Motorschaltung korrekt?

[MNjuniors42]

Hallo,

nachdem ich mich in das Thema eingelesen habe, habe ich eine Motorschaltung erstellt, die für meine Zwecke geeignet ist.
Der Motor (Igarashi SP3657-30) hat einen Leerlaufstrom von 1A und max. 8A (denke das ist der Strom wenn der Motor blockiert ist?). Über PA1 (vom rn-control) kommt ein PWM-Signal, damit ich die Geschwindigkeit regeln kann. Über PA2 kommt ebenfalls ein PWM-Signal, allerdings nur wenn PA1 auf low ist, damit kann ich die Motorbremse regeln. PA3 dient dann zum Richtungswechsel. Ich habe 2 Relais eingezeichnet, da ich nur welche mit einem einfachen Schalter hab.
Die Relais können zwar nur 5A max. schalten, dass sollte aber kein Problem sein, wenn ich die Geschwindigkeit mit PWM regle, d.h. ich hab ja nie Volllast?

Meine Frage nun: Sind die Bauteile in der richtigen Größe gewählt? Welche PWM-Frequenz (der Motor ist für einen kleinen fahrbaren Roboter gedacht)? Muss eich eigentlich darauf achten ein paar ms zu warten um von PA1 auf PA2 zu wechseln (Gate-Kapazität->damit beide nicht gleichzeitig halb durchgeschalten sind)?

Vielen Dank schon mal



Gerne auch Tipps für das richtige Zeichnen eines Schaltplans ;)

[wbeppler]

lade dir mal das datenblatt vom L298 der hat das alles drin. doppelbruechentreiber oder h-schaltung, zu den themen gibts es vieles, auch schwaecher / billiger und staerker /teurer :-)

[MNjuniors42]

mir sind die Motortreiber schon bekannt, ich hatte allerdings fürs erste vor die schaltung selber aufzubauen

Der Vorteil v.a. wäre die Schaltung lässt sich beliebig erweitern, und für größere ströme auslegen

[wbeppler]

da hast du auch recht !
ich kenne jemand der hat 2 pole auf 3 phasen mit je 5 fet ne schaltung gebaut die geht bis 300 A !!! motortreiberstufe fuer bldc-motor.
das ging ja auch nur weil er es selber aufgebaut hat ...
also viel spass!!!! :-)

[MNjuniors42]

:) sind denn die dimensionierung der bauteile (widerstände) in der schaltung richtig? Ich habe leider noch nicht allzuviel erfahrung damit.. :(

[Klebwax]

:) sind denn die dimensionierung der bauteile (widerstände) in der schaltung richtig? Ich habe leider noch nicht allzuviel erfahrung damit.. :(

Überleg mal, ob es dir gelingt, das Gate vom oberen Transistor um einige Volt positiver als seine Source zu bekommen, wenn du ihn einschalten willst.

MfG Klebwax

[JARVIS85]

momentan würde ich sagen wird es schwer den oberen transistor einzuschalten, wenn der untere zuvor sperrt... du wirst so nicht das nötige potential am gate aufbauen könne...
-> dies sicher der hinweis von Klebwax
versuch es mal mit einem p-kanal mosfet...

[Klebwax]

.... versuch es mal mit einem p-kanal mosfet...

Überleg mal, ob es dir gelingt, das Gate vom oberen Transistor auf das Potential seiner Source zu bringen, wenn du ihn ausschalten willst.

MfG Klebwax

[JARVIS85]

nein wird nicht gelingen...
läuft dann wohl auf einen gate treiber hinaus da der steuerpegel nicht reicht!? stichwort bootstrapping. ist auch nicht allszu schwer aufzubauen

[MNjuniors42]

Das bedeutet, wenn ich den unteren MosFet ausschalte ist source nicht definiert und hängt somit "in der Luft" ? D.h ich kann ihn deswegen nicht einschalten bzw. ich erreiche damit keine Differenz....
Ok vielen Dank ich werds mit einem P-MosFet probieren :D

[Klebwax]

Das bedeutet, wenn ich den unteren MosFet ausschalte ist source nicht definiert und hängt somit "in der Luft" ?

Nein, du vergisst den Motor.


Ok vielen Dank ich werds mit einem P-MosFet probieren :D

Vergiss das Ausschalten nicht (siehe weiter oben) !!

MfG Klebwax

[MNjuniors42]

23814


Bei dieser Schaltung ist Gate = 0V, wenn ich PA2 auf low schalte, -> er schaltet durch; und Gate =12V, wenn ich PA2 auf Eingang schalte -> er sperrt? kann das funktionieren?

[Klebwax]

Nein. Die Substratdioden in deinem µC halten das Gate auf -6 bis -8V gegenüber der Source fest.

MfG Klebwax

[MNjuniors42]

23815

Ok, treiberstufe eingebaut. Ist denn der transistor schnell genug, um die Motorbremse mit PWM zu steuern?

[JonnyBischof]

Wenn du viel Strom durch den Treiber fliessen lassen willst, dann solltest du es vermeiden, P-Kanal FETs einzubauen. Diese haben tendenziell immer einen etwas höheren RDSON (Widerstand im Drain-Source Pfad), was zu höheren Verlusten führt. Mit Treiberstufe müsste das auch mit nem N-Kanal FET passen.

(Tipp: IRF3004PbF hat einen für ein THT Bauteil extrem niedrigen RDSON...)

[MNjuniors42]

der treiber ist ja nur dazu da den mosfet zu schalten, der dann als motorbremse dient. Der max. Strom wäre nur etwa 8A

Wie würde es denn mit einem n-mosfet aussehen? (wie oben gesagt das gate kann nicht positiver als die 12V von source sein)

btw das bauteil kann ich nicht finden :confused:

[JonnyBischof]

Ah stimmt, hab ein B vergessen: IRFB3004PbF ist richtig...
Das Prinzip, wie man einen N-Kanal MosFET auch in deinem Fall schalten kann, wurde bereits erwähnt: Bootstrapping. Hab es allerdings selbst nie im Detail angeschaut bzw. verwendet. Wikipedia hat nen Artikel dazu:
http://de.wikipedia.org/wiki/Bootstrapping_%28Elektrotechnik%29

[Klebwax]

Wenn du viel Strom durch den Treiber fliessen lassen willst, dann solltest du es vermeiden, P-Kanal FETs einzubauen. Diese haben tendenziell immer einen etwas höheren RDSON (Widerstand im Drain-Source Pfad), was zu höheren Verlusten führt.

Die Bedeutung dieses "etwas" bei modernen FETs wird massiv überschätzt. Es geht da um einige mOhm. Die heutigen P-FETs sind besser, als die einige Jahre ältern N-FETs (die auch gerne empfohlen werden, weil ja N-FETs immer besser als P-FETs sind). Probleme mit überhitzten FETs sind eigentlich immer auf Fehler in der Ansteuerung zurückzuführen. Wenn du mit viel Strom 50A und mehr Dauerstrom meinst, mag das stimmen. Dann sind aber auch nicht 12V angesagt (wegen der Verluste in all den passiven Elementen) sondern eher 24V oder 48V, was dann wiederum mit einer Halbierung oder Viertellung des Stromes einhergeht.


Das Prinzip, wie man einen N-Kanal MosFET auch in deinem Fall schalten kann, wurde bereits erwähnt: Bootstrapping. Hab es allerdings selbst nie im Detail angeschaut bzw. verwendet.

Das ist nur eine Möglichkeit von mehreren, zwar die bauteilmäßig billigste aber vom Timing her anspruchsvollste. Neben dem richtigen Schaltungsentwurf ist das Timing bei einer (Halb)Brücke das A und O. Bootstrapping lebt vom Timing, die Software der Ansteuerung sollte also fehlerfrei sein, oder extra Hardware fängt die Fehlerfälle ab.

Die unkomplizierteste Ansteuerung hier wäre ein FET-Treiber für eine Halbbrücke mit getrenntem Eingang für Low- und Highside zusammen mit einem N-FET und einem P-FET. Zusammen mit passenden Pull-Ups und Pull-Downs (und möglicherweise etwas zusätzlicher Logik) kann man auch sicherstellen, daß bei Reset, Programmabsturz oder Breakpoint kein Schaden entsteht.

MfG Klebwax

[Hubert.G]

Hast du die Bremswirkung des Motors schon mal getestet wenn du ihn direkt kurzschließt?
Nach meiner Erfahrung wird die Bremswirkung eines normalen E-Motor gewaltig überschätzt.

[MNjuniors42]

Nein, die direkte Bremswirkung hab ich noch nicht getestet, da ich die schaltung erst noch aufbauen werde. Der max. Strom kann aber nicht über 8A liegen, also hab ich alle bauteile dementsprechend dimensioniert.
Also kann die Schaltung die ich oben gezeichnet habe funktionieren? Vorrausgesetzt ich schalte die beiden mosfets nie gleichzeitig (muss ich denn jetzt kurze zeit warten zwischen dem umschalten, wegen der ladezeit der mosfets?)
Noch 1 Überlegung:
-bei der treiberstufe fließt beim ausschalten des p-mosfets der strom von 12V durch den hochohmigen wiederstand zum p-mosfet. bin ich also
richtig dass die ladezeiten also relativ hoch sind, ist das dann noch für PWM geeignet? dadurch will ich die stärke der bremsung regeln

Mir ist v.a. ein relativ geringer schaltungsaufwand wichtig ;)

[Hubert.G]

Ich bin mit sicher das du enttäuscht sein wirst von der Bremswirkung, es sei denn der Motor wird durch Trägheit des Objekts oder dergleichen stark angetrieben.
In deiner Schaltung ist R4 zu groß, es sollte max. 10k sein, eher noch kleiner. Der FET braucht sonst zu lange zum sperren, aber!!!!!!!!!
warum ein P-FET, schau dir mal die Body-Diode an in welche Richtung sie geht.
Die Dynamospannung eines Motor hat die gleiche Polarität wie die Antriebsspannung.

[MNjuniors42]

hab den Mosfet falsch herum eingebaut^^ (und in meiner ersten schaltung sollte der untere n-mosfet ein anreicherungstyp(wie üblich)sein und nicht wie eingezeichnet)
Hier der neue schaltplan: (der obere teil)

23823

[Hubert.G]

Die Frage sollte auch lauten, warum verkehrt herum eingebaut.
Ich habe dem ganzen bis jetzt nicht entnehmen können was du mit dem Motor antreibst?

[MNjuniors42]

Hatte ich es nicht erwähnt, als ich den Thread eröffnet habe? Vorrerst für einen kleinen fahrbaren roboter, wobei man diese schaltung (in anderen bauteilgrößen) auch für diverse andere zwecke verwendet werden kann.
Nun stellt sich bei mir die Frage wie beschalte ich es denn richtig? (meine ansätze sind ja mehr oder weniger gescheitert :( )

[Besserwessi]

Die Bremswirkung bei kurz geschlossenem Motor kann schon recht heftig sein - bei den meisten Akkuschraubern sieht man das ganz gut wie schnell die stehen. Das reicht zum Teil um durch die Trägheit das SSBF zu öffnen. Prinzipbedingt nimmt die Bremswirkung aber mit abnehmender Geschwindigkeit ab.

Die Schaltung mit dem P-Kanal MOSFET ist schon einfacher. Weil man in der Regel deutlich weniger bremst als Strom für den Antrieb braucht, ist der etwas höhere Verlust am P-Kanal MOSFET auch kein wirkliches Problem. Die Bremse muss nicht für Dauerbetrieb ausgelegt sein - es sei denn man will mit dem Bot steile Berge runter fahren. Die Gezeigte Schaltung mit dem einen Transistor als Treiber reicht für eine Vollbremsung, für PWM kann es gerade so gehen, wenn der Widerstand R4 angepasst wird (eher 1 K als 100 K) und der MOSFET nicht zu groß ausgelegt ist, und daher nicht so viel Kapazität hat. Zur Sicherheit wäre eine Hardwaremäßige Verriegelung für den N und P-Kanal MOSFET sinnvoll, und auch eine kleine Pause (eher so im 10 µs Bereich, da sollte Software reichen) zwischen dem Ausschalten den Antriebs (N-Kanal MOSFET) und dem Einschalten der Bremse.

[Klebwax]

Die Schaltung mit dem P-Kanal MOSFET ist schon einfacher. Weil man in der Regel deutlich weniger bremst als Strom für den Antrieb braucht, ist der etwas höhere Verlust am P-Kanal MOSFET auch kein wirkliches Problem.

Ein wenig rechnen: bei 10mOhm und 10A bleibt 1W im Transistor, bei 20mOhm sinds dann 2W bei 120W im Motor. Nehmen wir mal eine solche Brücke an, macht das zusammen 3W, das ist nun wirklich nicht viel.

Viel wichtiger sind die Schaltverluste, und die machen sich an der Gatekapazität fest. Der empfohlene IRFB3004PbF hat eine Gatekapazität von mehr als 14nF, die muß erstmal geladen werden. Mit einem Portpin oder einem einfachen Transistor bekommt man das nicht hin. Dafür braucht man den kräftigsten Gatetreiber, den man kaufen kann. Und der wird sich nicht mit einem Watt Verlustleistung zufrieden geben.

Generell gilt, je kleiner der Rdson, desto größer die Gatekapazität, desto höher die Schaltverluste, desto aufwendiger der Gatetreiber und desto schneller der Hitzetod selbst bei kleiner Last. Ich würde also eher darauf achten, daß die Gatekapazität möglichst unter 1nF liegt und der Transistor den Blockierstrom des Motors verträgt (jedenfalls so lange, bist die Sicherung anspricht).

MfG Klebwax

[MNjuniors42]

Ok vielen Dank! :) nun denke ich krieg ichs hin ;)

[Besserwessi]

Die passende Größe MOSFET für die Bremse wäre eher so etwas wie IRF9Z34N oder ggf. was ähnliches für weniger Spannung. Der hat zwar 100 mOhm RON und damit bei 8 A schon 6,4 W Verlustleistung, aber das ja nur für weniger als 1 Sekunde und danach in der Regel wenigstens einige Sekunden Pause. Dafür kann man den mit 0,6 nF Gate Kapazität auch noch mit der einfachen Transistorstufe schnell genug (ein paar µs) schalten - auch hier sind minimale Verluste kein absolutes muss - auch wenn die Bremsenergie zu 100% in Wärme umgewandelt wird, ist das vermutlich noch akzeptabel.

[Klebwax]

Ich würde auch noch mal einen Gatetreiber in Erwägung ziehen. Einen doppelten bekommt man im 8-poligen Gehäuse, ist auch kaum mehr als der Transistor mit den Widerständen und man geht Problemen mit den Logic-Leveln aus dem Weg. Bei Microchip gibt es die App. Note AN786 mit einer schönen Übersichtsliste.

MfG Klebwax