Reverserbar PWM-motorstyrning

[rools]

Hejsan

Jag är ute efter att styra två likströmsmotorer (som kommer från skruvdragare) som var och en toppar på runt 70A. De är tänkta att styras genom PWM-utgångarna på ett Velleman K8055 experimentkort, och ett bilbatteri är tänkt som strömkälla. Motorerna ska även vara reverserbara, dvs signalen till varje motor ska gå att polvända, något som jag tror görs enklast med hjälp av experimentkortets digitala utgångar.

Det jag behöver hjälp med är att hitta någon passande styrkrets till ändamålet. Jag vet att det diskuterats mycket om just PWM-motorstyrningar här på forumet, men jag har inte lyckats hitta något som passar. Idéer och länkar tas tacksamt emot, och finns komponenterna att få tag på hos tex ELFA är det ett stort plus .

Tack på förhand
/Robert

[H.O]

Om du bara vill kunna växla håll, ungefär som med knappen på skruvdragaren så är nog ett två-polig relä, kopplat som polvändare det enklaste. Sedan sätter du din switch-transistor i serie med "minus-kabeln" tillbaks till batteriet.

EDIT: Typ nått sånt här:



Byt med fördel ut NPN transistorn i "schemat" med en lämplig MOSFET.

Nästa steg är en H-brygga men då blir det lite krångligare.

[JimmyAndersson]

Nu lyckas jag inte hitta min Elektronik för alla Del6, men där finns iallafall ett komplett schema på en PWM-styrning som kan vända polaritet. Man styr med en pot. Har man poten i mitten så står motorn stilla, vrider man åt vänster så snurrar motorn åt vänster. Ju längre åt vänster, desto fortare, och motsvarande åt höger.


edit:

Hittade den.

Såhär har de gjort:



Valet av transistorer och OP-kretsar är bara de jag hittade snabbast i Eagle...


Nu går det att göra PWM-generatorn lättare. Här har de använt en OP för att få triangelvåg och sedan en annan OP som schmitt-trigger för att plocka ut topparna. Därav alla OP-kretsar.
Men se det som en skiss på hur man kan fixa fram/back-styrningen med samma pot som man ändrar hastigheten med.

edit 2: Hittade en miss i schemat och fixade det.

edit 3: Hade skrivit "fyrkantvåg" istället för "triangelvåg". Måste ha varit trött..

[Tottish]

En ganska ful men ack så enkel och antagligen fullt fungerande løsning om du inte behøver dunderprecision på hastigheten:
Koppla två RC-servon till varsin "avtryckare" som redan finns på maskinerna...

MVH
/Tottish

[rools]

Tackar för era svar.
Då hastigheten faktiskt var viktig valde jag att försöka lösa det med hjälp av en H-brygga av MOSFET-transistorer. Jag utgick ifrån denna H-brygga och gjorde om den för att kunna ta en PWM-signal.

Mitt kopplingsschema ser ut såhär:


(Tryck här för att få en större och tydligare version)

Synpunkter på schemat? Tror ni det kan funka?

[jesse]

Kopplingen ser ju elegant ut ! Jag har inte mycket kunskap (än) om MOSFET och PWM så jag kan inte kommentera valet av motstånd och gatespänningar, men lösningen verkar ju genial. Och du har ju garderat dig bra mot oavsiktlig kortslutning om du skulle råka köra BÅDE back och fram samtidigt med den logik du kopplat mellan PWM-kretsen och styr-transistorerna.

Ofta kan det uppstå effektförluster i MOSFET'en samband med själva omslaget. Nu kör du med väldigt låga effekter, så jag antar att det inte är något problem i ditt fall, men om MOSFET-transistorn's effekt-tålighet skulle ligga på gränsen så kan man öka switch-hastigheten hos drivtransistorerna genom att göra en positiv återkoppling med en kondensator. När spänningen på basen på första transistorn börjar stiga - första transistorn börjar leda och den andra börjar leda så ökar spänningen på andra transistorns kollektor (vid MOSFET'ens GATE) ... Om du återkopplar den signalen via en kondensator (mycket litet värde - kanske max 100pF) tillbaks till basen på första transistorn kommer omslagsförloppet att snabbas på och du får en brantare kurva vid omslag.

Hmmm.,.. Du kanske skulle ha ett pull-up moststånd på kollektorn på NPN-transistorn (Q3/Q4) så att du inte riskerar att en mikroskopisk läckström genom denna transistor förstärks så att du får en liten ström genom Q1/Q2 vid avslag. Skulle kunna vara förödande om du har otur. Inresistansen på Gaten är ju väldigt hög så det räcker med en mycket liten ström för att spänningen på gaten ska stiga. Kanske löses tillräckligt bra med R3/R10 som drar ner sådana spänningar till acceptabel nivå. (såg inte dem först)

Motorer vill ju gärna behålla strömmen även när transistorerna är avslagna - och därför har du satt dit backdioder för att begränsa de spänningsspikar som kan tänkas uppstå. Dessa dioder kommer antagligen att dra en del ström och därmed dra effekt från motorerna = sänker hastighet / verkningsgrad. Om detta är viktigt kan du antingen seriekoppla dioden med ett motstånd (100 ohm kanske?) eller seriekoppla med en zenerdiod (vänd åt motsatt håll mot dioden då, givetvis) så att dioden inte börjar kortsluta förrän en viss kritisk spänning uppnåtts.

Själv har jag börjat intressera mig för ämnet då jag ska styra en 2.2KW DC-motor i en liten elbil (fordonet väger bara 175 kg inkl. batterier och förare). Skillnaden är dock väldigt stor - Jag kopplar om mellan fram-back genom att polvända fältlindningen med reläer (dina motorer har ju inga fältlindningar) och seriekopplar fältlindningen med ankaret för att få bättre anpassat vridmoment vid olika hastigheter.

Har tänkt göra en enkel PWM-styrning med en enda MOSFET i botten (då jag inte behöver polvända elektroniskt) , men har inte tillräckligt med kunskaper om vilka belastningar som uppstår i en elmotor med sådana effekter och med seriekopplad fältlindning. Just problemet med spänningstoppar t.ex. skulle jag vilja veta mer om - om det finns ett förlustfritt sätt att begränsa dessa? Eller hur man beräknar värden på motstånd t.ex. i serie med dioden för bästa effektivitet utan att skada transistorn?

Och om det är fler saker man bör tänka på när det gäller belastningen på MOSFET'en... Om jag kör på 36V och max 90A (tillfällig belastning upp till 30 sek / en minut) normalt 50A - Hur ska då MOSFETE'n vara dimensionerad minst? Någon nämnde att man väljer minst 2 ggr spänningen samt 1ggr strömmen, men "gärna mer för bra livslängd" vad det nu innebär??? i mitt fall alltså 75V / 100 A "helst mer" ??? (och även välja transistor med hänsyn taget till kylning / spilleffekt / resistans hos transistorn förstås för att inte bränna upp den)

Ska inte ta över din tråd nu, men vi har kanske vissa gemensamma frågor som vi söker svar på?

Berätta om hur projektet framskrider!

m.v.h Jesse. (Elbilsfantast.)

[jesse]

Jag såg förresten denna text på den sida du hänvisar till:

I increased the battery voltage on my robot (named Borg) from 10V to 12V and immediately blew the P channel (lower) mosfets on one of the two H bridges that I use. This surprised me as the H bridge worked fine for 7 years at 10V.

On examining the circuit, I realized that using the N channel mosfets to turn on the P channel mosfets was where the problem arises. The inductance of the motor slows the turning on of the P channel mosfets (slow rise time). The result is that the mosfets pass through the linear mode slowly (this is a no-no!) and heat up. I have no heatsinks on the mosfets and poof, they were toast.

Alltså kan just detta hända med din koppling (som annars såg så perfekt ut). Går du tillbaks till den sidan finner du också hans nya modifierade ritningdär han styr varje MOSFET med separata transistorer för att få snabba switch-tider.

[peter555]

Den första lösningen såg junkig ut och fungerar antagligen inte bra att PWMa, jag skulle rekommendera den sista varianten. Byt också dioderna mot snabbare switchdioder.

[rools]

jesse: tack för att du tog dig tid att kolla in kretsen, och jag ska kolla närmare på dina tips så fort jag får tid att arbeta vidare på projektet om någon dag. Jag har tänkt att köpa komponenter någon gång den närmaste veckan, så resultat kommer nog inom någon vecka.

Problemet med P-kanalsmosfets är att jag inte hittade någon som klarade strömmen jag ville ha. Finns många fler N-kanals att välja mellan.

Kan tillägga att mitt schema simulerade fint i Multisim, dock är jag som du, inte helt säker på resistorvärdena.

Jag har valt IRF1010N (som ska klara 85A) i hopp om att de räcker, men tar gärna del av svaren på dina frågor Detta leder mig även in på en annan fråga, nämligen:

IRF1010N verkar ha inbyggda dioder, behöver jag ändå backdioder i min krets för att inte bränna mosfetarna?

/Robert

[peter555]

Har du simulerat med induktiv last ?

[kimmen]

Alla mosfets har inbyggda såna där dioder och i en h-brygga behövs normalt inga extra - det som kan krångla till det är att de kan vara långsamma. Men det är nog inget problem vid 12V.

En fråga om din applikation: Behöver du fyrkvadrantsdrift, dvs. att du kan både accelerera och bromsa i båda riktningarna? Måste kretsen kunna gå från bak till framdrift utan fördröjning? Om du bara behöver bak och fram men inte behöver kunna motorbromsa så finns en enkel lösning - PWM:a bara undre feten och låt diagonalt motstående vara på hela tiden. Om du kan ordna en extra matning ovanför +12 så är det iofs ganska lätt att göra en gatedrivkrets för N-kanalsfetar även där.

[rools]

Switchdioder som klarar strömmen kostar en del på elfa, och skulle innebära minst en dubbbling av priset för komponenter, så helst kör jag med sånna endast om det är absolut nödvändigt.

Har du simulerat med induktiv last ?

Såhär ser spänningen över motorn ut när jag simulerar med induktiv last:

Något jag ska vara orolig för? Är det nåt mer jag bör kolla i simuleringen?

kimmen: Tack för tipset, metoden att bara PWM:a en fet och låta den diagonala vara på tror jag ska fungera för mitt ändamål, dock har jag egentligen ingen större tid till att rita om kretsen så länge min nuvarande verkar fungera.

[peter555]

Särskilt vackert är det inte förstås, jag undrar hur det ser ut om du styr alla FETar individuellt.

[kimmen]

Du kommer nog att klara dig med mosfetarnas inbyggda dioder Om man ser till att slå till den mosfet som ska frihjula så får man minskade förluster dessutom.

Det som gör att det ser så fult ut i den där kretsen är att spänningen över motorn tillåts hoppa mellan + och - och inte mellan + och 0 eller - och 0 som man brukar göra. Under "off"-tiden skall det ligga 0v över motorn helst.

Det finns väl två sätt att åstadkomma detta:
1. Ena sidan av H-bryggan PWM:as och den andra styr riktningen. Vänstra sidan styrs av en signal och högra av en annan. Övre transistorn drivs i mottakt mot den undre. Gör man så så måste PWM-signalen inverteras när riktningen ändras.

2. (Den här tycker jag känns vettigare) Vänstra sidan PWM:as för att köra åt ena hållet, högra för att köra åt andra.

I båda fallen så drivs varje "ben" för sig med varsin signal. Övre FET:en är till när undre är från. Någon transistor leder alltid i respektive ben. Med lite extra logik så kan man se till att kretsen inte kan motorbromsa om man nu vill det.

[rools]

Nu har jag pillat ihop ett nytt schema utifrån denna h-brygga som ser ut såhär:


(Tryck här för att se schemat)

Nu styr jag alla fetarna separat, och nu håller sig spänningen vid 0-strecket när PWM-signalen befinner sig i off-läget även med induktiv last. Jag PWM:ar även bara ena FETen som kimmen föreslog.

För att få bryggan att fungera med den PWM-frekvens jag ville (23 khz) var jag dock tvungen att dramatiskt ändra värdena på de inringande motsånden på schemat (R8 & R7) till 200ohm, eftersom FETarna inte hann med annars. Jag undrar om det kan vara någon fara med att ha så lågt motsåndsvärde där?

Det ska även tilläggas att logiken inte är helt klar, tex går det att kortsluta strömkällan som det är nu Övriga synpunkter på schemat är även välkommna.