Fachbereich Nachrichtentechnik WS / SS Praktikum: Grundlagen Art und Nr. des Versuchs: Gruppen Nr.: Drehzahlsteller Name Vorname Vortestat Note Spätester Abgabetermin: Abgegeben am: Bemerkung: Anerkennung: Datum: Unterschrift: Testat ist keine Gewähr für fehlerfreie Arbeit! File: GP_FVT_Drehzahlsteller.sdw, Seite 1 von 6
Versuch: Drehzahlsteller Beim Einsatz elektromechanischer Systeme (Mechatronik) besteht auf der Aktuator-Seite oft die Notwendigkeit, Einzelne Lasten zu regeln bzw. zu verstellen. Diese Lasten können sein: Gleichstrommotore, Ventile Heizelemente andere magnetische Antriebe (Kupplungen...) Unter Regelung ist in diesem Zusammenhang eine analoge Einstellmöglichkeit eines Aktuators zu verstehen. Das bedeutet, die im Aktuator umgesetzte elektrische Leistung muß analog einstellbar sein. Damit lassen sich dann z.b. Motore in der Drehzahl steuern. Der einfachste Weg, dieses zu erreichen wäre, eine veränderbaren Widerstand vor den Aktuator zu schalten: Vorwiderstand Rv Ub = 12 V Bild 1 Last R Das hat jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass je nach Lastsituation im Aktuator (Last R) eine große Verlustleistung Pv im Vorwiderstand Rv entsteht, siehe folgendes Diagramm: File: GP_FVT_Drehzahlsteller.sdw, Seite 2 von 6
160 analoge Ansteuerung, Rl = 1 Ohm, UB = 12 V 140 120 P in Watt 100 80 60 ILast Pv Pl 40 20 0 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0, 0 Rv in Ohm Diese Verlustleistung ist nicht tolerierbar, da sie in aller Regel die elektronischen Systeme zu stark aufheizt und die elektronischen Bauelemente gefährdet sind. Daher ist diese Vorgehensweise auf einige wenige Ausnahmen beschränkt. In fast allen anderen Fällen wird eine andere Methode verwendet, um Aktuaroren analog in ihrer Leistung zu regeln. Die Grundidee ist dabei, einen Aktuator nur eine kurze Zeit lang einzuschalten um danach eine gewisse Schaltpause einzulegen. Da der Aktuator nur in der Schaltphase Strom (und damit eine elektrische Leistung) aufnimmt, kann man durch das Verhältnis K v von Einschaltzeit t ein zu Ausschaltzeit t aus die im Aktuator umgesetzte elektrische Leistung P Last einstellen. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch mit einer bestimmten Frequent F s bzw. Periodendauer t s. Während der Einschaltzeit t ein ist das Schaltelement (in der Regel ein Hochlast-Transistor) maximal durchgestuert mit der Folge, dass in diesem Bauteil fast keine Verlustleistung mehr entsteht (siehe das obige Diagramm bei R v = 0 Ohm). Durch Veränderung des Takt- zu Pausen-Verhältnisses K v = 100 * t ein / t s ( in %) im Bereich von 0 % bis 100 % kann ein Aktuator also von 0 % bis 100 % analog angesteuert werden, ohne dass eine nennenswerte Verlustleistung entsteht. Diese Art der Ansteuerung wird mit bezeichnet. Puls- Weiten- Modulation (Pulsw- Width- Modulation) oder PWM Diese PWM ist Gegenstand weitere Untersuchungen in diesem Versuch. File: GP_FVT_Drehzahlsteller.sdw, Seite 3 von 6
In diesem Versuch wird als Aktuator ein kräftiger Klimaventilator aus einem PKW mit mehr als 120 W Leistungsaufnahme an 12 V verwendet, der eine erhebliche Luft-Förderleistung besitzt.!!! ACHTUNG!!! Obwohl sich dieser Ventilator innerhalb eines Schutzkäfigs befindet ist erhöhte Vorsicht geboten. Jegliche Art von Beschädigung des Ventilators bzw. des Käfigs kann gefährlich werden. Vor jedem Versuchteil muß daher das Laborpersonal die Aufbauten überprüfen! Außerdem ist zu beachten, dass bei diesem Versuch in einigen elektrischen Verbindungen erhebliche Ströme fließen, die bei unsachgemäßem Aufbau zur Zerstörung von Messgeräten führen können. Bei Unsicherheiten im Aufbau ist vor Einschalten der Energieversorgung unbedingt das Laborpersonal zu rufen. Für die weiteren Messaufgaben werden verwendet: Labornetzteil mit hoher Ausgangsleistung Labornetzteil mit kleiner Leistung Funktionsgenerator zur Erzeugung der PWM-Frequenz Multimeter optische Lichtschranke zur Feststellung der Drehzahl des Lüfters Elektronischer Hochlast-Schalter zur Erzeugung der PWM Oszilloscope Das Bild 2 zeigt den Versuchsaufbau. Versuchsdurchführung: ACHTUNG! Bei diesem Versuch ist es wichtig, einen übersichtlichen Aufbau durchzuführen um Fehlverkabelungen, die erheblichen Schaden anrichten können, zu vermeiden. Zuerst das komplette Massesystem verkabeln, erst danach die Versorgungsspannungen!!! Folgende Aufgaben sind durchzuführen: File: GP_FVT_Drehzahlsteller.sdw, Seite 4 von 6
Teil 1: Drehzahlmessung bei Gleichstrom: Unter Verwendung der optischen Lichtschranke kann die Umdrehungszahl des Lüfters bei verschiedenen Versorgungsspannungen gemessen werden. - Messung der Drehzahl D in U/min und des Stromes I l (am Amperemeter des Netzteils) für den Versorgungsspannungsbereich U B = 6 V bis U B = 13 V in 1 V Schritten. - Darstellung der Kurven Drehzahl D und Strom I l über U B in einem Diagramm: D = f ( U B ) und I l = f ( U B ) Teil 2: Drehzahlmessung unter Verwednung der Puls-Weiten-Modulation (PWM) Die Frequenz der PWM bei diesem Versuch beträgt 150 Hz, die Betriebsspannung U B = 12 V. Drehzahl bei K v = 10 %: - Stellen Sie den Versuchsaufbau her - Verbinden Sie die Plus-Versorgung des Lüfters aber noch nicht mit dem Leistungsschalter - Stellen Sie mittels des Funktionsgenerators ein PWM-Signal von K v = 10 % mit folgenden Parametern ein, (Kontrolle am Kanal A des Oszilloscopes): Amplitude = 5 V, ( Signal von 0 V bis + 5 V ) Rechtecksignal, - Verbinden Sie den Lüfter mit dem Versuchsaufbau - Messen Sie die Drehzahl mittels der Lichtschranke, wie in Teil 1 des Versuches (Verwendung des Kanals B des Oszilloscopes) Drehzahl über den vollen PWM-Bereich: - Verändern Sie den PWM-Faktor K v von 10 % bis 90 % in 10 % Schritten und messen Sie die dazugehörigen Drehzahlen D. - Stellen Sie die Drehzahlen D = f ( K v ) in einem Diagramm dar. Zusätzliche Auswertung: Aus dem Aufgabenteil 1 ist bekannt, welche Betriebsspannung U B bei reinem Gleichstrom eine bestimmte Drehzahl D hervorruft: D = f ( U B ). Generieren Sie aus der Messkurve D = f ( K v ), Versuchsteil 2, und D = f ( U B Kurve: U B = f ( K v ). Was beschreibt diese Kurve bzw. wozu kann sie verwendet werden? ), Versuchsteil 1, eine File: GP_FVT_Drehzahlsteller.sdw, Seite 5 von 6
+30 IN - 31 elektronischer Leistungs- Schalter Lichtschranke: Fototransistor Lichtschranke: Lichtquelle Hochlast-Netzteil 12 V, 40 A Grundlagenpraktikum FVT Prof. Dr.-Ing. M. Krüger Versuchsaufbau: Drehzahlsteller + 5 V 100 Hz 0 V Impuls- Generator Kanal A Kanal B BTS 555 PRO-FET Oszilloscope + - + Labor-Netzteil 12 V - Bild 2 OUT Lüfter Seite 6 von 6