f E M O R A L

Ansteuerungsschaltung


VON FELIX, MORITZ, ERSTELLT AM 21.10.2012, ZULETZT GEÄNDERT VON MORITZ AM 29.12.2013


Die Ansteuerungsschaltung

Da es einen positiven Einfluss auf den Fahrkomfort hat, wenn man nicht nur mit Vollgas oder ohne Antrieb fahren kann, haben wir uns dazu entschlossen, für den Motor eine Ansteuerungsschaltung zu entwerfen, mit der sich die Leistung (nahezug) Stufenlos regeln lässt. Bei einem Verbrennungsmotor ist es recht einfach: Da der Energieträger im Motor vollständig in Wärme und mechanische Energie umgesetzt wird, kann man einfach die Menge des Energieträgers pro Zeit minimieren, um den Leistungsumsatz zu verringern. Das ist bei Flüssigkeiten wie Benzin auch kein Problem, um elektrische Leistung effektiv und effizient zu Regeln, ist ein sogenannter Schaltregler erforderlich. Ich verwende Mikrocontroller vom Hersteller Atmel, um das für den Vierquadrantensteller benötigte PWM-Signal zu erzeugen und z.B. die Gaspedalstellung digital zu erfassen.

Einquadrantensteller

Der einfachste und daher erste Schritt war der Einquadrantensteller. Für diesen ist nichts außer einem Transistor, einer Freilaufdiode, einer Induktivität und einem Signalgeber (in meinem Fall der Mikrocontroller) erforderlich. Ich habe einen n-Kanal Feldeffekttransistor vom Typ IRF3205 verwendet, um die Induktivität gegen Ground (GND) zu schalten.Eine Freilaufdiode ist in Sperrrichtung parallel zur Induktivität geschaltet und dient dazu, den Strom beim nach abschalten des Transistors durch die Induktivität weiter fließen zu lassen. Würde die Freilaufdiode fehlen, entstände nach abschalten des Transistors eine unerwünschte Spannungsspitze. Dadurch, dass der Strom weiter fließen kann, geht die induzierte Spannung in der Spule nur langsam zurück, bis der Transistor wieder durchschaltet und die Spule wieder Strom aus der Batterie bekommet. Bei der Motorsteuerung kann man die Induktivität der Motorwicklung zum Glätten der Spannung verwenden.

Nachteilig wirkt sich bei dieser Konstruktion der Spannungsabfall an der Diode aus. Dieser Beträgt etwa 0,7V bei einer Siliziumdiode und 0,4V bei einer Schottkydiode. Das klingt zunächst harmlos - fließen jedoch 30 Ampere durch eine Schottkydiode, so werden mindestens 12 Watt (30A x 0,4V) an Leistung an der Diode verheizt. Ohmsche Verluste in der Diode sind dabei noch nicht mit berücksichtigt.

Zweiquadrantensteller

Abhilfe schafft ein zweiter Transistor, der immer dann durchgeschaltet wird, wenn der erste sperrt und immer dann sperrt, wenn der erste durchgeschaltet wird. Durch ihn kann der Strom durch die Motorwicklung weiterfließen, wenn der erste Transistor sperrt. Da am Transistor keine 0,4V abfallen, entfällt der durch die Flussspannung der Diode bedingte Verlustleistung. Dieser Vorteil ist vor allem dann bedeutend, wenn die Schaltung mit geringen Spannungen und hohen Strömen betrieben wird. Betreibt man einen Motor mit 10V, dann sind die 0,4V Spannungsabfall an der Diode viel gravierender als bei einem Motor, den man mit 500V betreibt.
Praktischerweise bringt der ATTiny26 die Möglichkeit, ein PWM-Signal zu invertieren, von Haus aus mit.

Ein weiterer Vorteil des Zweiquadrantenstellers ist, dass beim Abbremsen Energie zurück gespeist wird (Nutzbremsung). Dadurch muss beim Bremsen die kinetische Energie des Fahrzeuges nicht in Wärme verwandelt werden, sondern kann dazu genutzt werden, nach dem Abbremsen wieder zu beschleunigen.

Vierquadrantensteller

Möchte man auch Rückwärts fahren, muss man den Strom auch in die andere Richtung durch den Motor fließen lassen können. Dafür wird der sogenannte Vierquadrantensteller eingesetzt. Er besteht genau genommen aus zwei Zweiquadrantenstellern, einer auf jeder Seite des Motor. Zieht verbindet man über einen der zwei Zweiquadrantensteller den Motor mit Ground ("Minuspol") und legt ein PWM Signal auf den anderen Zweiquadrantensteller, dann beginnt der Motor sich mit der durch das Tastverhältnis eingestellten Geschwindigkeit zu drehen. Schaltet man nun den ersten Zweiquadrantensteller um, dann dreht sich der Motor in die andere Richtung.


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