist eine gute Wahl für viele verschiedene Projekte.

Warum ist die Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors so wichtig?

Die Möglichkeit, die Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors zu steuern, ist eine sehr große Sache. Denken Sie nur an ein Spielzeugauto. Sie wollen, dass das Auto schnell fährt, aber Sie wollen auch, dass es langsam fährt. Gäbe es keine Drehzahlregelung für den Motor, hätte er nur eine Geschwindigkeit: so schnell wie möglich. Die Drehzahlregelung ermöglicht es, dass der Gleichstrommotor genau das tut, was Sie von ihm verlangen. Diese Art der exakten Steuerung benötigen Sie für Roboter, Lüfter, Pumpen und viele andere Geräte. Ein Roboterarm zum Beispiel muss sich manchmal langsam und mit großer Sorgfalt bewegen. Zu anderen Zeiten muss er sich sehr schnell bewegen.

Eine gute Motorsteuerung hilft Ihnen auch, Strom zu sparen. Wenn Sie einen Gleichstrommotor die ganze Zeit mit Höchstgeschwindigkeit laufen lassen, verbraucht er viel Energie. Wenn Sie die Geschwindigkeit an die jeweilige Aufgabe anpassen, verbrauchen Sie weniger Strom. Dies ist besonders wichtig für alle Geräte, die mit Batterien betrieben werden. Mit der richtigen Steuerung und Kontrollmethode kann Ihr Projekt besser funktionieren, ohne Energie zu verschwenden. Die richtige Einstellung der Drehzahl kann auch dazu führen, dass der Gleichstrommotor und seine Teile nicht so schnell verschleißen. Dies trägt dazu bei, dass sie länger halten. Das Erlernen der Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren ist eine sehr nützliche Fähigkeit.

Wie lässt sich die Geschwindigkeit von Gleichstrommotoren am einfachsten steuern?

Die einfachste Art, die Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors zu steuern, ist die Änderung des Widerstands im elektrischen Pfad. Sie können dies tun, indem Sie dem Strom, der zum Gleichstrommotor fließt, einen Widerstand in den Weg legen. Wir nennen diese Methode Widerstandssteuerung. Ein einfacher Weg, dies zu tun, ist die Verwendung eines variablen Widerstands. Wenn Sie die Einstellung des Widerstands ändern, ändern Sie, wie viel Spannung an den Gleichstrommotor gelangen kann.

Diese Art der Geschwindigkeitskontrolle ist sehr einfach, hat aber einige große Probleme. Der Widerstand wird sehr heiß. Das liegt daran, dass er einen großen Teil der elektrischen Leistung in Wärme umwandelt. Diese Wärme ist reine Energieverschwendung. Wenn die Arbeit des Gleichstrommotors schwerer oder leichter wird, ändert sich auch seine Geschwindigkeit. Wenn der Gleichstrommotor härter arbeiten muss, steigt das Lastmoment, und der Motor wird langsamer. Diese Methode ist für sehr einfache Drehzahlaufgaben geeignet. Für die meisten Projekte werden Sie jedoch eine bessere Methode zur Steuerung Ihres Gleichstrommotors benötigen.

Wie ändert sich die Motordrehzahl durch eine Änderung der Spannung?

Die Drehzahl eines Gleichstrommotors steht in direktem Zusammenhang mit der Höhe der Spannung, die er erhält. Das heißt, wenn Sie die Versorgungsspannung erhöhen, erhöht sich auch die Motordrehzahl. Wenn Sie die Spannung verringern, sinkt die Motordrehzahl. Dies ist die einfachste und wichtigste Regel der Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren. Diese Methode hat einen Namen: Spannungssteuerung oder Steuerspannungssteuerung. Man kann einen Gleichstrommotor steuern, indem man ihn an eine Stromversorgung anschließt, mit der man die Ausgangsspannung ändern kann.

Stellen wir uns eine einfache Schaltung für einen Gleichstrommotor vor. Wenn die Spannung hochgedreht wird, fließt eine Menge Strom durch die Spule. Dadurch entsteht ein starkes Magnetfeld, das den Gleichstrommotor sehr schnell drehen lässt. Wenn man die Spannung senkt, kann nicht mehr so viel Strom fließen. Dadurch wird das Magnetfeld schwächer, und der Gleichstrommotor dreht sich langsamer. Auf diesen Zusammenhang zwischen Spannung und Motordrehzahl kann man sich verlassen. Die Schwierigkeit besteht darin, eine gute Möglichkeit zu finden, die Spannung so zu ändern, dass keine Energie verschwendet wird. Allein durch die Verwendung eines Widerstands wird eine Menge Energie verschwendet. Aus diesem Grund haben kluge Köpfe bessere Schaltungen entwickelt, um die Spannung für jeden Gleichstrommotor zu steuern.

Was ist Pulsbreitenmodulation (PWM) und warum ist sie eine bessere Methode zur Geschwindigkeitssteuerung?

Die Pulsweitenmodulation, oft auch PWM genannt, ist eine viel bessere Methode zur Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors. Anstatt einfach nur die Spannung zu senken, schaltet ein PWM-Controller den Gleichstrommotor in einem sehr schnellen Tempo ein und aus. Er sendet eine Reihe von schnellen Stromstößen. Die "Pulsbreite" gibt an, wie lange jeder Stromstoß dauert. Wir nennen dieses Ein-Aus-Muster das Tastverhältnis. Ist die "Einschaltzeit" lang, erhält der Gleichstrommotor mehr Strom und dreht sich schneller. Ist die Einschaltdauer kurz, erhält er weniger Strom und dreht sich langsamer.

Diese Methode funktioniert sehr gut und verschwendet nicht viel Strom. Der Schalter im Antriebskreis ist entweder ganz ein- oder ganz ausgeschaltet. Daher geht nur sehr wenig Energie in Form von Wärme verloren. Das PWM-Signal lässt den Gleichstrommotor so tun, als ob er eine konstante, niedrigere Spannung bekäme. Wenn der Strom beispielsweise die Hälfte der Zeit eingeschaltet ist (was einem 50%-Tastverhältnis entspricht), verhält sich der Gleichstrommotor so, als würde er die Hälfte der vollen Spannung erhalten. Mit PWM können Sie die Motordrehzahl sehr genau steuern. Viele neue Systeme zur Motorsteuerung verwenden PWM zur Steuerung eines Gleichstrommotors. Dies ist eine sehr häufige Wahl unter allen Steuerungstechniken.

Gibt es verschiedene Arten von Gleichstrommotoren, die Sie steuern können?

Ja, es gibt einige Hauptarten von Gleichstrommotoren. Die am häufigsten anzutreffenden sind bürstenbehaftete Gleichstrommotoren und bürstenlose Gleichstrommotoren. Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor ist eine einfache und kostengünstige Wahl. Er verwendet kleine Kohlenstoffblöcke, die Bürsten genannt werden, und einen Kommutator, um den Strom an das sich drehende Teil zu übertragen. Diese Motoren sind nicht schwer zu steuern. Außerdem haben sie ein hohes Anlaufmoment. Das bedeutet, dass sie gleich beim Anlaufen sehr stark sind. Diese Eigenschaft macht sie zu einer guten Wahl für viele einfache Arbeiten.

Es gibt auch andere Arten von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, wie z. B. Reihen-, Nebenschluss- und Verbundmotoren. Ein Nebenschluss-Gleichstrommotor ist eine Art, bei der die Drähte in einer speziellen Art und Weise verbunden sind, die "parallel" genannt wird. Eine andere Art ist der Permanentmagnet-Gleichstrommotor. Dieser verwendet einen Dauermagneten, um sein Magnetfeld zu erzeugen. Jede Art von Gleichstrommotor hat ihre eigene Art der Handhabung von Geschwindigkeit und Drehkraft. Die Wahl des richtigen Gleichstrommotors hängt davon ab, was Ihr Projekt leisten muss. Die Hauptideen der Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren, wie die Änderung der Spannung, funktionieren bei den meisten von ihnen.

Wie machen bürstenlose DC-Motoren die Dinge besser?

Bürstenlose Gleichstrommotoren, die auch als BLDC-Motoren bekannt sind, sind eine neuere und bessere Art von Elektromotoren. Sie unterscheiden sich von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, weil sie weder Bürsten noch einen Kommutator haben. Stattdessen verwenden sie einen elektronischen Drehzahlregler (oder ESC), um die Stromrichtung in den Spulen zu ändern. Diese Aufgabe übernimmt ein spezieller Antriebsschaltkreis. Ein Sensor, bei dem es sich häufig um einen Hall-Effekt-Sensor handelt, teilt dem Regler mit, wo sich das drehende Teil befindet. Auf diese Weise weiß das Steuergerät, welche Spule als nächste mit Strom versorgt werden muss.

Die Hauptvorteile der bürstenlosen Gleichstrommotoren sind, dass sie gut und ohne Abfall funktionieren und lange halten. Da es keine Bürsten gibt, die sich abnutzen, muss man sie nicht so oft reparieren. Außerdem machen sie weniger Lärm und können mit höherer Geschwindigkeit drehen. Die Drehzahl eines bürstenlosen Gleichstrommotors wird von einem elektronischen Regler gesteuert. Dieser Regler verwendet häufig PWM. Der Controller kann das Timing und die Einschaltdauer der Stromstöße ändern, die an die Motorspulen geleitet werden. Obwohl bürstenlose Gleichstrommotoren und ihre Steuerungen etwas schwieriger zu handhaben sind, sind sie die erste Wahl für Anwendungen, die die beste Leistung erfordern, wie Drohnen, Elektroautos und Lüfter in Computern.

Was ist eine H-Brücken-Schaltung zur Steuerung von Geschwindigkeit und Richtung?

Eine H-Brücke ist eine besondere Art von elektronischer Schaltung. Sie ermöglicht die Steuerung eines Gleichstrommotors für Vorwärts- und Rückwärtsfahrten. Sie wird auch verwendet, um die Geschwindigkeit des Motors zu steuern. Die Schaltung erhielt diesen Namen, weil die Anordnung der Schalter wie der Buchstabe "H" aussieht. Der Gleichstrommotor ist im mittleren Teil des "H" angeschlossen. Die Schaltung hat vier verschiedene Schalter, bei denen es sich normalerweise um Transistoren handelt. Durch gleichzeitiges Einschalten von zwei Schaltern kann man die Richtung ändern, in der der Strom durch den Gleichstrommotor fließt.

• Um den Motor in eine Richtung zu drehen, schalten Sie ein Schalterpaar ein.
• Um sie in die andere Richtung zu drehen, schaltet man das andere Paar ein. Dies wird als Umkehrung der Polarität bezeichnet.

Eine H-Brückenschaltung eignet sich auch hervorragend für die Verwendung von PWM zur Steuerung der Geschwindigkeit. Sie können ein PWM-Signal an die Schalter senden. Dadurch können Sie die Motordrehzahl in beide Richtungen steuern. So haben Sie die vollständige Kontrolle über die Geschwindigkeit und die Richtung eines Gleichstrommotors. Viele Motorsteuerungschips und Gleichstromantriebe haben bereits eine H-Brückenschaltung eingebaut. Die H-Brückenschaltung ist ein sehr wichtiger Bestandteil für den Betrieb von Robotern und wird auch in vielen anderen Steuerungssystemen verwendet. Man kann eine H-Brückenschaltung auch mit bürstenlosen Gleichstrommotoren verwenden, aber die Antriebsschaltung für sie ist komplizierter.

Welche Art von Steuerung benötigen Sie für einen Gleichstrommotor?

Die Art der Steuerung, die Sie benötigen, hängt von Ihrem Gleichstrommotor ab und davon, was der Motor tun soll. Für ein sehr einfaches Projekt brauchen Sie vielleicht nur einen Schalter und einen variablen Widerstand. Damit der Motor aber besser funktioniert, brauchst du einen elektronischen Drehzahlregler. Ein speziell für Motoren entwickelter Regler kann die Geschwindigkeit mit PWM steuern, ohne Strom zu verschwenden. Einige Regler sind einfache Analogschaltungen. Andere verwenden einen winzigen Computer, z. B. einen Mikrocomputer oder einen Mikrocontroller wie einen Arduino, um die PWM-Signale zu erzeugen. Die Verwendung eines Mikrocomputers bietet Ihnen fortschrittlichere Möglichkeiten zur Steuerung des Motors.

Für bürstenlose Gleichstrommotoren müssen Sie einen speziellen elektronischen Drehzahlregler (ESC) verwenden. Diese Art von Regler kann die komplizierten Schaltvorgänge ausführen, die erforderlich sind, damit sich der Motor dreht. Servomotoren sind eine andere Art von Gleichstrommotoren. Sie haben einen eigenen Steuerkreis, der direkt in sie eingebaut ist. Dies ermöglicht eine sehr genaue Kontrolle über die Position des Motors. Bei der Auswahl eines Reglers müssen Sie darauf achten, dass er mit der für Ihren Gleichstrommotor erforderlichen Spannung und Stromstärke arbeiten kann. Mit einem guten Regler können Sie die Drehzahl und das Drehmoment Ihres Gleichstrommotors sehr genau steuern. Der Regler ist sozusagen das Gehirn Ihres Motors.

Wie verhalten sich Drehzahl, Spannung und Drehmoment bei einem Gleichstrommotor zueinander?

Für die Funktionsweise eines Gleichstrommotors ist es sehr wichtig zu verstehen, wie Drehzahl, Spannung und Drehmoment zusammenwirken. Wie wir bereits besprochen haben, hängt die Drehzahl eines Gleichstrommotors hauptsächlich mit der Spannung zusammen. Das Drehmoment ist jedoch hauptsächlich mit dem Strom verbunden. Das Drehmoment ist die Drehkraft des Motors - man kann es als seine "Stärke" bezeichnen. Wenn der Gleichstrommotor eine schwere Arbeit verrichtet (d. h. das Lastdrehmoment ist hoch), benötigt er mehr Strom. Dieser zusätzliche Strom hilft ihm, mehr Drehmoment zu erzeugen, um diese Aufgabe zu bewältigen.

Wenn Sie Ihren Gleichstrommotor mit einer bestimmten Spannung versorgen, wird er sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit drehen wollen (das ist seine Leerlaufdrehzahl). Wenn Sie den Motor arbeiten lassen, wird er ein wenig langsamer. Außerdem nimmt er mehr Strom auf, um das Drehmoment zu erzeugen, das er für die Arbeit benötigt. Wenn die Arbeit zu schwer ist, kann der Motor aufhören, sich zu drehen. In diesem Fall kann er eine sehr große Strommenge aufnehmen, die ihn zerstören könnte. Ein gutes Drehzahlregelungssystem, insbesondere eines, das einen Drehzahlsensor zur Überprüfung der Drehzahl verwendet, kann die Spannung oder das PWM-Tastverhältnis ändern. Dadurch bleibt die Geschwindigkeit gleich, auch wenn sich das Drehmoment ändert. Für jedes Projekt, das einen Gleichstrommotor verwendet, ist es sehr wichtig zu wissen, wie sich Drehzahl und Drehmoment gegenseitig beeinflussen.

Wichtige Dinge zu beachten

• Die Geschwindigkeit folgt der Spannung: Die einfachste Regel für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren ist, dass die Motordrehzahl direkt von der Spannung abhängt, die Sie dem Motor zuführen.
• PWM funktioniert gut: Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine hervorragende Methode zur Steuerung der Motordrehzahl. Sie funktioniert, indem sie den Strom sehr schnell ein- und ausschaltet. Das hilft, eine Menge Strom zu sparen.
• Gebürstet oder bürstenlos: Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind einfach und kosten nicht viel. Bürstenlose Gleichstrommotoren funktionieren besser, halten länger und sind nicht so laut, aber sie benötigen eine kompliziertere elektronische Steuerung.
• H-Brücke für vollständige Kontrolle: Eine H-Brückenschaltung ist ein Muss, wenn Sie sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung eines Gleichstrommotors steuern müssen.
• Leistung und Strom sind miteinander verbunden: Das Drehmoment bzw. die Drehkraft eines Gleichstrommotors hängt mit der Strommenge zusammen, die er aufnimmt. Für eine härtere Arbeit wird mehr Strom benötigt.
• Wählen Sie den richtigen Controller: Die Art der Steuerung, die Sie wählen, entscheidet darüber, wie gut Sie Ihren Gleichstrommotor steuern können. Die Auswahl reicht von einem einfachen Widerstand bis hin zu einem System, das einen kleinen Computer verwendet.