Konstrukcja mostka H z odzyskiwaniem energii (Atmega324p)

[h.wiktor]

Witam wszystkich,

To mój pierwszy post na forum, które czytam już od pewnego czasu, ale obecnie potrzebuje waszej pomocy.

Mianowicie robię projekt sterownika do szczotkowego silnika DC, który symulować ma działanie układów stosowanych w samochodach z napędem elektrycznym, chodzi głównie o odzyskiwanie energii przy hamowaniu.

Najważniejsze podzespoły są pozyskane z modelu RC 1:10

Silnik:

http://www.hpiracing.com/en/part/1146

Akumulator:

http://www.hpiracing.com/en/part/101930

1800mah 7.2V, czyli przy pełnym naładowaniu ok. 8.4V i 3,5A przy maksymalnych obrotach silnika(sprawdzone z użyciem regulatora w modelu RC)

Sam sterownik opiera się na mikrokontrolerze Atmega 324p. Podłączone są do niego (na ADC) pedały z kierownicy komputerowej logitech, które sterować mają silnikiem symulując pracę samochodu (gaz/hamulec). Mam także wyświetlacz LCD HD44780 na którym wyświtlane są wartości z potencjometrów w pedałach i obroty silnika(prosty obrotomierz z transoptorem CNY70).

Moja koncepcja jest taka, żeby w momencie, kiedy mikrokontroler będzie wykrywał, że silnik obraca się, a wciśnięty jest pedał hamulca, bedzie ładowany akumulatora, a opory ładowania będą powodować hamowanie silnika.

O ile od strony programowej nie stanowi to dla mnie dużego problemu, to stworzenie mostka H do tego projektu trochę przerasta moją wiedzę i doświadczenie w konstrukcji takich układów.

Sam mostek chciałbym sterować bezpośrednio przez sygnały PWM z Atmegi, co wymaga użycia tranzystorów mosfet logic level, IRL. Przeczytałem oczywiście poradnik o mostkach, jednak nadal do końca nie wiem jak to ugryźć: czy potrzebne będzie jednak użycie innych tranzystorów i drivera do nich (tu przyznaję, że nigdy wcześniej nie używałem driverów)

Tutaj moja prośba, jeżeli macie pomysły co do konstrukcji takiego mostka z odzyskiwaniem energii przy hamowaniu, jakich tranzystorów użyć, czy konieczne są drivery, jaka powinna być częstotliwość PWM (z tego co czytałem powinna być około 1kHz) to proszę podzielcie się nimi.

Będę bardzo wdzięczny za pomoc:)

[marek1707]

To zanim zabierzesz się za projektowanie i budowę tego mostka (lub czegoś innego co będzie tu pasować) napisz co już o sprawie odzyskiwania energii wiesz. Na pewno, skoro robisz taki projekt, to trochę sobie przemyślałeś. Może spróbuj narysować nam taki przykładowy mostek zrobiony np. z przełączników - bo nie jest ważna technologia tylko idea, i narysuj prądy jakie płyną lub chcesz żeby płynęły, w których chwilach i w którą stronę. Wtedy wyjdzie czy w ogóle H i jak go komutować.

Na marginesie chciałbym przypomnieć, że energię odzyskujesz nie z silnika tylko z jadącego samochodu. To jego energia kinetyczna zamienia się w silniku na elektryczną. Moment bezwładności wirnika silnika jest znikomo mały w porównaniu do energii masy 1 tony sunącej z prędkością 60km/h. Tak więc, by uzyskać jakiekolwiek sensowne wyniki doświadczalne będziesz musiał jakiś zbiornik energii mechanicznej zrobić. Koło zamachowe o niezłej masie i dobrym łożyskowaniu to pierwsze co mi przychodzi do głowy. Masz to w planach? Policzyłeś to?

[h.wiktor]

To zanim zabierzesz się za projektowanie i budowę tego mostka (lub czegoś innego co będzie tu pasować) napisz co już o sprawie odzyskiwania energii wiesz. Na pewno, skoro robisz taki projekt, to trochę sobie przemyślałeś. Może spróbuj narysować nam taki przykładowy mostek zrobiony np. z przełączników - bo nie jest ważna technologia tylko idea, i narysuj prądy jakie płyną lub chcesz żeby płynęły, w których chwilach i w którą stronę. Wtedy wyjdzie czy w ogóle H i jak go komutować.

Dzięki za odpowiedz:) Rozumiem, jak najbardziej postaram się pokazać i dodać do tematu takie rysunki poglądowe z opisem w różnych stanach działania sterownika.

Na marginesie chciałbym przypomnieć, że energię odzyskujesz nie z silnika tylko z jadącego samochodu. To jego energia kinetyczna zamienia się w silniku na elektryczną. Moment bezwładności wirnika silnika jest znikomo mały w porównaniu do energii masy 1 tony sunącej z prędkością 60km/h. Tak więc, by uzyskać jakiekolwiek sensowne wyniki doświadczalne będziesz musiał jakiś zbiornik energii mechanicznej zrobić. Koło zamachowe o niezłej masie i dobrym łożyskowaniu to pierwsze co mi przychodzi do głowy. Masz to w planach? Policzyłeś to?

Co do samego odzyskiwania energii to tak, myślałem o tym, i zdaję sobie sprawę, że to energia mechaniczna zamieniana jest na elektryczną. Napęd ma być przekazywany przez przekładnie redukcyjna z silnika na wał (oczywiście z łożyskami). Co do samej masy na wale, miałem zamiar doświadczalnie ją zwiększać kontrolując temp. silnika oraz prąd jaki jest generowany.

Jeżeli samo koło zamachowe nie dawałoby wystarczającej energii, myślałem o użyciu dodatkowego źródła napędzania symulującego hamowanie, działającego w kierunku przeciwnym niż napęd np. Wkrętarki, lub innego silnika, który napędzałby wał, lub nawet ręcznym kręceniu korby umieszczonej na wale (zależy od przełożenia przekładni, jednak wydaje mi się że prędkość obrotowa byłaby zbyt mała w tym wypadku).

[h.wiktor]

Sorry za rysunki w paincie, ale tak było najszybciej.

Przedstawiają stany działania mostka, tak jak myślę że powinien działać:

1.Przspieszanie - sterowanie PWM (gaz)

2.Swobodne obroty silnika (toczenie)

3.Hamowanie z regenreracją - sterowanie PWM (hamulec)

Tak moim zdaniem wygląda przepływ prądu w momencie kiedy można wykorzystać obroty silnika do odzyskania energii elektrycznej. Jeżeli jest inaczej to proszę poprawcie mnie:)

4.Szybkie hamowanie (przy maksymalnym wciśnięciu hamulca)

Mam nadziję że trochę te obrazki rozjaśnią to co chcę osiągnąć. Proszę dajcie znać czy to ma szanse działać i jeżeli macie jakieś pomysły jakie tranzystory wykorzystać🙂

[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

[marek1707]

Nie obraź się, ale szczerze mówiąc z tego co na napisałeś w pierwszym poście właśnie takiego poziomu się spodziewałem. Niestety Twoje wyobrażenia o działaniu silnika DC, rozpływie prądów oraz hamowaniu regeneracyjnym sa dalekie od rzeczywistości. Możemy zrobić tak: albo podam Ci kilka punktów na podstawie których (mam nadzieję) zaczniesz dochodzić jak to powinno być zrobione albo sam zaczniesz czytać i dowiesz się jak temat wygląda, co już wiadomo i jak początkujący powinien się za to zabrać. Co wybierasz? Nie twierdzę, że wiem dużo ale jakiś poziom trzeba trzymać... czy robisz to jako jakąś pracę na studiach?

Acha i przy okazji: co to jest "+gen"? Może jestem w błędzie ale wydawało mi się, że chcesz mieć zasilanie akumulatorowe i ten sam akumulator chcesz ładować z powrotem podczas hamowania? Odpowiednia elektronika mierzyła by kierunki i wartości prądów dając możliwość nadążnej kontroli procesów elektrycznych oraz oceny sprawności samego napędu a w szczególności odzyskiwania energii. Tu na schemacie widzę źródło zasilania +8V i coś tajemniczego po lewej.

[h.wiktor]

Acha i przy okazji: co to jest "+gen"? Może jestem w błędzie ale wydawało mi się, że chcesz mieć zasilanie akumulatorowe i ten sam akumulator chcesz ładować z powrotem podczas hamowania? Odpowiednia elektronika mierzyła by kierunki i wartości prądów dając możliwość nadążnej kontroli procesów elektrycznych oraz oceny sprawności samego napędu a w szczególności odzyskiwania energii. Tu na schemacie widzę źródło zasilania +8V i coś tajemniczego po lewej.

Pisząc"+gen" miałem na myśli dodatnie napięcie genrowanego prądu, którym chcę ładować akumulator. Wiem tylko że nie może być on bezpośrednio podłączony do akumulatora, ponieważ musi on być ładowany prądem o stałych wartościach. Stąd moje oznaczenie.

Co do pierwszej częsci twojego postu, to tak, jest to praca na studia, do której chciałem skonstruować model praktyczny. Wiem że muszę się jeszcze dużo dowiedzieć na ten temat stąd mój post na forum:) Szukałem już co nie co w literaturze, ale teraz widzę że nie będzie to tak proste jak myślałem i muszę więcej o tym poczytać. Jednak jeżeli mógłbyś udzielić mi jakiś wskazówek, byłbym bardzo wdzięczny.

[marek1707]

Dobra, to zacznijmy od tego:

1. Dowiedz się jak wyglądają charakterystyki komutatorowych silników DC z magnesem trwałym. W szczególności zwróć uwagę na wykres prądu i momentu w zależności od obrotów. Dlaczego prąd jest duży przy zatrzymaniu a potem spada? Co to jest back-EMF, jaką ma wartość w czasie pracy silnika i jaki ma znak? Co to oznacza w trybie pracy jako generator?

2. Gdy już przez to przebrniesz zastanów się co możesz z silnika otrzymać z powrotem? Rozkręć go (w myślach) do ustalonych obrotów przy jakimś napięciu, zdejmij je i pomyśl co tam zaciskach jest, jaki ma znak i wartość? Nie chodzi o dokładne wartości liczbowe ale o szacunki i rozumienie zjawisk.

3. Zastanów się jak to wpływa na "interfejs" silnika do elektroniki. Jeżeli (uwaga: spoiler) dostajesz zawsze mniej napięcia niż wpuściłeś, to przeciż nie jesteś w stanie naładować tym tego samego akumulatora bez jakiegoś wsparcia.

4. Poczytaj o typach akumulatorów i wybierz tutaj taki, który rokuje. Czy musisz go ładować stałym prądem? Jak wygląda proces ładowania danej technologii? Skąd wiesz, że jest naładowany? Jakie są metody wykrywania naładowania konkretnych typów? Możesz ograniczyć się do NiMH, VRLA i LiIon/LiPol.

5. Wniknij w temat przetwornic DC-DC. Na razie zatrzymaj się na dwóch podstawowych topologiach nieizolowanych: buck i boost. Czy to jest jakimś światełkiem w tunelu? Czy można tego użyć do współpracy z silnikiem? Zrozum jak oba te układy działają i przemyśl podstawowe cykle pracy, zależności i wzory.

6. Zastanów się nad przetwornicą dwukierunkową, bo taka tu będzie potrzebna. To osobny, nośny temat będący na fali w właśnie z uwagi na napędy elektryczne samochodów. Tutaj wiedza z pkt. 5 będzie bardzo przydatna bo - jak się przekonasz - będzie to złożenie dwóch-w-jednym.

7. W międzyczasie, niejako przy okazji tematu DC-DC na pewno dowiesz się czegoś o MOSFETach. O ich parametrach, strukturze wewnętrznej (diody!), ograniczeniach itp.

Po tym wszystkim powinieneś już umieć narysować układ dwóch kluczy MOSFET stanowiących przetwornicę dwukierunkową współpracującą z silnikiem DC. To nie jest wszystko, bo są jeszcze przypadki szczególne np. naładowany akumulator a tu trzeba hamować itp ale taki układ spokojnie daje się sterować z małego procesorka, jest zaskakująco prosty i oczywiście umożliwia płynne sterowanie rozpędzaniem i hamowaniem regeneracyjnym z odzyskiwaniem energii do akumulatora.

Moim zdaniem nie ma to nic wspólnego ze słynnym mostkiem H i dlatego tak bardzo starałem się nie pisać o driverach itp szczegółach konstrukcji dopóki nie zrozumiesz, że po prostu nie tędy droga. Inaczej rozwiązywałbyś nie ten problem, który stoi przed sobą.