DIY Brushless Regler für Modellbaumotoren (max. 20A)

Hi,

da ich mit meinem letzten Projekt einen schon sehr fortgeschrittenen Status erreicht habe, möchte ich das nächste Thema in Angriff nehmen: Ein BLDC-Regler für Modellbaumotoren. Hierbei gehts nicht um Wirtschaftlichkeit, sondern um DIY und die Funktionen.
Ich hab mich natürlich schon etwas eingelesen und auch einige APP-Notes von Atmel dazu gefunden, jedoch gibts noch einige Punkte, bei denen ich etwas Hilfe gebrauchen könnte.
Was soll das Teil können?

- Spannung: 9 - 15V (3 - 4S Lipo)
- Strom: max. 20A
- PWM Signal einlesen (mit einigen 100Hz)
- Drehzahlsteuerung (beinhaltet auch aktive Bremse)
- aktiver Freilauf
- Strommessung

Mein Problem liegt u.a. in der Drehzahlsteuerung. Normalerweise würde ich Drehzahl messen -> PID -> Steuern. Allerdings bräuchte ich dann für jeden Motor eigene Werte!? Es gibt aber auch kaufbare Regler (u.a. von Graupner), die so einen sog. Govener-Mode integriert haben. Da muss man nichts einstellen, einfach ein- bzw. ausschalten und das Teil läuft. Wie macht man das?

Die Komponenten:

- ATXMegayyA4 als Controller (evtl. yy=16, je nach Flash)
- Platine max. 2 seitig , selbstgeätzt, max. 60 x 30 mm (so klein als möglich)
- Rest: noch nicht definiert

Sollte ich Fet-Treiber verwenden? Welche Art von Fets sind am besten geeignet? Sollte ich die Strommessung über einen Shunt laufen lassen, so wie auch in der App-Note getan? Spannungsmessung ist kein Problem, das bekomme ich hin ;)
Der Preis sollte natürlich auch nicht zu hoch sein (was den auch sonst?! :D ), max. 50€ wären wünschenswert.

Ich weiß, sind viele Fragen / unklare Angaben, ich hoffe ihr helft mir etwas auf die Sprünge.

Vielen Dank & Gruß
Chris

Hallo,
vorweg: bei den hohen Strömen wird das alles kompliziert. Du brauchst MOSFETs mit sehr geringem RDSon, dazu vernünftige Treiber, die das Gate schnell genug umladen, um verlustarm schalten zu können. Das alles muss dann noch niederohmig und niederinduktiv geroutet werden und eine gute Kühlung ist auch nötig...
Ich habe bereits als studentische Hilfskraft eine Hochstrom-H-Brücke gebaut (designed für 30A, getestet bis 12A).
Schau dir mal die Gatetreiber IR2184 an. Die können je eine Halbbrücke inkl. Bootstrapping ansteuern. Dazu suchst du noch niederohmige n-Kanal MOSFETs. Der RDSon muss für diese hohen Ströme in der Größenordnung 5mOhm und kleiner liegen. Pro MOSFET wirst du mit 1-2 Euro rechnen müssen. Die Gatetreiber kosten ca. 1,50 Euro. 6x3 cm Platinengröße sind sehr ambitioniert, meine Platine hatte etwa 16x10cm (2 H-Brücken) und war komplett in THT. Es ging aber auch viel Platz für die Hochstromstecker drauf ;)
Grüße, Bernhard

FET-Treiber solltest du wie BMS gesagt hat verwenden um die FETs schneller umzuschalten und dadurch geringere Schaltverluste zu erhalten.

Bei den FETs nimmt man idr. n-FETs, da diese einen deutlich geringeren Widerstand (Rdson) haben. Das ganze hat allerdings auch einen Nachteil, denn damit die Mosfets richtig schalten brauchen sie eine hohe Spannung von Gate nach Source (idr. > 8V). Ist diese Spannung nicht gegeben schaltet der Transistor nicht richtig durch und sein Innenwiderstand wird relativ hoch -> große Verlustleistung -> Tod. FET-Treiber benutzen idr. eine Bootstap-Schaltung um diese Spannung für den Highside-FET bereit zustellen. Hier muss man aber beachten, dass man nicht mehr mit 100%, sondern max. ~95%* PWM die Mos-Fets betreiben darf, da für die Bootstrap ein Kondensator geladen werden muss. [* Abhängig von den verwendeten Bauteilen und ihrer Dimensionierung]

Strommessung über einen Shunt ist in Ordnung und gängige Praxis. Andere Möglichkeit wären noch Hall-Sensoren (zb: ACS709), aber die kosten auch etwas mehr.

Zum Govener-Mode:
Also wenn ich das richtig verstehe, wird bei dem Govener Mode die Drehzahl Konstant gehalten, egal welche Last anliegt. Das ganze sollte bei einem BLDC eigentlich recht simpel sein, da er ja wie ein Schrittmotor zwangskommutiert wird. Du wirst nur eine Maximal-Drehzahl mit deinem max. PWM-Wert verknüpfen müssen und kannst dann linear zwischen 0 und 100% verfahren. An der Drehzahl selber musst du erst einmal nichts mehr ändern. Merkst du, dass der Lastwinkel zu groß wird (max. 90°), muss die Kraft und damit der Strom entsprechend erhöht werden (Kraft proportional zum Strom). Erst wenn du den Maximalen Strom erreicht hast, könnte man als eine Art "Failsafe" die Drehzahl verringern. Wobei letzteres auf eine falsche Dimensionierung hindeutet.

Wie das bei einem Modellbau-Regler funktioniert weiß ich allerdings nicht, dem kann man ja keine Max. Drehzahl vorgeben. Ich vermute hier wird mit einer festen Maximal-Drehzahl gearbeitet und dann eben bei Erreichen des Maximalstroms gestoppt.

Gruß,
Robin

Hi,

also ich hab mal kurz einwenig gesucht und hab den IRLR8743 gefunden. Dieser hat folgende Eigenschaften:
- RDSon = 3.1mOhm
- Vds = 30V
- Vgs = 20V
- max. Strom = 50A

Ist dieser passend für meine Application? Hab leider von der Leistungselektronik nicht soo viel Ahnung.
Der IR2184 sollte ja auch dazu passen.
Was gibt es den übers Layout wichtiges zu sagen? Ich plane, alles in SMD zu machen, um den Platzverbrauch gering zu halten. Außerdem werden dann auch die Leitungen kurz und haben somit weniger Induktivität.
Über die Software mache ich mir dann Gedanken, wenn das Layout / die Hardware steht.

Vielen Dank & Gruß
Chris

Zitat:

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Was gibt es den übers Layout wichtiges zu sagen?

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Wie bei Hochstromanwendungen üblich: Leiterbahnen so breit wie nur möglich machen, bei doppelseitiger Platine auch beide Seiten verwenden. Bei Durchkontaktierungen im Hochstrombereich auf jeden Fall mehrere setzen, um auch hier eine höhere Strombelastbarkeit zu erreichen. Mach dir auch schon mal Gedanken, wie du einen Kühlkörper anbringst. Um den Kühlkörper anbringen zu können, sollte es im Bereich der MOSFETs z.B. keine höheren Bauteile geben, sonst passt der nicht drauf. Welche Stecker möchtest du verwenden? Oder lötest du die Kabel direkt auf die Platine?
Grüße, Bernhard

Ich hab mir überlegt, ob es nicht eine gute Idee wäre, eine Seite auf VCC und die andere auf GND zu legen? Das würde das Layout vereinfachen und die "Leiterbahnen" wären schön breit --> kleiner Widerstand. Die Fets kommen übereinander, so habe ich jeweils kurze Zuleitungen zu den Motoranschlüssen und spare Platz. Das ganze wird sowieso in SMD aufgebaut, da mache ich mir wegen der Kühlkörper keine Gedanken. Mein Wunsch wäre es allerdings, ohne diese auszukommen (fast alle kommerziellen Bl-Regler in dieser Leistungsklasse haben keine Kühlkörper). Als Platine möchte ich welche mit 70µm Kupfer verwenden, das sollte wohl auch etwas Wärme aufnehmen / abstrahlen können?!
Stecker sind keine geplant, soll alles verlötet werden --> spart Platz, vermeidet Übergangswiderstände und Wackelkontakte.
Sitze seit einer Weile schon am Layout, wenn der Leistungsteil fertig ist, stelle ich mal ein Bild rein, um es kritisieren zu lassen :D

Gruß
Chris

70µ Kupferauflage sind eine gute Idee. Bei SMD-Bauteilen wird durch die Leiterbahnen/Platine einiges an Wärme aufgenommen.
Die MOSFETs sind mit 3mOhm schon recht gut.

Zitat:

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Sitze seit einer Weile schon am Layout, wenn der Leistungsteil fertig ist, stelle ich mal ein Bild rein, um es kritisieren zu lassen :D

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Konstruktive Kritik ist nicht böse gemeint, das sind Tipps damit es noch besser wird ;)

Klingt jetzt nicht so verkehrt, was du machst, Mos-FET ist aus meiner Sicht auch gut gewählt.

Ob es ohne Kühlkörper geht, müsstest du durch rechnen, im Datenblatt ist ja die Erwährmung pro Watt Verlustleistung angegeben (100°/W ohne bzw 50°/W mit Kühlfläche auf der Platine). Gerade mit den Verlusten durch die Interne Diode und die Schaltverluste könnte es knapp werden.

Bin auch schon gespannt auf dein Design.

Also ich weiß, dass es nicht böse gemeint ist, aber ich glaube, das Layout ist böse xD
Hier mal drei Bilder von Top & Bottom , Top und Bottom. Hätte auch noch die .lay Datei, aber ich denke mal, darauf sollte man alles erkennen können?!
Anhang 27242
Anhang 27243
Anhang 27244

Natürlich fehlen noch die ganzen Block-C's, Spannungsregler, µC Beschaltung, Zero-Cross-Schaltung, usw... Aber ich dachte mir, bevor ich mich jetzt stundenlang hinsetzte und dann sowieso wieder alles ändern muss, mach ich erstmal nur das heikelste ;)
Beim µC dachte ich daran, eine AutoMasse Sperrfläche einzubauen, damit er nicht so direkt an der dreckigen Spannung sitzt!? Die beiden Pads links unten sind VCC & GND, die 3 Pads links oben sind für den Motor. Die restlichen Anschlüsse (PWM-IN & UART) kommen wohl auf die rechte Seite der Platine, wo insgesamt die Ganze Steuerelektronik hinsoll. Die Bauteile sind die oben erwähnten. Allerdings habe ich eben die Befürchtung, dass die Leitungen vom Halbbrückentreiber zu den FET's zu lang / verwunden sind, was ja wieder Kapazitäten mit sich bringt.
Ja, wenn ich gleich mal Zeit finde, rechne ich ein paar Beispieldaten durch (allerdings weiß ich ja nicht, wieviel Wärme von der Platine abgestraht wird / werden kann). Die max. 20A sind übrigens nur für die Zukunft, meine gewünschten Motoren (Roxxy BL2824-34) ziehen max. 10A, die reichen momentan dick ;)

Gruß
Chris

Ja, es lässt sich gut erkennen. Das Layout finde ich gar nicht so "böse" ;)
Im frühen Stadium kann man noch wenig Tipps geben. Ich stelle meine Layouts dreimal auf den Kopf, bis sie mir gefallen, weiß nicht wie das bei euch läuft... 8-[

Ich bin mir nicht sicher, ob man unter dem TO252-Gehäuse Leiterbahnen durchführen kann.
Normalerweise ist die Rückseite der MOSFETs fast komplett blank und kann zur Wärmeabfuhr genutzt werden. Das Pad am Drain ist normalerweise größer.
Zur Anordnung der Bauteile habe ich noch einen Vorschlag:

Code:

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          GND
Ausgang MOSFET Treiber
Ausgang MOSFET Treiber µC
Ausgang MOSFET Treiber
          VCC

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Eventuell lassen sich dann die Leiterbahnen der Versorgung besser ziehen. Das könntest du ausprobieren.
Grüße, Bernhard

Hi,

ja, bei mir ist es ähnlich, mir gefällts noch nicht so, rein optisch ;)
Mit dem Gehäuse hast du Recht, die Rückseite ist blank, das sollte ich wohl wirklich verlöten, um die Wärme besser abzuführen. Die räumliche Trennung von VCC & GND finde ich nicht so gut, v.a. weil das ganze ja (wie du evtl. schon bemerkt hast) auf einen Multikopter soll und da alle Leitungen verdrillt & eng beieinander sein sollten (kommt u.a. auch ein Kompass-Sensor drauf, der ist da empfindlich).
Aber wenn ich GND & VCC direkt nebeneinander packe, gefällts mir sehr gut! Eine ähnliche Idee hatte ich auch schon.
Bin gerade am Testen, melde mich später nochmal mit neuem Leistungsteil.

Gruß
Chris

Hi,

habs gestern nicht mehr geschafft, aber hier jetzt mal das neue Layout, gefällt mir persönlich sehr gut. Es fehlt noch:
- ein geeigneter Elko (welche Größe brauch ich den bei max. 20A)
- ein Shunt zur Strommessung

Als Funktionen / Eigenschaften hab ich jetzt:
- Spannung zw. 10 & 20V
- Strom max. 20A
- Spannungsmessung
- Temperaturmessung
- max. 16Bit PWM
- PWM Input
- TWI & USART zu Debugging Zwecken / later use herausgeführt
- 2 Leds zur Status Anzeige / Debugging

Hier mal die Bilder:
Anhang 27260
Anhang 27261
Anhang 27262

Was haltet ihr davon? Welchen Elko sollte ich verbauen? Low-ESR ist klar, aber welche Kapazität? Reichen die Kondensatoren neben dem SOT-223 (LM317)?
Welchen Widerstand sollte der Shunt in etwa haben?

Vielen Dank & Gruß
Chris

Achja:
Wie sollte ich den die Zero-Cross Schaltungswiderstände dimensionieren? Einerseits sollte die Spannung nicht zu klein sein, um das Rausch-Spannungsverhältnis klein zu halten, aber andererseits muss gewährleistet sein, dass keine zu hohe Spannung am µC anliegt (max. 2V).

Hallo

Alternativ zum Servosignal vielleicht noch I2C implementieren ?
Haette einige Vorteile.

Gruesse

I2C hat er doch raus geführt, nennt sich bei Atmel TWI

Gibt es zum Layout noch einen Schaltplan?

Ansonsten schau ich mir das grad mal an, editiere den Beitrag dann noch mal.

Edit: (top = grün, bot = blau)
- Wenn du die FETs ohne Kühlkörper nutzen willst, sollte so viel Kupfer zur Kühlung genutzt werden, wie möglich. (Top und Bot würde noch einiges mehr gehen)
- Bist du dir Sicher mi den Pads unter den Mosfets? sehen für mich zu klein aus. (vergleich lieber nochmal hier mit: http://www.vishay.com/docs/95016/dpak252a.pdf)
- Auf der Top-side würde ich entweder die kleinen Verbringung zwischen den unteren Pins des FETs entfernen (clearens erhöhen) oder, was mMn. besser wäre den mittleren Pin raus schmeißen und die Fläche zur Kühlung nutzen
- Es befindet sich noch einiges an totem Kupfer in der Schaltung, das sollte man noch entfernen. Müsste es bei den Masseflächen eine Option für geben
- Den LM317 würde ich um 90° (im Uhrzeigersinn) drehen, die 2 Widerstände zur Spannungseinstellung dann rechts daneben und die Kondensatoren dann direkt an den Ausgang. Danach dann den ATMega anschliesen.
- Die Fläche der Versorgungsspannung würde ich unter dem Mikrocontroller weg lassen und hier eine zweite mit 3,3V einfügen. Das verhinder A) dass durch einen Kurzschluss 20V am ATmega anliegen und B) die 3,3V lassen sich besser verteilen.


E2:

Zum Shunt, den solltest du so klein wie möglich wählen, der verbrät ja nur Energie. Du solltest am Ende halt auf eine Vernünftige Spannung kommen, mit der dein ADC/Comperatur gut arbeiten kann. 1mOhm wäre zwar wenig, am Ende bleiben aber nur 20mV zum Messen übrig, bei einer int. Referenz von 1V wird dann nur ein fünfzigstel deines Messbereichs genutzt, entsprechend ungenau wären dann auch die Ergebnisse. Wenn ich von einer Referenzspannung von 1V und 20A Last ausgehe, würde ich maximal 50mOhm nehmen, lieber etwas kleiner, falls doch etwas mehr strom fließt (zB. 40mOhm).
Wenn du eine externe Referenz nutzt, kann der Widerstand entsprechend höher ausfallen, unter Verwendung des internen Verstärkers, wider rum kleiner, etc. (Hängt zu sehr von den Rahmenbedingungen ab und dir einen Wert zu nennen)

Zitat:

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Zitat von robin

I2C hat er doch raus geführt, nennt sich bei Atmel TWI

......

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Ja, zum debuggen
Bei Quadrocopter wird das auch zur Ansteuerung genutzt.

Na, egal .......

Das muss man ja nicht für immer zum Debuggen nutzen ;)

Hi,

den Schaltplan stelle ich in ein paar Minuten rein, muss den gerade noch zeichnen ;)
Zum TWI:
Es macht IMHO keinen Unterschied, ob ich es zum debuggen rausführe oder später nutzen will? Die Anschlüsse sind zwar etwas klein, aber ich denke, das wird nicht die einzige Verbesserung sein, es bleibt bei mir selten beim ersten Laoyut ;) Trotzdem wird es wohl wieder rausfliegen, da TWI / I2C einfach zu langsam ist.

Zum Schaltplan:
- Die Pads unter den Fets sind zu klein, allerdings läuft unter den Fets auch GND zum Source durch (auf der Top seite)
- Der mittlere Pin der Fets kommt raus, ist wirklich überflüssig
- Glaubst du, dass das tote Kupfer Störungen verursacht? Ich layoute mit Sprint Layout, da gibts nicht soviele Möglichkeiten, müsste das dann von Hand wegmachen (Sperrfläche)
- Wieso würdest du den LM317 drehen? Damit die Anschlüsse kürzer werden?
- Die Sache mit dem Kurzschluss unter dem µC verstehe ich nicht. Der µC sitzt auf Top, auf dieser Seite ist GND als Groundplane ausgelegt.

Zum Shunt mach ich mir gleich mal Gedanken, jetzt erstmal den Schaltplan fertig machen.

Vielen Dank & Gruß
Chris

EDIT:
Hier der Schaltplan:
Anhang 27269

- Totes Kupfer wird als Kapazität und kann Störungen/Probleme verursachen und sollten deswegen vermieden werden. Wenn Sprintlayout (noch nie mit gearbeitet) das allerdings nicht automatisch kann , würde ich das erst ganz zum Schluss machen.
- den Lm317 würde ich drehen, damit die 3,3V einfacher von deinen 20V trennen kannst. Also in Verbindung mit dem nächsten Punkt.
- Ein Kurzschluss ist eigentlich nie gewollt und selbst wenn die 20V auf der Unterseite sind, du hast Verbindungen nach unten, an denen gelötet wird. Zwingend nötig ist es sicher nicht und es wird auch die Funktionsweise der Schaltung vermutlich nicht stören. Es macht aber in der Regel Sinn, in dem Bereich in dem du mit 3,3V Arbeitest auch entsprechend großflächig diese Spannung zu verteilen. die 20V brauchst du hier ja überhaupt nicht. letzteres ist definitiv der wichtigere Punkt.


Zum Schaltplan:
- Iiihh Papier :D
- beim IR2184 fehlen Kondensatoren!
1x min. 100nF für die Versorgung
1x XnF für die Boot-Strap (zwischen Vb und Vs) -> Berrechnung: http://www.silabs.com/support/Pages/...lator-faq.aspx (ich kam auf ca. 140nF -> wegen 20% Toleranz min. 170nF würde wohl 200nF nehmen)
- Beim Xmega fehlen die Cs im Schaltplan, sind aber glaub ich im Layout drin.


Mal eine Frage, wie willst du die Stromregelung machen? In Hardware mit dem Comperator oder Software über den ADC?

Ok, das Kupfer entferne ich am Ende, wenn der Rest fertig ist. Der LM317 wird gedreht und unter dem µC mache ich eine 3V3 Fläche.
Ja, die C's fehlen noch, mach ich gleich.
Ja beim XMega fehlen sie nur im Schaltplan, hatte vergessen sie einzuzeichnen.

Was meinst du mit Stromregelung? Meinst du Überstrom-Regelung? Also den Shunt will ich per ADC messen.

Gruß
Chris

EDIT:
Hab jetzt die Cs eingefügt, den LM317 gedreht, eine 3V3 Fläche eingefügt und die Zero-Cross Schaltungsteile auf die linke Seite der Fets gezogen.

Anhang 27270
Anhang 27271
Anhang 27272

EDIT 2:
Welche Dioden soll ich den verwenden? Reicht eine 1N4148 oder brauch ich da was "exotischeres"?

H,

hatte gestern leider keine Zeit mehr.

Die Diode sollte denk ich gehen.
Beim Layout würde ich immer noch größere Kühlflächen für die oberen Fets einplanen
Und bei der Strombegrenzung frag ich, weil hier der ADC uU. zu langsam sein könnte. Hier würde ich versuchen den internen Komperator mit DAC zu nutzen (bzw. als Option offen zu lassen)

Hi,

die Kühlflächen der Fets sind jetzt so groß wie möglich, allerdings:
Ich hab die Unterseite (blau) falsch rum aufgebaut -.- --> Fets, LM317 & Treiber sind falsch rum...
Der ADC des XMega arbeitet mit biszu 2MSps, das sollte passen.

Gruß
Chris

Hallo,
im Schaltplan fehlt bei den Treibern der Bootstrapkondensator (zwischen Kathode der Diode und Halbbrückenausgang), im Layout habe ich das auf die Schnelle nicht erkennen können, ob der drin ist.
Warum schaltest du 6 Keramikkondensatoren am LM317 parallel? Sollen das die Abblockkondensatoren für die Treiber darstellen? Falls ja, dann gehören die direkt an die ICs.
Wie breit kannst du die Leiterbahnen machen? Für 20A sollten es schon 5-6mm sein. http://www.mikrocontroller.net/artic...iterbahnbreite
Grüße, Bernhard

Hi,

der BootstrapC ist nur im Layout, hab den im Schaltplan vergessen. Die 6 C's am LM317 hab ich mal eingeplant, je nachdem wie dreckig die Spannung ist. Da es das erste Layout ist, wird sicherlich noch einiges neues kommen --> lieber mal etwas Puffer einplanen ;)
Direkt an den Treibern sind auch 100nF.
Die Leiterbahnen sind alle so dick als möglich, aber ich weiß, die sollten eig. teilweise noch breiter sein. Momentan nutze ich nur 10A Motoren, da sollte es auf jeden Fall reichen und beim nächsten Layout werden dann solche "Kinderkrankheiten" ausgemerzt.

Die Platine ist übrigens gerade fertig geworden, jetzt wird kontrolliert und bestückt, dann gehts an die Tests :D

Gruß
Chris

Zitat:

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Die Platine ist übrigens gerade fertig geworden, jetzt wird kontrolliert und bestückt, dann gehts an die Tests :-)

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Hätte nicht gedacht, dass das so schnell geht. Hut ab! ;)

Hi,

danke für die Blumen!
Leider hab ich bei dünneren Leiterbahnen ein paar Unterätzungen (die Ätzflüssigkeit ist schon zu verbraucht --> langer Ätzvorgang), die Funktion ist aber trotzdem noch gewährleistet.
Bin gerade dabei, die Hardware zu konfigurieren. Da ich (noch) nicht weiß, welche Größe die induzierte Spannung der unbestromten Phase haben kann, hab ich den Zero-Cross Spannungsteiler evtl. etwas zu groß dimensioniert, aber das kann ich ja noch ändern.
Außerdem ist mir aufgefallen, dass ich, dank dem Fet-Treiber, den aktiven Freilauf nicht extra implementieren muss, der ist schon Hardwaremäßig vorhanden :D
Nur das Thema Drehzahlregelung ist mir noch etwas unklar:
Ich kenne die akt. Drehzahl, aber nicht die max. Drehzahl --> ich kann keinen Fehler berechnen --> IMHO keine Regelung möglich?!
Mit der Regelung will auf sowas raus: http://www.youtube.com/watch?v=to7aj6kRFJw

Gruß
Chris

Hi,

nach etwas Testerei hab ich ein Problem festgestellt:
Egal welche Signale (PWM) ich an IN anlege, es gibt immer kurze Spikes an den Ausgängen (mit angeschlossenen Motoren). Außerdem bricht die Spannung am µC öfters mal ein, das liegt aber wohl daran, dass ich das Ganze am LNT betreibe (max. 3A).
Hat jemand eine Ahnung, an was das liegen könnte?

Gruß
Chris

EDIT:
Hab jetzt mal Pin 6 (Vs) und Pin 8 (Vb) gemessen, hier das Ergebnis:
Vs: Anhang 27303
Vb: Anhang 27304

Sieht IMHO nicht richtig aus. Kann es sein, dass die Diode ( 1N4148 ) falsch ist?

EDIT2:
Hab jetzt rausgefunden, dass wenn die Versorgungsspannung zwischen 9 und 10V liegt, läuft alles prima (auch die Bootstrap-Spannung stimmt) ... Über 10V sind starke Spikes auf der Versorgungsspannung, die dann u.a. den µC resetten lassen.
Könnte das Verhalten evtl. an Cs mit falschem Spannungsbereich liegen? Ich hatte zuwenig 100nf gekauft und hab zuhause noch welche gefunden, von denen ich aber den Spannungsbereich nicht kenne. Wenn diese jetzt nur 6.3V aushalten würden, könnte das das Verhalten erklären?

Hi,

also der Controller läuft jetzt schonmal, allerdings gibts noch einige Baustellen:
- Der Anlauf funktioniert nur manchmal. Momentan gebe ich einfach ein festes Drehfeld vor und hoffe, dass es eingehalten wird. Nach einiger Zeit schalte ich dann auf Interrupt um. Allerdings hab ich wohl noch nicht die "optimale" Frequenz gefunden.
- Die Schaltung funktioniert wie gesagt nur zwischen 9 & 10V , werde aber gleich mal die Kondensatoren gegen andere mit mehr Spannungsfestigkeit austauschen, evtl. (hoffentlich) liegts ja daran.
- Das Einlesen der PWM ist noch nicht fertig programmiert, ist aber lediglich das Setzen einiger Register / deuten des Wertes.
- Strom & Spannungsmessung sind auch noch nicht drin, sind aber genauso schnell gemacht.
- Richtungsumkehr per Konfiguration.
- PWM-Timer auf Hi-Res umschalten, um mehr Auflösung zu bekommen (geplant sind ca. 2000 effektive Steps). Leider ist das DB des XMega an dieser Stelle nicht sehr lesefreundlich geschrieben, auch das Internet schweigt sich weitestgehend darüber aus ...
- Einige "Kleinigkeiten" wie Blockiererkennung , Überstromdrosselung , Datenausgabe per UART (/TWI) , Temperaturmessung , ...

Technische Daten:
- Pwm Frequenz 32kHz (sauberer Lauf & schöneres Geräusch bzw. kein Geräusch als bei 16kHz)
- Auflösung: ca. 800 Steps (geplant: ca. 2000)
- Spannung: zw. 10 & 20V
- Strom: max. 20A
- InputSignal: Pwm (geplant: 1kHz)
- Output: Uart (115200 Baud)
- 2 Leds zur Statusanzeige
- Strommessung --> Überstromerkennung & -drosselung
- Temperaturmessung --> Übertemperaturerkennung
- Spannungsmessung --> Unterspannungserkennung

Was mir aufgefallen ist:
- Anscheinend wird die Drehzahl auch ohne Software Regler geregelt, ich weiß aber nicht, warum das so ist. D.h. wenn ich den Motor versuche mit dem Finger abzubremsen, zieht er automatisch mehr Strom und versucht, die Drehzahl zu halten (im Rahmen der Stromversorgung).
- Die Drehzahl ändert sich in beide Richtungen (pos. & neg. Beschleunigung) sehr rasch.
- Mein TestMotor läuft fast perfekt, an einem Turnigy-Plush 10A läuft er erst garnicht an (hat einige Unwuchten / Schrammen).
- Die ganze Sache gestaltet sich leichter als gedacht. :D

ToDO:
Andere Motoren testen (insbesondere mit anderen kV Zahlen).
Oben erwähnte Dinge erledigen, anschließend mit Last an einem Lipo testen, Sicherheitsabstand einhalten und hoffen.

Wenn jemand Tipps / Fragen / Anregungen hat, immer her damit.

Gruß
Chris

Hallo,
das scheint bei dir ja alles wie am Schnürchen zu laufen ;)
Was mir noch eingefallen ist: Die IR2184-Treiber haben eine kleine Totzeit beim Umschalten, und zwar damit highside- und lowside-MOSFET nie gleichzeitig leitfähig sind (Vermeidung von "Querströmen").
Bei hohen PWM-Frequenzen kann das ins Gewicht fallen. Das Datenblatt gibt typ. 5µs deadtime an. Bei 32kHz, also einer Periodendauer von ~31µs sind 5µs etwa ein Sechstel. Der Treiber wird also auch nur bis zu einem bestimmten Tastverhältnis folgen.
Das Tastverhältnis der PWM darf aber sowieso nicht zu lange nahe 100% sein, da der Bootstrap-Kondensator regelmäßig über den lowside-MOSFET nachgeladen werden muss.
Grüße, Bernhard

Hi,

heute Nachmittag hat noch alles funktioniert, doch dann kam das Problem der Spannungsversorgung: Funktioniert nur zwischen 9V & 10V (ca.).
Hab mal nachgemessen und festgestellt, dass die Bootstrap Spannung Schuld ist. Diese ist nur in diesem Bereich vorhanden..
Hab schon versch. Kondensatoren ausprobiert (100nf, 220nf, 200nf), doch das alles scheint nichts zu ändern.
Gibt es da irgendwas spezielles zu beachten? Könnte es sein, dass die Diode ( 1N4148 ) Schuld ist? Oder das LNT (max. 3A)?
Der µC wird übrigens auch andauernd resetet (wenn die Bootstrap nicht funktioniert) --> evtl. kurzzeitig zuviel Strom?

Der DeadTime bin ich mir bewusst, bringt mir aber momentan nichts. Trotzdem danke für den Tipp!

Gruß
Chris

Eine Realisierung gibt es z.B. hier:
http://www.elektor.de/Uploads/Cache/...ized.454x0.jpg
(Elektor Wheelie)
Dort wird eine 1N4936 verwendet. Der Bootstrapkondensator ist 4,7µF parallel zu 100nF.
Grüße, Bernhard

Ich hab gerade mal zwei 220nF parallel geschaltet und es ist schon etwas besser --> dachte mir schon, dass er zu klein ist.
Kann ich da auch einen Elko verwenden? Sieht so aus (das macht vieles einfacher).
Werde mal die Teile morgen besorgen, dann wird sich zeigen obs funktioniert.
Hab heute übrigens mal die Kosten pro Regler grob überschlagen und festgestellt, dass die reinen Materialkosten nur unwesentlich höher liegen als bei gekauften Reglern.

Vielen Dank & Gruß
Chris

Hi,

also ich hab jetzt den Fehler gefunden:
Die Gate Widerstände waren zu groß (hatte 39Ohm). Hab jetzt mal 19.5Ohm und die Bootstrap funktioniert, werde aber wohl noch auf ca. 5Ohm runter gehen.
Jetzt muss ich noch einen / zwei Fets tauschen, einen hats wohl erwischt.
Dann kommt mal das Anlaufproblem dran. Wie macht man den sowas? Ich geb einfach eine feste Frequenz auf den Motor, ist das so richtig?

Gruß
Chris

EDIT:
Also der Fet ist getauscht, der Motor läuft sauber an und auch der normale Betrieb sieht sehr gut aus!
Jetzt kommt die Drehzahlregelung:
Ich hab die Idee, wenn die gewünschte Drehzahl (PWM-In-Signal) nicht geändert wurde, kann ich während der ersten paar Kommutierungen die akt. Kommutierungsfrequenz messen und Tiefpassfiltern. Das ist dann die Soll-Drehzahl, anhand dieser könnte ich dann die Drehzahl regeln.
ALLERDINGS:
Wenn der Motor schon von Anfang an mit erhöhter / dynamischer Last betrieben wird, ist die Soll-Drehzahl versch. Motoren nicht gleich.

Das wäre aber vermutlich auch nicht so schlimm, ist ja bei gekauften (sprich: bei meinen akt. Treibern, z.b. Turnigy Plush) ja auch nicht anders und der Copter fliegt.
Was meint ihr?

Hi,

also Spannungsmessung, Anlauf und Drehzahlregelung funktionieren jetzt (teilweise eingeschränkt).
Das Problem ist jetzt, dass wenn ich den Propeller montiere und den Motor auf min. ca. 3/4 der max. Drehzahl bringen will, sich der µC resettet. Als Spannungsquelle verwende ich einen Lipo, das ist also definitiv nicht das Problem. Auch alle Kabel sind auf die Spannung / Strom ausgelegt ---> der Fehler muss am Layout liegen. Kann es sein, dass die Idee, eine 3V3 Fläche zu machen, doch nicht so gut war? Ich werde jetzt erst mal eine Drossel einfügen und dann mal versuchen, den Fehler etwas einzugrenzen.

Gruß
Chris

EDIT:
Hab gerade mal versucht, den µC per LNT zu versorgen und den Rest per Lipo. Trotzdem resettet sich der µC wieder, muss also wohl an was anderem liegen... Evtl. sind die Widerstände der BEMF Schaltung falsch ausgelegt, sodass der µC kurzzeitig zuviel Spannung abbekommt. Muss ich gleich mal testen.

Hi,

also ich hab gerade mal gemessen und herausgefunden:
Die Pegel an den Motoranschlüssen gehen nicht von 0V bis xV, sondern von ca. -1.5V bis xV. Woher kommt das den? Kann mir das momentan überhaupt nicht erklären...
Wäre toll, wenn jemand nen Tipp hat, an was das liegen könnte.

EDIT:
Sorry für den Schmarn, war nen Messfehler... Bin langsam schon etwas am verzweifeln, aber werde den Fehler schon noch raus bekommen!

Vielen Dank & Gruß
Chris

Hi,

nachdem meine Regler nun schon seit einem halben Jahr gut laufen, möchte ich ein paar "Extras" hinzufügen.
Es soll ein Bootloader drauf, das Motortiming soll einstellbar sein, ebenso wie der Kommutierungsgrad. Außerdem soll eine Ring-Topologie integriert werden (USART), sodass der Hauptcontroller nur noch eine Anfrage senden muss und dann jeder Brushless-Controller seine Daten an den vorhandenen String anhängt.
Mein Hauptanliegen ist aber die Frage nach der Machbarkeit einer weiteren Bonusfunktion.
Ich würde gerne den aktiven Freilauf ausschaltbar machen. Da dieser aber eigentlich fest in der Hardware des Fet-Treibers (IR2184) integriert ist, fiel mir nur eine Lösung ein:
Den IN-Pin dauerhaft auf 1 setzen (normalerweise liegt hier die PWM an) und die Pwm stattdessen an den SD-Pin (lässt die fets floaten) anschließen. Allerdings bin ich mir nicht sicher, ob das bzgl. der Bootstrap Schaltung funktioniert?! Konnte diesbzgl. leider keine Infos im DB finden, evtl. hat jemand ja Erfahrungen oder Ideen?

Vielen Dank & Gruß
Chris

Hi Chris,

klasse :) .... wenn ich mal neugierig sein darf: in was proggst du und wie schnell taktet dein XMega ? Was für eine Motordrehzahl schaffst du damit ?

Gruss
Harry

Hi,

programmiert wird in C (Atmel Studio), der XMega läuft mit 32MHz. Welche Drehzahl ich damit schaffe, hab ich noch nicht ausgerechnet, weil ich normalerweise (bzw. bis jetzt) nur 1100kV (14Pol) an 3S betrieben habe, da bin ich wohl noch weit vom Limit entfernt. Die Drehzahl ist wohl nur durch die ISR des AC begrenzt, ich denke mal, diese braucht etwa max. 500 Takte zur Abarbeitung (nur geschätzt).

Gruß
Chris

Zitat:

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Ich würde gerne den aktiven Freilauf ausschaltbar machen.

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Hey Hallo!

Ich habe auch einen Regler gebaut, welcher inzwischen richtig gut funktioniert. Ich habe allerdings einen anderen µC ( Atmega88 ) und andere Fet Treiber genutzt, die die Sache nicht unbedingt einfacher gemacht haben, aber in deinem Falle jetzt warsch besser geeignet wären. Ich nutze die IR2101, mit denen könntest du eben auch einen Kurzschluss produzieren, aber du hast die volle Kontrolle über die ganze Schaltung. Bei den IR2101 ist es zumindest so, das ich die Lowside durchschalten muss, um den Bootstrap zu laden, ich hatte am Anfang gehofft, es reicht den High-pin einfach an 0V anzulegen. Also eben ohne aktiven Freilauf. Aber das ging nicht. Somit müsstest du einen größeren Kondensator wählen, der eine 1/6 el. Umdrehung lang durchhält, deinen Fet durchzuschalten.

Also ich denke, es ist schwieriger ohne aktiven Freilauf, zumindest wenn du solche Fet-Treiber nutzt. Und ich muss ehrlich sagen, das ich den Sinn dahinter nicht ganz verstehe, warum du den aktiven Freilauf ausschaltbar machen möchtest, da es ja eigentlich keine besseren Dreheigenschaften des Motors mit sich bringt, sondern ja nur dafür da ist, die Fets zu schonen.

Den Rest, den du vor hast, finde ich eine klasse Sache, das ist sicher interessant umzusetzen und macht mir direkt wieder ein jucken in den Fingern, mal wieder an meinen Reglern weiter zu basteln.


Dennis

Hi,

vielen Dank für deine ausführliche Antwort!
Ich habe nun schon von mehreren Seiten gehört (bzw. gelesen), dass der aktive Freilauf für Motoren, die in ihrem unteren Drezahlbereich betrieben werden, nicht so ideal sein soll, das wollte ich eben mal ausprobieren. Wenns nicht geht, ist das für mich auch kein Problem. Blöderweise hat der 2101 nicht das selbe Pinout (bzgl. der gleichen Pins), sonst hätte ich den einfach mal schnell testen können.
Auf jeden Fall werde ich mich hier die Tage mal melden, das neue Layout ist gerade aus der Ätzanlange gekommen, jetzt muss noch bestückt werden. Die SD Pins sind jetzt auch an PWM-fähigen Pins des µC, das ganze Layout ist kleiner und es gibt nun eine Hochstrom- und eine Kleinstrom-Seite, sodass die DuKos nichts mehr aushalten müssen.
Außerdem sind alle Pins nun etwas schöner rausgeführt (USART, TWI, PWM), sodass es auch einfacher ist, einige Platinen in eine große Verteilerplatine (Strom) zu integrieren (spart Verdrahtung, sieht besser aus, übersichtlicher).
Drückt mir die Daumen, dass ich keine gravierenden Layoutfehler gemacht habe (so wie bei meinem ganz ersten Versuch).

Gruß
Chris

Ah, ok, das habe ich bisher noch nicht gehört. Aber ich will auch einen Copter bauen, da braucht man keine niedrigen Drehzahlen, das ist ja eher für Autos oder Schiffe interessant. Aber wie dein IR darauf reagieren wird, kann ich dir auch nicht sagen, mein Englisch ist einfach zu schlecht, als das ich solche Details aus einem Datenblatt holen könnte. Es steht sicher drin, man muss es nur finden und das kann sich manchmal sehr schwer gestalten.

Dennis