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Servo-Steuer-Platine

Auf Anregung von Steffen wurde eine Steuerplatine entworfen, um einen Scheibenwischermotor als Servomotor zu verwenden. Die Steuerung soll einen Winkel mit einem Poti vorgegeben bekommen und entsprechend den Motor eine Klappe verstellen lassen. Die Rückführung der Klappenstellung erfolgt mit dem zweiten Poti.

Eine Lösung mit den gängigen Servo-ICs wurde nicht gewählt, da diese ein PWM-Signal benötigen, in dem die Winkelinformation enthalten ist. Was das Ganze komplizierter machen würde, denn als Steuergerät ist ein Joystick mit einem einfachen Poti vorgesehen. Deshalb wurde der TL494 gewählt. Er ist eigentlich ein PWM-IC für Spannungswandler und Schaltnetzteile aber da er sehr vielseitig ist kann er auch diese Aufgabe erledigen.

Schaltplan der Servosteuerplatine.

Das Bild oben zeigt den Schaltplan. Der TL494 erzeugt ein PWM mit einer Frequenz von ca. 16kHz. Über den Feedbackausgang (Pin 3) und den 1. Komparator wurde ein Differenzverstärker mit einer einstellbaren Verstärkung aufgebaut. Das PWM-Signal nimmt in der Tastweite zu wenn die Spannung am Komparatorausgang steigt (5V => 100%) und nimmt ab mit sinkender Spannung (0V => 0%). Über die einstellbare Verstärkung von etwa 2 bis 10fach kann die Regelgenauigkeit eingestellt werden. Eine große Verstärkung bedeutet dabei eine geringere Abweichung zwischen den Potentiometerstellungen. Dafür nimmt aber auch die Gefahr eines instabilen Regelkreises zu.

Das Ausgangssignal des TL494 wird für die eine Brückenhälfte verwendet. Zusätzlich wird über einen Transistor ein invertiertes Signal für die zweite Hälfte erzeugt.

Bei einer H-Brücke ist es wichtig, dass die beiden übereinander liegenden Transistoren niemals gleichzeitig voll durchschalten. Dies würde zu einem hohen Kurzschlussstrom direkt von Plus über die beiden Transistoren nach Minus führen. Deshalb wird jeder MOSFET mit einem eigenen Transistor angesteuert. Dazu wird der entsprechende Transistor verwendet, um den MOSFET zu sperren. Das Durchschalten des MOSFETs geschieht durch den Widerstand. Der Strom durch den Widerstand, der die MOSFETs durchschaltet, sollte möglichst groß sein, damit sie schnell schalten. Die Verluste halten sich in Grenzen, weil der Strom immer nur ganz kurz fließt. Die beiden Steuertransistoren einer H-Brückenhälfte sorgen dafür, dass bei einem Flankenwechsel der gerade offene MOSFET nahezu sofort sperrt. Der komplementäre MOSFET dagegen beginnt erst nach ca. 400ns zu leiten. Diese Verzögerung wird durch die Speicherzeit der Treibertransistoren erzeugt. Ein Bipolartransistor braucht je nach Betriebsbedingung eine gewisse Zeit um zu sperren. Hier wird dieser Effekt genutzt, um die nötige Totzeit zu erzeugen.

Das PWM, welches von dem TL494 erzeugt wird, kann nur zwischen 0% und 97% variieren. Wir möchten aber, dass es von 100% in der einen Richtung auf 0% und dann wieder bis 100% in die andere Richtung geht. Deshalb wird ein Trick verwendet, den ich vor langer Zeit mal auf einer Webseite gefunden habe. Dort wurde eine H-Brücke mit nur einer Leitung angesteuert. Das Besondere ist, dass man für den Stillstand des Motors einfach kein 0% PWM verwendet, sondern ein 50% Signal, welches zwischen vorwärts und rückwärts (+12V, -12V) umschaltet. Diesen schnellen Wechseln kann der Motor nicht folgen und durch die Induktivität begrenzt sich der Motorstrom.

Ändert sich die Pulsweite weg von 50%, so überwiegt die eine Richtung im Signal und in diese beginnt sich der Motor zu drehen, so wird aus einem einfachen 0% bis 100% Signal ein 100% bis 0% bis -100% Signal. Wichtig ist nur, dass die Frequenz so hoch gewählt ist, dass die Induktivität den Strom im Stand ausreichen begrenzt, sonst nimmt der stehende Motor schaden.

Foto des dritten Aufbaus (ich weiß die eine Sicherung sitzt nicht richtig im Halter).

Auf dem Bild oben ist die dritte Version der Schaltung zu sehen. Die beiden Kühlflächen liegen auf einem unterschiedlichen Potential, deshalb wurden sie getrennt ausgeführt, um die Isolierung einzusparen.

Getestet wurde die Schaltung nicht mit dem vollen Strom, sondern bis jetzt nur mit geringeren Lasten. Die Schaltcharakteristik der MOSFETs sieht im Oszilloskop aber gut aus, so dass der volle Strom nur eine Frage der Kühlung sein sollte.

Als Anmerkung zum Schluss möchte ich noch sagen, dass mir der Unterschied zwischen Steuerung und Regelung bekannt ist. Diese Schaltung ist definitiv eine Regelung, da sie bei einer Abweichung den Motor nachregelt. Ich glaube trotzdem, dass der Begriff »Servosteuerung« passender und gebräuchlicher als »Servoregelung« ist.

Erstellt im August 2010.