Die Drehzahl eines Gleichstrommotors hängt neben der Last vor allem von der angelegten Ankerspannung ab. Um diese Spannung verlustarm zu variieren, hat sich die Pulsweitenmodulation als Standardverfahren durchgesetzt.

Grundprinzip: Spannung und Drehzahl

Bei gegebener Last ist die Drehzahl eines Gleichstrommotors näherungsweise proportional zur Versorgungsspannung – dieses Grundprinzip ist die Basis jeder Drehzahlsteuerung. Je nach Bauart unterscheidet sich allerdings, wie stark die Drehzahl unter Last einbricht und wie groß der nutzbare Regelbereich ist.

Wie PWM funktioniert

Bei der Pulsweitenmodulation (PWM) wird die Versorgungsspannung schnell ein- und ausgeschaltet, statt sie kontinuierlich zu reduzieren. Die Induktivität der Ankerwicklung und die mechanische Massenträgheit des Motors glätten diesen Puls, sodass sich der Motor näherungsweise so verhält, als läge eine kontinuierliche Gleichspannung an – deren effektive Höhe vom Tastverhältnis (Verhältnis von Einschalt- zu Periodendauer) abhängt. Dieses Verfahren erzeugt gegenüber einer linearen Spannungsreduzierung deutlich weniger Verlustwärme in der Ansteuerelektronik.

H-Brücke und Drehrichtung

Eine H-Brücke aus vier Schaltern ermöglicht es, den Motor per PWM anzusteuern und zugleich die Drehrichtung umzukehren, ohne die Verkabelung ändern zu müssen. Sie ist die gängige Grundschaltung für die elektronische Ansteuerung von Gleichstrommotoren.

Zu beachten: PWM-Ansteuerung mit steiler Rechteckspannung kann elektromagnetische Störungen (EMV) abstrahlen. Bei niedriger PWM-Frequenz im Bereich von 1–2 kHz kann außerdem ein hörbares Pfeifgeräusch am Motor entstehen – beides sollte bei der Auswahl von Motor und Ansteuerelektronik berücksichtigt werden.

Steuerung oder Regelung?

Eine reine PWM-Steuerung gibt ein festes Tastverhältnis vor und reagiert nicht auf Laständerungen. Soll die Drehzahl unabhängig von der Last konstant bleiben, muss sie gemessen und über eine Rückkopplung auf die Versorgungsspannung zurückgeführt werden – erst dieser geschlossene Regelkreis macht aus einer Steuerung eine Regelung. Wie sich unterschiedliche Betriebsarten auf die thermische Belastung bei häufigem Anfahren und Bremsen auswirken, erklärt unser Artikel zu Betriebsarten S1–S3.

Welche Angaben helfen bei der Auswahl der Ansteuerung?

  • Gewünschter Drehzahlbereich und geforderte Regelgenauigkeit
  • Erforderliche Drehrichtungsumkehr
  • Zulässige EMV-Störaussendung der Anwendung
  • Vorhandene Versorgungsspannung und Leistungselektronik
  • Rückführung: Ist eine Drehzahl- oder Strommessung vorhanden?

Häufige Fragen

Wie hängt die Drehzahl eines Gleichstrommotors von der Spannung ab?

Bei gegebener Last ist die Drehzahl eines Gleichstrommotors näherungsweise proportional zur angelegten Ankerspannung – eine niedrigere Spannung ergibt eine niedrigere Drehzahl.

Wie funktioniert die Drehzahlsteuerung per PWM?

Bei der Pulsweitenmodulation wird die Versorgungsspannung schnell ein- und ausgeschaltet. Spuleninduktivität und Massenträgheit des Motors glätten diesen Puls, sodass sich der Motor näherungsweise so verhält, als läge eine kontinuierliche Gleichspannung an, deren Höhe vom Tastverhältnis abhängt.

Wozu dient eine H-Brücke?

Eine H-Brücke ermöglicht es, die Drehzahl per PWM zu steuern und zusätzlich die Drehrichtung des Motors umzukehren, ohne die Verkabelung ändern zu müssen.

Wann reicht eine Steuerung nicht aus und eine Regelung ist nötig?

Wenn die Drehzahl unabhängig von der Last konstant gehalten werden soll, muss sie gemessen und über eine Rückkopplung auf die Versorgungsspannung zurückgeführt werden – eine reine Steuerung ohne Rückmeldung reicht dafür nicht aus.

Quellen (Auswahl): olliw.eu (PWM-Grundlagen), IEC 60034-1 (Betriebsarten).

Motor anfragen