Die Schaltfrequenz eines Controllers: ein Kompromiss zwischen Wärmeentwicklung, Geräuschentwicklung und Präzision
Ein Controller teilt die Batteriespannung in Impulse auf, tausende Male pro Sekunde, um den Strom für den Motor zu erzeugen. Die Anzahl der Zyklen pro Sekunde wird als Taktfrequenz oder PWM-Frequenz bezeichnet. Diese Einstellung beeinflusst die Wärmeentwicklung des Controllers, die des Motors, das Geräusch und die Qualität der Steuerung. Es gibt keinen universell "guten" Wert: Stattdessen muss für jede Kombination aus Controller und Motor ein Kompromiss gefunden werden.
Das Wichtigste
- Jeho höher die Frequenz ist, desto mehr erwärmen sich die Transistoren des Controllers bei jedem Schaltvorgang.
- Je niedriger die Spannung ist, desto stärker schwankt der Strom des Motors, was zu einer Erwärmung des Motors führen kann und möglicherweise Geräusche verursacht.
- Motoren mit geringer Induktivität erfordern eine höhere Frequenz.
- Die Frequenz bestimmt auch das Ansprechverhalten: sie begrenzt die Geschwindigkeit der Stromschleife.
Was die Aufteilung bewirkt
Jede Phase des Motors wird abwechselnd mit dem Plus- und Minuspol der Batterie verbunden. Der Anteil der Zeit, die auf jeder Seite verbracht wird, bestimmt die durchschnittliche Spannung. Die Wicklungen glätten diese Impulse aufgrund ihrer Induktivität: Der Strom steigt während eines Impulses leicht an und fällt während des nächsten wieder ab. Dadurch entsteht eine kleine, zahnförmige Welligkeit um den gewünschten Wert. Sehen Sie sich das Innenleben eines Motorcontrollers und die Vektormodulation an.
Erhöhen der Frequenz: Vorteile und Nachteile
Was man gewinnt
- `Weniger Stromflackern: Der Strom hat weniger Zeit, zwischen zwei Impulsen zu schwanken. Die Verluste im Motor, die durch dieses Flackern entstehen, werden reduziert.`
- Weniger hörbares Geräusch : Oberhalb von etwa 20.000 Schwingungen pro Sekunde, der Grenze des menschlichen Gehörs, ist das Pfeifen des Schneidvorgangs nicht mehr hörbar.
- Eine präzisere Steuerung: Der Controller misst und korrigiert bei jedem Zyklus; je mehr Zyklen, desto schneller kann eine Stromregelschleife arbeiten.
Was wir bezahlen
- `Weniger Schaltverluste: Bei jedem Schaltvorgang verbraucht ein Transistor etwas Energie. Das Verdoppeln der Frequenz verdoppelt diese Verluste. Bei hohen Strömen kann dies dazu zwingen, den zulässigen Strom zu reduzieren.`
- `Mehr Rechenaufwand: Der Mikrocontroller muss jeden Befehl in jedem Zyklus ausführen.`
- `Weniger elektromagnetische Störungen, die durch die Schaltungsentwicklung kontrolliert werden müssen.`
Die Rolle der Motorinduktivität
Die Stromwelligkeit hängt direkt von der Induktivität des Motors ab: Je geringer die Induktivität, desto schneller ändert sich der Strom bei jeder Impuls. Sehr leistungsstarke und kompakte Motoren mit geringer Induktivität benötigen daher eine höhere Frequenz, um eine angemessene Stromwelligkeit zu gewährleisten. Umgekehrt benötigt ein Motor für E-Scooter mit einer höheren Induktivität eine niedrigere Frequenz.
Aus diesem Grund sollte man nicht einfach jeden Motor an jedes Steuergerät anschließen, ohne vorherige Überprüfung: Ein Motor mit sehr geringer Induktivität kann bei einem Steuergerät mit niedriger Frequenz zu hohen Stromspitzen führen.
Die Verbindung zur Motordrehzahl
Um eine Sinuswelle präzise wiederzugeben, sind eine ausreichende Anzahl von Schaltzyklen pro Umdrehung des Elektromotors erforderlich. Die elektrische Frequenz steigt jedoch mit der Geschwindigkeit und der Anzahl der Pole (siehe unsere Anleitung zu Kv, Kt und den Polen). Bei sehr hohen Geschwindigkeiten an einem Motor mit vielen Polen führt eine zu niedrige Schaltfrequenz zu einer Verschlechterung der Steuerung.
Kompromisse finden
Bei Controllern für kleine Elektrofahrzeuge liegt die Frequenz in der Regel zwischen einigen hundert und einigen zehntausend Zyklen pro Sekunde. Die Wahl hängt von folgenden Faktoren ab:
- die Temperatur der Transistoren im Hochstrom-Controller;
- die Motortemperatur bei konstanter Geschwindigkeit;
- das Geräusch, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten;
- Die Qualität der Steuerung bei maximaler Geschwindigkeit.
Werkstatt-Tipp.
Ändern Sie die Schaltfrequenz nur aus einem bestimmten Grund und mit einer Möglichkeit, die Temperaturen zu messen. Die Werkseinstellungen eines Controllers entsprechen in der Regel dem Design seines Leistungsteilbereichs.
Häufig gestellte Fragen
Warum gibt mein Motor bei niedriger Geschwindigkeit ein Pfeifgeräusch von sich?
Die Unterteilung führt zu einer leichten Vibration der Wicklungen. Wenn die Frequenz im hörbaren Bereich liegt, kann man sie hören, besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten, wenn alles andere leise ist. Eine höhere Frequenz reduziert dieses Pfeifen, allerdings auf Kosten einer etwas höheren Wärmeentwicklung des Controllers.
Ist eine höhere Frequenz immer besser?
Nein. Sie reduziert die Welligkeit und das Rauschen, erhöht aber die Verluste des Controllers. Ab einem bestimmten Punkt erwärmt sich der Controller stärker, ohne dass der Motor einen spürbaren Vorteil davon hat.
Ändert die Schaltfrequenz die Reichweite?
Ein gewisser Einfluss: Sie verschiebt die Verluste zwischen dem Controller und dem Motor. Bei einer passenden Abstimmung von Controller und Motor minimiert sie die Gesamtauswirkungen. Der Effekt ist jedoch im Vergleich zur Geschwindigkeit und dem Fahrstil eher gering.