Sterownik silnika DC, zmiana kierunku.

[krakus]

Witam Forum i użytkowników,

jestem nowy chciałbym Was prosić o zrozumienie,
jak również pomoc z racji Waszego doświadczenia.

Stanęliśmy z kolegą przed problemem zbudowania regulatora silnika DC.

Założenia:

- regulacja napięcia na zaciskach od min do 24V,
- w momencie min napięcia możliwość zmiany kierunku obrotów silnika,
- całość zasilana z akumulatorów,
- obciążenie regulatora silnik szczotkowy DC, możliwość obciążenia prądem 50A,
- regulator sterowany z µC - najprawdopodobniej atmega

- sterowanie części regulującej napięcie - PWM

- sterowanie części odwracającej kierunek obrotów - ???

Stan bieżący:

- część regulacji napięcia działa OK, tzn spełnia nasze oczekiwania,

konstrukcja minimalnie odbiega od stanu przedstawionego na załączonym schemacie,
- część odwracająca kierunek obrotów - w fazie wielkiego problemu, jednym słowem NIC.

Prośba:

brak odpowiedniej wiedzy z zakresu pracy mosfetów uniemożliwia nam dokończenie

urządzenia.

- czy nasza koncepcja - przełączanie regulowanego napięcia jest prawidłowa,
- jeżeli tak, to w jaki sposób zrealizować połączenie z µC,
- na schemacie z załącznika nie ma narysowanych diod przy mosfetach, oczywiście jest błąd,

- jak widać do odwracania kierunku chcę użyć dwóch mosfetów z kanałem N i dwóch z kanałem P,

czy istnieją hybrydowe mostki o takich możliwościach prądowych (50A).

Trochę informacji o silniku - jest silnik o konstrukcji umożliwiającej pracę dwu kierunkową,
podczas pracy nie wytwarza jakichś niepokojących zakłóceń,

badania organoleptyczne podczas jego pracy nie potwierdzają nadmiernego iskrzenia - przy różnych napięciach jak również obciążeniu.

Mam nadzieję że problem przedstawiłem w sposób przejrzysty i zrozumiały,
gdyby jednak było inaczej z pokorą przyjmuję chłostę.

Bardzo proszę o wszelkiego rodzaju uwagi, sugestie i rady.

Pozdrawiam

PS REV.pdf

[zschroekhrr]

Witam,

wbrew temu co piszesz widzę że jesteś dość dobrze zorientowany w temacie, możliwe że lepiej niż ja, ale mimo wszystko spróbuje doradzić.

Na początek muszę powiedzieć, że masz dość duże wymagania projektowe (24V i 50A)

Układ przełączania kierunku silnika jest jak najbardziej poprawny. Ponieważ prędkość silnika regulujesz napięciowo rozumiem przez to że nie będziesz puszczał PWMa na bramkę tranzystorów, to dobrze. Częste przełączanie tranzystora wymagałoby zastosowania jakiegoś układu podającego wysoki prąd na bramkę. Do tego celu stosuje się specjalne drivery podające przez krótki czas bardzo wysoki prąd, dzięki czemu tranzystor zamyka, bądź otwiera się bardzo szybko. Jest to ważne, ponieważ w momencie przełączania rezystancja tranzystora jest na tyle mała, że płynie przez niego duży prąd, ale wciąż na tyle duża by tranzystor szybko się nagrzewał. Obrazując to przykładem przy napięciu 24V i rezystancji 1Ohm na tranzystorze popłynął by prąd 24A. Moc odłożona na tranzystorze to I^2*R czyli 576W. Przy takiej mocy tranzystor odleciałby w kosmos momentalnie. Docelowo w pełni otwarte mosfety mają bardzo niskie rezystancję, najlepsze dochodzą nawet do 1mOhm. Przy zakładanym przez Ciebie prądzie 50A na tranzystorze miałbyś 2.5W. Taki tranzystor w obudowie TO-220 nie potrzebowałby nawet radiatora. Tak niskie rezystancję mają jednak tylko MOSfety z kanałem typu N. MoSfet typu P to rezystancja przy pełnym otwarciu na poziomie 20mOhm (najlepszy jaki znalazłem na TME). Więc na tym odłożyłaby się moc 50W.

Ponieważ nie będziesz puszczał PWM na bramkę to ładowanie bramki wysokim prądem nie jest sprawą krytyczną. Myślę, że z powodzeniem możesz sterować bramkami bezpośrednio z procesora (jeżeli użyjesz ATMegi to masz na nodze 5V i wydajność prądową 20mA). Taki prąd w zupełności wystarczy. Musisz tylko uważać, żeby nie obciążyć zbyt mocno całego portu procesora, bo ten też ma jakąś wydajność i jak ze wszystkich nóg spróbujesz dać 20mA to się spali. Ponieważ na procku masz napięcie 5V jako tranzystorów z kanałem N musisz użyć takich, które przy tym prądzie mają już pełne otwarcie (seria IRL****). Nie wiem jak jest z kanałem P, jeżeli tam też są tranzystory które reagują na -5V to należy ich użyć, jeśli nie to użyj zwykłych, ale pamiętaj że z napięciem zasilającym (regulowanym) nie powinieneś schodzić poniżej progu pełnego otwarcia tranzystora (bo wtedy wzrośnie ich rezystancja i zaczną się grzać).

Polecam wszystkie 4 tranzystory podłączyć do jednego radiatora (oczywiście odizolować). W tym układzie tranzystory N nie powinny się w ogóle grzać, ale na wszelki wypadek podłączony radiator nie zaszkodzi, natomiast z tranzystorów P będzie się grzał tylko jeden z nich, więc zastosowanie dwóch radiatorów byłoby narzutem wagowym.

Dodatkowo potrzebne jest zabezpieczenie przed prądem wyindukowanym w silniku po tym jak wyłączysz wszystkie tranzystory. Rozpędzony silnik może wygenerować kilka wysokonapięciowych szpilek które spalą twoje tranzystory. Prądem nie należy się martwić, ponieważ upłynie przez diody które są wewnątrz tranzystorów. Natomiast to napięcie musisz obciąć stosując diodę zabezpieczającą wpięto równolegle z silnikiem. Dobrze też jest wpiąć jakiś szybko reagujący kondensator.

Mam nadzieję, że którakolwiek z powyższych informacji Ci się przyda, pozdrawiam i życzę sukcesów.

[Xweldog]

Witam

Powyższy wywód nie jest do końca ścisły. Masz obciążenie indukcyjne ( silnik ) a na takim prąd się opóźnia względem napięcia. Tranzystory załączają się "bezprądowo", nie grzeją się od zboczy narastających.

Podaj, jaką częstotliwością PWM chcesz kluczować. Gdyż przełączanie trwa góra µs - a jeżeli będziesz to robił co ileś tam ms to zobacz sam, jak marginalny będzie "współczynnik wypełnienia" obszaru grzania od zboczy / do częstotliwości bazowej.

Zboczami trzeba się martwić ale przy kluczowaniu częstotliwościami w kHz i wyżej.

Jakich chcesz użyć MOS-ów P do ok. 50A ?

[krakus]

Witam, bardzo dziękuję za zrozumienie i udział w temacie.

Podaj, jaką częstotliwością PWM chcesz kluczować.

Założeniem jest że tranzystory z mostka będą sterowane poziomem H i L,

nie wiem czy te napięcia jakie podaje µC będą wystarczające.

Jeżeli konieczne będzie zastosowanie PWM też nie będzie problemu,
Opisując problem zadeklarowałem - ??? - brak koncepcji.

Sposoby sterowania tranzystorów w mostku H do jakich dotarłem w necie są rożne:

- jeżeli mostek ma również regulować napięcie - PWM,
- jeżeli tylko przełączać - poziom albo PWM.

Innymi słowy - nie odpowiem na to pytanie, bardziej licząc na Wasze sugestie,
czym sterować te tranzystory. W podtekście chyba ważnym wątkiem jest to że mostek

ten jedynie przełącza polaryzację silnika.

A czy rozwiązanie:

Ponieważ prędkość silnika regulujesz napięciowo rozumiem przez to że nie będziesz puszczał PWMa na bramkę tranzystorów...

...Myślę, że z powodzeniem możesz sterować bramkami bezpośrednio z procesora (jeżeli użyjesz ATMegi to masz na nodze 5V i wydajność prądową 20mA)

nie byłoby słusznym?

Jakich chcesz użyć MOS-ów P do ok. 50A ?

Nie wiem, może istnieją scalone mostki H ? Również i w tym wątku liczę na podpowiedź lub sugestie.

Czy zastosowanie MOS z kanałem N w górnych gałęziach mostka w układzie bez regulacji a jedynie jako przełącznik ma rację bytu??

Pozdrawiam, liczę na dalszy rozwój tematu.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[nes86]

Sterowanie tak dużym prądem to bardzo trudne zagadnienie, ale można je sprowadzić do bardzo prostego układu.

Po pierwsze nie dostaniesz scalonych Mostków H które są w stanie sterować takim prądem i napięciem. Przynajmniej nie w Polsce.

Po drugie nie rozumiem dlaczego prędkość silnika chcesz sterować napięciem a nie sygnałem PWM, sterowanie napięciem 0-24V przy 50A jest strasznie trudne i w praktyce może okazać się dla ciebie nie wykonalne, a poza tym jest w praktyce nie stosowane. Musisz uświadomić sobie jakie ilości ciepła mogą wydzielać się przy tak dużym prądzie.

W podanym przez ciebie schemacie regulacje napięcia masz zrealizowaną na stabilizatorze liniowym, taki sposób regulacji spowoduje że w skrajnym przypadku możesz mieć na nim straty mocy rzędu kilkuset Wat, a tą moc musisz odprowadzić do otoczenia w postaci ciepła co równa się zastosowaniu bardzo dużych radiatorów, albo innego wymyślnego systemu chłodzenia. Drugi błąd to połączenie równolegle kilku tranzystorów bipolarnych. Produkowane tranzystory nie mają identycznych parametrów i w praktyce taki układ nie spowoduje, że przez tranzystory będzie płynął taki sam prąd tylko przez jeden tranzystor będzie płynął duży prąd a przez inny mały prąd. Połączenia równoległe tranzystorów można realizować na tranzystorach polowych (MOSFET, JFET itp.) ale nie na bipolarnych

Najprostszy układ sterowania silnikiem o dużym prądzie wygląd tak:

Przełączanie kierunków realizowane jest na dwóch przekaźnikach a prędkość regulowana jest sygnałem PWM na MOSFET-cie, ewentualnie możesz zamiast PWM podłączyć tam sygnał napięciowy. Przełączanie kierunków ma odbywać się tylko przy zatrzymanym silniku, więc praktycznie odchodzi problem zużywania się styków przekaźnika. Jako MOSFET-a możesz wykorzystać tranzystor z serii IRL i sterować go bezpośrednio z uC, ale aby zminimalizować wydzielanie się na nim ciepła warto zastosować specjalizowany sterownik. No i zamiast grzejącego się stabilizatora i kilku tranzystorów masz tylko jeden tranzystor.

[Xweldog]

Nie zrozumiałem Ciebie, zapytałem o PWM dlatego, że to jest jedyny sposób na efektywne sterowania obrotów silnika DC. Tylko on zapewnia taką regulację z zachowaniem ( w miarę ) mocy silnika. Regulacja Uz jest do bani.

Zapytałem też o MOS-y P gdyż robiłem mostek z podobnym prądem i brakuje takich. W TME są jakieś SUM czy tp. ale b.drogie więc zrobiłem inaczej. Zamiast "górnych" MOS-ów dałem przekaźnik samochodowy 70A SPDT. On przyłącza odpowiedni koniec silnika do +Uz natomiast kluczowane są tylko "dolne" chanel N.

[Bobby]

A ja korzystając z tematu zapytałbym o driver mosfetów. Znalazłem u siebie w sklepie IR2104, jak DS podaje, jest to właśnie driver mosów/igbt. Nie bardzo jednak rozumiem jego aplikację, jest na pierwszej stronie datasheeta. Z tego co jednak wymyśliłem, można by użyć dwóch takich driverów i czterech mosfetów N do całego mostka H? Trochę to dla mnie zbyt piękne, żeby było prawdziwe, szczególnie, że ten IR jest stosunkowo tani (6pln). W załączniku DS, coby nie szukać.

ir2104.pdf

[GruX]

Też się kiedyś nad tym zastanawiałem, dokładnie nad tym układem;) To jest driver pół mostka teoretycznie dwa takie i mamy pełen mostek;) Ale jak to działa w praktyce w końcu nie sprawidziłem:/

[Xweldog]

Ta kość jest dedykowana owszem - do mostków - ale z przekątnymi pracującymi przemiennie ( zgrzewarki, spawarki, wibratory ) co cykl. W cyklu gdy "dolny" przewodzi i ma zwarte DS przez diodę ładuje się C gromadząc ładunek do zasilania drivera sterującego "górny". Ten C nie może zasilać drivera zbyt długo, musi być co raz doładowywany.

Teoretycznie można tę kość zastosować do napędzania silnika PWM ale trzeba by kombinować. Doładowywać ten C w przerwach współczynnika wypełnienia ( duty ) PWM. Ale i tak nigdy się nie osiągnie duty 100%.

[Bobby]

No właśnie, tak sądziłem, że jakieś dziwności są w tym driverze, ale nie bardzo potrafiłem to zrozumieć. Na pocieszenie sobie mogę powiedzieć, że całkiem prosty 'driver' mosfetów można zrobić z komparatorów :] http://letsmakerobots.com/node/18633 Tylko w sumie, czy jest sens? Bo tranzystory w smd nie zajmują prawie miejsca, a będą chyba tak samo skuteczne.

[Xweldog]

Nie bardzo się z Tobą zgadzam. To jest jeden z bardziej rozbudowanych układów jakie spotkałem tworzony z myślą "co by tu jeszcze scomplikować". Dokładnie to samo można zrobić o wiele prościej, niemalże na samych R.

[krakus]

Witam, dziękuję za wypowiedzi.

Po pierwsze nie dostaniesz scalonych Mostków H które są w stanie sterować takim prądem i napięciem. Przynajmniej nie w Polsce.

🙁

Po drugie nie rozumiem dlaczego prędkość silnika chcesz sterować napięciem a nie sygnałem PWM, ...

... możesz mieć na nim straty mocy rzędu kilkuset Wat...

... połączenie równolegle kilku tranzystorów bipolarnych. Produkowane tranzystory nie mają identycznych parametrów i w praktyce taki układ nie spowoduje, że przez tranzystory będzie płynął taki sam prąd tylko przez jeden tranzystor będzie płynął duży prąd a przez inny mały prąd...

Wytłumaczenie jest prozaiczne, układ jest, działa i wolelibyśmy go nie zmieniać,
taki wariant został założony na wstępie prac i zrealizowany. Teraz mam wiedzę że mogliśmy

inaczej rozwiązać konstrukcje części do regulacji obrotów, wtedy tej wiedzy nie miałem.

Tranzystory w stabilizatorze to BD250 - bardzo precyzyjnie dobrane spośród sporej ilości

dzięki życzliwości obsługi jednego ze sklepów. Co do straty mocy - grzania się układu

nie jest tak tragicznie - no oczywiście poza aspektem ekonomicznym.

Nes86 - wspomniałeś o wariancie z dwoma przekaźnikami, biorę pod uwagę ten wariant,
ale wolałbym uniknąć elementów stykowych.

Co prawda układ przełączania z wykorzystaniem przekaźników rozważałem trochę inny - Twoja koncepcja jest zdecydowanie prostsza.

Podsumowując dotychczasowe wypowiedzi dochodzi do mnie że jest to trochę trudny

motyw do zrealizowania - próbując trzymać się mojej wersji,

bo kłopot z MOS z kanałemP, bo brak gotowych mostków a w zasięgu ręki jest prostszy wariant z ... przekaźnikami.

Moja wizja jak widać powoli legnie w gruzach, ale chyba słusznie.

Nos86, rozumiem że MOS z Twojego schematu służy jedynie do regulacji obrotów??

Dla zakładanego przeze mnie poboru prądu (50A) jakiego powinienem użyć??

[zschroekhrr]

Jeżeli zdecydujesz się na wersję z jednym tranzystorem polecam zastosowanie czegoś górnej półki. Np IRLB3034 (40V, 340A, 1.4mOhm). Nie potrzebujesz takiego prądu, ale dobrze mieć zapas. Trochę kosztuje bo 9zł (na tme, przy zakupie jednej sztuki). Ale lepiej mieć zapas, a ponieważ potrzebujesz tylko jednego na układ wydaje mi się, że zaoszczędzenie 5zł jest bezsensowne. Gdybyś prowadził produkcję seryjną, to co innego:)

Odpowiadając na wcześniejsze pytanie jakiego MOSa P bym użył na 50A:

Spróbowałbym z czymś takim IRF4905. Dokumentacja podaje że wytrzyma 74A co oznacza, że jeżeli zapewnisz bardzo dobre odprowadzanie ciepła to ten tranzystor to wytrzyma. Jeżeli chodzi o odprowadzanie ciepła to nie zawsze potrzeba montować radiator... tylko trzeba go sobie znaleźć. Jeżeli masz ciężką stalową obudowę to świetnie się sprawdzi:). Wracając do sedna sprawy, jeżeli prąd 50A jest prądem ciągłym pobieranym przez Twój silnik to nie polecam układu mostku H z tranzystorami MOS P. Natomiast jeżeli Twoje silniki ciągną normalnie 10-20A, a 50A to prąd chwilowy to robienie tego w ten sposób ma sens.

Układ na przekaźniku zaprezentowany powyżej nie ma niestety hamulca. Jeżeli nie jest Ci potrzebny polecam ten układ, jeżeli potrzebujesz hamulca ty tylko mostek H.

Pozdrawiam.

[Xweldog]

Zschroekhrr, coś Ci się pomyliło. Ten układ z przekaźnikami zawsze ma hamulec.

[zschroekhrr]

Masz rację, kiedyś używałem podobnego układu, ale zrealizowanego na jednym przekaźniku podwójnym. Tam były tylko dwie linie: PWM i kierunek. Tutaj masz 3 linie: PWM i 2 linie kierunku dzięki czemu masz hamulec.