Pulsweitenmodulierte Spannung und PWM-Modul

Zur Drehzahlverstellung des Drehstrommotors wird ein System zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Spannungen notwendig.

Die hier verwendete Prozessorbaugruppe beruht auf einem digitalen Signalprozessor der Serie dsPIC33.
Bestandteil dieses Prozessors ist u. a. ein Pulsweitenmodulations-Modul (PWM-Modul), mit dem die benötigten Signale erzeugt werden können.



Die oben dargestellten Feldeffekttransistoren Q1 und Q2 stellen eine Verbindung des Ausgangssignals 'V_U' mit dem Potential '+VDC' oder '-VDC' her, dabei ist einer der Transistoren leitend, während der andere gesperrt ist. Das PWM-Modul erzeugt die Ansteuersignale für beide Transistoren und ermöglicht u. a. auch die Berücksichtigung von endlichen Freiwerdezeiten beim Übergang von einem zum anderen Transistor.

Zur Erzeugung des 3-phasigen Systems werden 3 gleiche Zweige der dargestellten Brückenschaltung notwendig, die jeweils ein Ausgangssignal erzeugen. Alle Brückenzweige sind jeweils mit den Potentialen '+VDC' und '-VDC' verbunden. Das PWM-Modul erzeugt für jeden Zweig ein eigenes Signal-Paar zur Ansteuerung der beteiligten Transistoren.

Je nach erforderlicher Spannungshöhe zum Betrieb des Motors wird eine Wechselspannung geeigneter Höhe und Phasenanzahl gleichgerichtet und über einen Kondensator geglättet. Dieser Gleichspannungs-Zwischenkreis liegt zwischen den o. g. Potentialen '+VDC' und '-VDC'.


Wie bereits erwähnt, steht für diese Experimente hier ein Motor mit günstigen Daten zur Verfügung, so daß an dieser Stelle ein Trenntransformator mit geringer Sekundärspannungshöhe verwendet wird.

Mit 3 Zweigen in o. g. Ausführung entsteht also ein System mit 3 Ausgangsphasen als Leistungsendstufe.

Die Spannung zwischen 2 dieser Ausgangsphasen entspricht der gleichgerichteten Zwischenkreisspannung, wenn im Zweig einer Phase der obere Transistor und im anderen Zweig der untere Transiotor eingeschaltet wird. Werden an diesen Phasen jeweils die anderen Transistoren eingeschaltet, so kehrt sich die Polarität dieser Spannung um.
Die Einschaltdauer der Transistoren wird über das PWM-Modul variiert, so daß der Effektivwert dieser Spannung verändert werden kann.

Über dieses Verfahren lassen sich sowohl die geforderten Phasenverschiebungen als auch die veränderliche Frequenz und Höhe der Ausgangsgrößen beeinflussen.

Um zu überprüfen, ob die Frequenz und Höhe dieser Größen den Sollwerten entsprechen, ist eine Berechnung der Spannungszeitflächen der einzelnen blockförmigen Pulse notwendig. Wenn zwischen der geplanten maximalen Grundschwingungsfrequenz und der Taktfrequenz ein ausreichender Abstand gewählt wird, dann läßt sich als Alternative zur Berechnung auch ein Tiefpassfilter verwenden, der die Messung der relevanten Größen mittels Oszilloskop erlaubt.

In nachfolgendem Oszillogramm ist in Kanal A die pulsweitenmodulierte Spannung zwischen 2 Ausgängen der oben beschriebenen Brückenschaltung dargestellt.
Kanal B zeigt diese durch einen Tiefpass gefilterte Spannung. Das Oszilloskop kann hier Frequenzen und Effektivwerte der Signale eigenständig ermitteln, so daß hierdurch eine Überprüfung der programmierten Algorithmen am PWM-Modul erfolgen kann.



Wird die PWM-Spannung zeitlich feiner aufgelöst, so wird die Änderung der Pulsbreite mit Fortschreiten auf der Zeitachse sichtbar. Kanal A zeigt die PWM-Spannung, Kanal B stellt dar, wie sich diese Spannung am Tiefpassfilter abbildet.



Unter Zuhilfenahme dieser Oszillogramme und Vorgabe verschiedener Sollwerte für die Frequenz und Höhe der Ausgangsgrößen wird der mögliche Arbeitsbereich des Aufbaus überprüft.
Wie dem oberen Oszillogramm mit feiner Zeitauflösung entnommen werden kann, ist die Blöckhöhe der Ausgangsspannung immer gleich, sie entspricht wie oben erwähnt der aktuellen Zwischenkreisspannung. Diese Spannungshöhe stellt damit auch den maximal erreichbaren Scheitelwert der Ausgangsspannung dar (von Methoden, die an dieser Stelle Spielraum nach oben ermöglichen, wird hier kein Gebrauch gemacht).
Diese Stellgrenze wird durch die Oszillogramme bestätigt und ist auch eine wichtige Größe für den Betrieb des Motors und dessen Spannungsbedarf.


Das PWM-Modul nimmt eine weitere, wichtige Rolle ein.

Die im Motor messbaren Ströme sollen einen sinusförmigen Verlauf annehmen. Um dies zu erreichen, muß mit einer ausreichenden Häufigkeit die o. g. Einschaltzeit der Transistoren angepasst werden.
Die erzeugten Spannungen zwischen den Ausgangssignalen bestehen wie erwähnt aus Blöcken, deren Höhe der Zwischenkreisspannung gleicht und deren Breite von der Einschaltdauer der Transistoren abhängt.
Die elektrischen Bestandteile des Motors erzeugen aus diesen rechteckigen Spannungsblöcken dreieck-förmige Stromverläufe.

Die o. g. ausreichende Häufigkeit, mit der die Schaltzeiten aktualisiert werden, steht im Zusammenhang mit der benötigten Frequenz der Motorströme.
Für die hier durchgeführten Arbeiten wird eine maximale Ausgangsfrequenz von 100 Hz angesetzt.
Der zum Einsatz kommende Prozessor benötigt für einen Befehlszyklus 25 ns (10exp-9).
Es wird eine Wiederholfrequenz zur Errechnung neuer Schaltzeiten im PWM-Modul von 2 kHz festgelegt.
D. h. im Prozessor muss alle 1/2000 Sekunden = 0,5 ms (10exp-3) eine neue Schaltzeit berechnet werden.
Damit steht dem Prozessorprogramm zwischen zweite Berechnungen eine Anzahl von 0,5 ms / 25 ns = 20.000 Befehlszyklen für Rechenaufgaben zur Verfügung.

Das PWM-Modul des dsPIC33 kann so eingestellt werden, daß es im Takt seiner Wiederholrate (2 kHz) ein Signal auslöst, welches als zyklisches Startsignal des Gesamtprogamms verwendet wird.

In nachfolgendem Bild wird das Signal zum Start der zyklischen Abarbeitung des Programms in Kanal A dargestellt, Kanal B zeigt ein zugehöriges PWM Signal, welches mit 2 kHz aktualisiert wird und hier ein Verhältnis von gleicher Pulsdauer und Pulspause hat. Außerdem ist die Positionierung des o.g. Signals in Bezug auf die PWM-Periode zu erkennen, die hier mittig liegend gewählt wurde.