DIY Brushless Regler 60 A mit Hall Sensor
Hallo,
ich habe mir als Ziel gesetzt, ein elektrisch angetriebene Bierkiste zu bauen. Die Mechanik sehe ich als unproblematisch, die größte Herausforderung sehe ich momentan im Antrieb.
Das ganze soll mehrere Ausbaustufen haben und zunächst mit 3 12V Starterbatterien in Betrieb genommen werden, später mit Lithium-Akkus und ggf. einem eigenen BMS.
Um meine Berechnungen mit praktischen Messwerten zu bestätigen habe ich einen Turnigy SK3 5065 Motor mit 235 KV gekauft und mit einem einfachen Regler (Hobbyking ESC HK-60A) an einem alten Fahrrad montiert. Damit konnte ich an 12 V die angepeilten 12 km/h erzielen (mit der entsprechenden Übersetzung).
Da der Regler Sensorlos arbeitet muss man das Fahrrad natülich anschuppsen...
Jetzt folgt der nächste Schritt: ein eigener Brushlessregler der den Motor effekiv ansteuert, geregelt anfahren kann und die aktuellen Werte mitschreibt (Strom, Spannung, Temperatur etc. ...)
Hierzu habe ich zunächst den vorhandenen Regler von seiner Schrumpfschlauch-Verpackung befreit und versucht die verwendeten Bauteile ausfindig zu machen:
Zunächst ist ein Step-Down-Wandler mit einem nachfolgenden LM7805 vorhanden. Weiterhin ein Atmel Mikrocontroller.
Die Mosfets ( Aufschrift M3016D 543 / 545 ) sind für High- und Low-Site jeweils im Dreieckpack parallel geschaltet. Getrieben werden sie mit einem Treiber ( 5109B PCDI - der TI LM5109B scheint naheliegen).
Was ich vermisse ist ein Shunt!
Wie wird hier die Strommessung umgesetzt? Kann es sein, dass hier der Spannungsbafall über die Mosfets betrachtet wird? Es scheinen keine weiteren Bauteile vorhanden zu sein, die den Strom in irgendeiner weise messen könnten.
Gruß Erik
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Ich bin mit einem ähnlichen Projekt zugange. Als Motor zum Testen habe ich einen Nabenmotor, der für ein Fahrrad gedacht ist. Er hat daher Sensoren. Um erstmal etwas funktionierendes zu haben, hab ich mir diesen Controler beschafft. Das hat dann schon mal funktioniert.
Anhang 32351
Obwohl für diesen Test nicht nötig hab ich ihm aber schon mal einen Kühlkörper spendiert. Der war in einem früheren Leben mal ein CPU-Kühler.
Anhang 32352
So weit ich die Ansteuerung eines BLDC verstanden habe, braucht man den Strom nicht. Das einzige, was man braucht, ist die Position des Rotors, um das Feld des Stators passend auszurichten. Wie man die Position des Rotors bestimmt, über Sensoren oder die Back-EMF, ist eigentlich egal. Den Strom braucht man dazu nicht. Auf meinem Controler erkannt man einen Shunt. Ich vermute aber, daß er für den Überstromschutz gebraucht wird.
MfG Klebwax
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Zitat:
Zitat von
erik_wolfram
Welche Leistung besitzt der Motor denn?
Die offiziellen Angaben sind 24V und 250W, wobei ich diese Werte nur begrenzt ernst nehme. Die wirkliche Grenze ist bei Elektromotoren eigentlich nur die Temperatur. Eine Spannung zu erreichen, bei dem ein Durchschlag in der Wicklung erfolgt, ist unwahrscheinlich. Dazu braucht man sicher einige hundert Volt. Und ein Strom, der die Wicklung spontan verdampft, wird man auch bei diesen Spannungen nicht erreichen. Alles andere hängt aber nur an der Temperatur. Die 250W passen auch gut zu den europäischen Regeln für Pedelecs, ein Verkaufsargument für Nichttechniker. Man kann da sicher mehr herausholen.
Ich habe ein umgebautes Fahrrad mit einem etwas größeren Nabenmotor, bei dem ich im Betrieb gemessen habe. Mit ca. 800W hab ich so knappe 30kmh erreicht. Mehr war mit den eingesetzten Batterien (10S LiFePo4) nicht zu erreichen. Da waren aber die 250W Pedelecs noch kein Thema, trotzdem kamen 800W in der Motorbescheibung nicht vor.
Zitat:
Der von mir ausgewählte Motor besitzt eine Leistung von ca. 2,5 kW und ist für 60 A angedacht. Der Motor hat einen Innenwiderstand von ca 20 Milliohm. Wenn ich diesen mit 36 Volt bespaße fließen deutlich mehr Ampere als die angegeben 60 A. Die Tage werde ich aber nochmal die Induktivität messen um zu gucken wie deren Einfluss darauf ist. Nichtsdestotrotz habe ich im Stillstand einen zu hohen Strom, welchen ich begrenzen muss/möchte.
Je nachdem wie linear sich der Widerstand am Mosfet verhält erscheint mir das dann als attraktivere Methode den Strom zu ermitteln.
Ich habe mir meinen Controller nur von außen angesehen. Bevor ich einen weiteren bekommen habe, will ich ihn nicht gefährden. Solange ich keinen eigenen fertig habe brauche ich die fertig gekauften zum Testen meiner Mechanik. Die FETs sind stramm auf der Unterseite montiert, die Bezeichnung ist nicht lesbar.
Der Strom wird über einen Shunt gemessen. Er ist auf meinem Bild links unten zu erkennen. Nach dem Datenblatt hat der Controller eine Strombegrenzung bei 20A und verkraftet 500W (mit einem Kühlkörper).
Den Bahnwiderstand eines FETs als Shunt zu benutzen halte ich für problematisch. Erstens ist er stark von der Ansteuerung und der Temperatur abhängig. Die Rdson Werte auf der ersten Seite des Datenblattes schreibt eher das Marketing. Die realen Widerstände, der Die des FETs muß ja auch irgendwie mit dem Rest der Schaltung und dem Motor verbunden sein, finden da keine Berücksichtigung. Zum zweiten liegt am FET, je nach Schaltzustand der Brücke, die volle Betriebsspannung an. Das erschwert die Messung der kleinen Spannung zur Strombestimmung ungemein.
Zitat:
Ich habe mir jetzt Hall-Sensoren bestellt. Allerdings analoge ohne Schaltschwelle - ich möchte die aktuelle Rotorposition genau kennen und nicht einfach nur nach einem ausgerichteten Hall-Sensor schalten (was ich natürlich auch ohne Probleme machen könnte...)
Das ist nicht ganz so einfach. Ich hab da mal an einem anderen Motor, der solche Sensoren hat und mechanisch wesentlich zugänglicher ist als ein Nabenmotor, Messungen gemacht. Die theoretisch sinusförmige Hallspannung, aus der man eigentlich leicht den Winkel errechnen kann, war praktisch ziemlich deformiert. Ich führe das auf mechanisch Ungenauigkeiten und Sättigungseffekte zurück. Ich hab da zwar einen Plan, wie ich das mal messtechnisch erfassen kann, das wird aber noch ein wenig dauern.
Lineare Hallsensoren lassen sich leicht aus alten CD-Laufwerken gewinnen. Der Spindelmotor hat typischerweise solche Sensoren.
Anhang 32358
Wenn man genau hinschaut, sieht man die Sensoren unter den drei oberen Wicklungen. Sie haben 4 Anschlüsse, sind also reine Hallsensoren ohne eingebaute Elektronik. Damit kann man preiswert experimentieren.
Mein erstes Ziel ist es, einen eigenen Controller zu bauen, der das Gleiche leistet, wie der fertig gekaufte. Die nächsten Ziele sind dann eine digitale Anbindung an einen Fahrzeugcontroller (ein 0 bis 5V Signal ist nicht optimal), eine Drehzahlreglung, eine feinere Ansteuerung, höhere Leistung und ein besserer Wirkungsgrad. Das liegt aber alles noch in weiter Ferne. Zuerst geht es darum, daß bei einem blockierten Motor oder beim Abbremsen aus vollem Lauf kein Rauch aus dem Controller kommt.
Ich komme aus dem PIC Lager, wenn es nicht gerade etwas extrem simples ist setze ich PIC24xxx ein. Die PIC24xxMC (MotorControl) Varianten haben eine komfortable Ansteuerung für eine 3-Phasen Brücke, mit der ich bisher gut klargekommen bin. In dieser Richtung wird es also bei mir weitergehen.
MfG Klebwax
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Zitat:
Zitat von
erik_wolfram
Bei meinem Brushless messe ich damit 7 Pulse / Umdrehung (14 Pole). Bei einer Drehzahl von 1300 1/min waren die Flanken sehr sauber.
In wie fern ich damit eine genaue Lagemessung umsetze ist mir noch unklar.
Wichtiger ist, wie es bei kleinen Drehzahlen, im Stillstand aussieht. Beim Anlaufen kommt es besonders auf den Winkel an.
Die Auswertung der drei Signale ist eigentlich recht einfach. Jeder Sensor sieht ein um 120° Drehwinkel versetztes Signal. Dabei beziehen sich die Signale auf eine "elektrische" Umdrehung. Da du 7 Pol-Paare hast, ist das 1/7 einer mechanischen Umdrehung. Der Ansteuerung ist das aber egal, sie wiederholt sich 7 mal pro Umdrehung . Die Signale sind theoretisch sinusförmig wie hier:
Anhang 32370
Dein Sensor liefert ein Signal, wenn das Feld positiv ist, und kein Signal, wenn das Feld <= 0 ist. Bei drei Sensoren gibt es 8 mögliche Kombinationen. Alle Signale auf 1 (an allen Sensoren gleichzeitig ein Feld in der gleichen Richtung) oder alle Signale 0 (an allen Sensoren kein Feld) kommt nicht vor. Es bleiben also 6 gültige Codes. Damit kann man die 360° einer (elektrischen) Umdrehung in 60° große Teile zerlegen, die Position also mit einer Genauigkeit von +- 30° bestimmen. Wie die Codes für den jeweiligen Drehwinkel sind, kann man sich überlegen. Beobachtet man die drei Signale (Scope, LA oder drei LED) und dreht den Motor von Hand langsam, kann man das verifizieren. Das Ganze muß sich 7 mal bei einer mechanischen Umdrehung wiederholen.
Wenn man jetzt die drei Spulen so ansteuert, daß deren Feld möglichst orthogonal zur Rotorposition ist, sollte der Motor laufen. Dies bekommt man aber wegen der Auflösung der Sensoren bestenfalls auf +- 30° hin. Das wird dann als Blockkommutierung bezeichnet.
Mit analogen Sensoren könnte man die Auflösung verbessern. Bei den Messungen, die ich mit analogen Sensoren gemacht habe, waren die Signale leider nicht so schön sinusförmig wie im Bild. Die Magnete waren offensichtlich unterschiedlich und die Mechanik wohl nicht genau genug. Auch spielte wohl Sättigung in den Sensoren eine Rolle. Ohne intelligente Nachbearbeitung der Signale wird es schwer werden, die Auflösung real zu verbessern.
MfG Klebwax
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Zitat:
Zitat von
erik_wolfram
Weiterhin habe ich noch einen ACS709 Stromsensor +/-75 A zu liegen - ich habe es aber heute nicht geschafft diesen zu testen - ich bin mal gespannt, wie gut dieser geeignet ist. (Innenwiderstand liegt bei ca. 1mOhm)
Die Verlustleistung ist natürlich auch nicht ohne mit P = (60 A)^2 * 0,001 Ohm = 3,6 W.
Hast du hierzu schon einen Plan?
60A sind schon ganz schön sportlich. Du rechnest da 3,6W pro Milliohm aus. Nun sind 1 Milliohm leicht zu erreichen, eine schlecht angezogene Schraubklemme, eine Sicherung, eine Leiterbahn oder selbst eine Lötstelle. Dieser Rechner liefert für eine Leiterbahn mit den typischen 35µ Dicke, einer Breite von 1,25mm und 25mm Länge schon mal 10 Milliohm. Da bleiben dann bei 60A 0,6V liegen. 1m Kabel mit 2,5² hat auch schon 13 Milliohm und setzt rund 45W um (SMD Lötkolben haben auch diese Leistung).
Ich hab mal Sicherungen für 60A bestellt und war erstaunt, was ich bekommen habe. Auf dem Katalogbild sahen sie wie gewöhnliche KFZ-Flachsicherungen aus. Hier mal ein Größenvergleich:
Anhang 32373
Viele von den "einfachen" Schaltungen leben von diesen Widerständen. Sie arbeiten als Strombegrenzung.
Wenn es um die Messung des Gesamtstrom des Motors geht, wird typisch ein Shunt benutzt. Auf dem Bild meines Controlers kann man den Draht, vermutlich Konstantan, erkennen. Ich hab chinesische Volt/Amperemeter, da waren entsprechende Shunts mit 75mV bei 100A mit bei.
Anhang 32374
Als Maßstab hab ich ein TO220 Gehäuse draufgelegt. Die Anschlußschrauben sind übrigens M8. Mit den eingesägten Schlitzen, die man unter dem TO220 erkennen kann, ist er abgeglichen worden.
Für einen ersten selbst entwickelten und programmierten BLDC Controler wäre mir das alles zu heftig. Jeder Fehler führt zur "Kernschmelze". Ich hab bei Experimenten mit hohen Strömen schon Kabel komplett von der Isolierung befreit. Ein wenig kann ein Netzteil mit einstellbarer Strombegrenzung helfen, aber für mehrere kW ist das nicht umsonst. Ich werd erstmal mit wenigen A starten und mich an die 10 bis 20A (250W+) herantasten.
Im Augenblick haben aber andere Projekte Vorrang.
MfG Klebwax
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Danke für den Hinweis. Der A3930 scheint interessant, aber ich frage mich, wie gut dieser Regler anlaufen kann. Da er Digitale Hallsensoren verwendet fällt die Auflösung der Rotorlage recht gering aus.
Andererseits ist der Baustein eine gute Alternative, wenn man eine eigene Ansteuerung umgehen will.
Bis jetzt möchte ich mich aber erstmal selber versuchen um viel lernen zu können.
Ich habe mich jetzt noch weiter bei Infineon umgeguckt. Nun gefällt mir der IRFS7434 recht gut:
Rds(on) < 1 mOhm
Vds = 40 V
Icont. = 240 A
Das Package ist ein D²PAK-7 - damit ist Drain und Source mit einem relativ großen Querschnitt herausgeführt.
Vds könnte ein bisschen größer ausfallen. Kosten tut der ca. 3,10 € / stk.
Bei einem Milliohm Widerstand und einem Strom von 70 A beträgt die Verlustleistung lediglich 4,9 W - wenn ich 2 verwende nur 2,45 W pro Mosfet.
Zunächst habe ich mal kurz ein Layout für die Halbbrücken skizziert um Querschnitte und Lage der Kontakte/Anschlüsse grob festzuhalten. Die Spannungsversorgung werde ich durch große Kupferbleche mit einem großzügigen Querschnitt versehen.
Generell werde ich mit zwei Leiterplatten arbeiten: eine Isolationsgefräste Leiterplatte mit 70 µm (oder mehr wenn verfügbar) für die Leistung und eine geätzte mit 35 µm für die Ansteuerung/Logik.
Ein Bild des Entwurfs ist im Anhang. Der Nutzen fällt mit 100 x 47 mm noch recht gering aus. Hinzu kommen noch Befestigungsschrauben und Temperatursensoren an den Flächen U, V und W für den Motoranschluss.
Ob ich die Anordnung nochmal ändere wird sich später zeigen.
Jetzt überlege ich wie ich die Kühlung gestalten könnte:
Eventuell würde ich die Kupferschienen oberhalb der Leiterplatte vorsehen und Thermal-Vias nutzen um die Wärme der Mosfets auf die Unterseite der Leiterplatte zu führen und dort über eine Isolationsfolie einen Kühlkörper anbinden.
Die Ansteuerungsplatine würde ich dann mit größerem Abstand oberhalb der Leistung anordnen - da habe ich aber noch bedenken wegen der großen Ströme und möglichen Einkoppelungen.
@Peter: Ja die SD-Karte läuft - habe jetzt einen schicken Datenlogger mit Touchscreen :)
Anhang 32404
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Also bei durchgeschalteten zwei von vier FETs pro Halbbrücke komme ich auf max. 5 W Verluste (Ohmisch und Umschalten) pro FET Worst-Case.
Unter der Annahme, den Motor nur 15 Sekunden bei Maximalleistung laufen zu lassen sollte sich das in Grenzen halten.
Das Layout habe ich mitlerweile etwas abgeleitet - allerdings zunächst zu Gunsten der Ansteuerung. Der Querschnitt scheint mit 70 µm Leiterdicke akzeptabel für die 35 A pro FET (mit den 15 Sekunden).
An die großen Schraublöcher möchte ich mit 10 - 15 mm² Kupferschienen die Abwärme ableiten und die entsprechenden Potentiale zuführen. Falls ich die Leiterplatte doch nicht fräsen sollte könnte ich einen zweiten Layer auf der Rückseite nutzten um mit Thermal-Vias und großflächigen Kontaktflächen eine bessere Wärmeabfuhr zu erzielen.
Anhang 32412
Die Gate-Anschlüsse und deren Leiter werde ich mir nochmal genauer angucken - vor Allem um Induktionen zu unterbinden. Die Versorgungsspannung soll theoretisch horizontal zugeführt werden um vertikal Induktion zu vermeiden.
Die Abstände muss ich sicher noch großzügiger gestalten.
Thermisch werde ich mir die Schaltung ebenfalss nochmal vornehmen und gucken, wie ich die Abwärme besser in Griff bekomme.
Nichtsdestotrotz nehme ich eine Leistungsdrosselung in kauf, wenn die Leiterplatte zu grenzwertig gestaltet ist.
Den A3930 werde ich im Hinterkopf behalten. Zunächst kümmere ich mich erstmal um die Leistung und werde dort ein vorhandenes Evaluationboard zur Inbetriebnahme anbinden.
Dann werde ich weiter sehen.
Das mit der Schrittauflösung werde ich nochmal überdenken - hier reicht mein vorhandenes Wissen (noch) nicht aus um das beurteilen zu können.
Gruß Erik
[EDIT] Vielleicht möchte ich den Regler auch zum Rekuperieren nutzen - das steht aber noch in weiter ferne...
