Brak możliwości sterowania górnym tranzystorem MOSFET z użyciem drivera IR2101

[marek1707]

Ponieważ nic nie wiemy a Ty nie jesteś skory do szczegółowych opisów, będę gdybał.

Silnik może być za "ciężki" w sensie elektrycznym i być może mostek dałby radę gdybyś go powoli rozkręcał. Bardzo mała rezystancja uzwojeń plus małe indukcyjności dają bardzo duży moment rozruchowy, ale kosztuje to ogromny prąd startowy. Być może generalnie jest to silnik za mocny i nawet w stanie ustalonym pobiera za dużo prądu - nawet nie wiemy jak bardzo jest duży lub większy od tego co działa. Może jakieś paramtery lub choćby zdjęcia? Być może jego wiek zaważył na stanie komutatora i szczotek a iskrzenie i niekontakty wygenerowały potężne impulsy, które załatwiły tranzystory. Być może trzeba mu dać dwa transile (lub jeden dwukierunkowy) bezpośrednio na zaciskach plus kondensatory plus dławiki szeregowe. Tego nigdy za wiele przy silnikach komutatorowych. A być może stare uzwojenia były kiedyś przegrzane lub silnik spadł lub mocno wibrował w czasie pracy i uzwojenia mają przebicie do rdzenia rotora lub zwarcie między sobą. Taki zwarty zwój (lub kilka) zmniejsza indukcyjność, poważnie zwiększa prąd tego jednego uzwojenia, wprowadza pulsacje w momencie mechnicznym i duże wahania pobieranego prądu. Coś sobie wybierz.

[kertoiP]

Na silnikach nie ma żadnych oznaczeń dlatego zrobiłem pomiary:

1. Silnik mocniejszy przy 8V pobierał 2.65A zmierzony omomierzem opór wyniósł 0.3ohm. Co do wieku to ma już ponad 10 lat ale przez ostatnie 8 nie był używany. Kiedy jeszcze testowałem działanie innych driverów w pewnym momencie zaczął dziwnie chodzić i bardzo mocno się nagrzał wtedy mogło się stać to o czym piszesz.

2. Silnik słabszy przy 8V pobierał 0.11A zmierzony omomierzem opór wyniósł 6ohm.

[kertoiP]

Mocny silnik wreszcie ruszył bez palenia mosfetów ale przy PWM ustawionym na 1V (takie napięcie było na silniku w trakcie pracy). Jest jakaś literatura albo inne źródło wiedzy gdzie można się więcej dowiedzieć o sterowaniu silników za pomocą PWM i mosfetów? Wiem jak liczyć straty mocy wydzielane na mosfetach wynikające z przełączania i z przewodzenia ale ich suma dalej spokojnie mieści się w bezpiecznym zakresie dla tej obudowy bez radiatora. Wszystko wskazuje na to, że właśnie ten prąd startowy we wcześniejszych przypadkach palił mosfety. Przy odpalaniu silnika bez PWM czyli dając napięcie stałe mosfety ani trochę się nie grzały, a więc jeżeli to się dzieje przy PWM to wydawało mi się, że przyczyną są duże straty mocy spowodowane przełączaniem ale to dalej nie to. Są jakieś alternatywy do rozkręcania silnika? Np. mocniejszy driver? Wiem, że nie ma na to jednoznacznej odpowiedzi ale jakiego rzędu może być mniej więcej czas potrzebny do rozkręcenia do pełnej mocy dla silnika mocniejszego z poprzedniego postu?

Dobrze rozumiem, że gdy dolny mosfet "hamujący" jest włączany to silnik hamuje i tak bez przerwy w danym okresie?

[Lukaszm]

Jeśli chodzi o literaturę, to takie informacje

Są jakieś alternatywy do rozkręcania silnika? Np. mocniejszy driver? Wiem, że nie ma na to jednoznacznej odpowiedzi ale jakiego rzędu może być mniej więcej czas potrzebny do rozkręcenia do pełnej mocy dla silnika mocniejszego z poprzedniego postu?

Możesz znaleźć w książkach na temat elektrotechniki.

EDIT:

Jeśli chcesz liczyć stałą mechaniczną silnika to potrzebujesz więcej informacji na temat parametrów silnika. Poza tym co podałeś musiałbyś znać indukcyjność uzwojeń, stałą momentową i napięciową i moment bezwładności wirnika. Jeżeli ten silnik był kupiony (a nie wyciągnięty z jakiegoś urządzenia) to jest szansa że w dokumentacji znajdziesz takie informacje.

[marek1707]

Podczas startu (dopóki nie ruszy) silnik komutatorowy wygląda jak szeregowy układ RL, bo jest to po prostu kawał cewki mającej swoją indukcyjność i rezystancję. Znajdź wzory na prąd takiego układu - są proste, ale niestey musisz znać indukcyjność. Mostek RLC to oprócz multimetru ważny przyrząd w pracowni. Prąd więc narasta, wzrasta też odpowiednio moment. Gdy ten przekroczy wartość tarcia statycznego, wirnik rusza. Od tej pory cewka obracająca się w polu magnetycznym zaczyna wytwarzać siłę elktromotoryczną (SEM) skierowaną przeciwnie do napięcia zasilającego i powodującą spadek prądu. Silnik się rozkreca (znaczy zwiększa obroty) dopóki spadający prąd nie zrównoważy oporów ruchu samego silnika i obciążenia. Dlatego silniki te są takie fajne i wciąż megapopularne - bo mają wbudowaną stabilizację punktu pracy. Zwiększające się obciążenie wału zmniejsza obroty, rośnie więc prąd (bo spada SEM) i rośnie moment aż do ponownego zrównoważenia większego obciążenia.

Tak więc start dużego silnika czyli mającego kilka zwojów grubego drutu na wirniku jest bardzo ciężki z punktu widzenia mostka. Mała indukcyjność powoduje, że prąd potrafi narosnąć bardzo szybko nawet w trakcie jednego okresu PWM. To też powoduje, że dla tytanów mocy trzeba podnosić częstotliwość, bo indukcyjne "wygładzanie" przebiegu prądu działa marnie. Zamiast ładnego trójkąta masz prawie prostokąt rozpięty od zera do prądu rozruchowego. Potrzeba dużego prądu by w ogóle rotor ruszyć z miejsca a dopiero wtedy zaczyna działać SEM i średni prąd maleje do wartości ustalonej.

W Twoim przypadku może dawać znać o sobie jeszcze inny efekt. Z czego zasilasz bramki? De facto z napiecia wejściowego, prawda? Jeżeli zasilanie 8V przysiada przy starcie - nawet na 10 czy 100ms - to w tym czasie tranzystory mogą się nie otwierać do końca i po prostu je smażysz jak frytki. Jeżeli masz "miekkie" zasilanie, to być może warto zasilać sam driver scalony napieciem odfiltrowanym i trochę "uspokojonym" np. przez rezystor 22R (i/lub diodę) i kondensatory 100nF/1uF/100uF. Dwa pierwsze ceramiczne. W ogóle blokowanie zasilania jest tu kluczowe. Mostek a w szczególności driver pobiera duże i krótkie impulsy prądu więc musi mieć w tym czasie skąd je wciągać. Jeżeli zabraknie szybkich ceramicznych w pobliżu, będzie to widział jak spadek poziomu zasilania w chwilach, gdy jest ono dla niego najważniejsze.

[kertoiP]

W takim razie sprawdzę jak będzie się zachowywał przy wyższych częstotliwościach PWM. Na chwilę obecną układ działał przy liniowym zwiększaniu PWM do 98% w czasie 75ms. Przy próbie zejścia do 25ms poszedł dymek.

Między zasilaniem a masą jest kondensator 4700uF/50V, a tuż przy driverze 1uF/25V ceramiczny.

Jeżeli przy wyższych częstotliwościach układ dalej nie zadziała zastanowię się nad powrotem do koncepcji sterowania dolnym mosfetem ze źródłem do masy poprzez jedynie dolny driver i za pomocą pompy ładunkowej hamować górnym mosfetem. Co najważniejsze odejdzie problem z prądem rozruchowym i będzie można dać 100% mocy.

[rektim]

Witam,

pozwolę sobie zadać pytanie w tym temacie.

Mianowicie czy wspomniany driver IR2101 nadaje się do sterowania MOSFETów wykorzystanych do sterowania silnikiem BLDC (MOSFETY w półmostku)?

Chodzi o silnik modelarski. Prąd max 16A, a napięcie około 12V, sterowanie silnikiem przez PWM. Biorąc pod uwagę zakres napięcia DS obsługiwanego przez ten sterownik (600V) wydaję się to trochę przewymiarowane jak na mały silniczek modelarski. Jednak nie mogę znaleźć sterownika "low/high side" o niższym napięciu.

Cały temat jaki realizuję ma na celu naukę budowy sterownika do BLDC. Dość uciążliwe jest jednak przeszukiwanie ofert sklepów oraz kart katalogowych i szukanie odpowiedniego sterownika przy moim małym doświadczeniu i obyciu z rynkiem elektronicznym (jestem początkujący). Dlatego proszę o wsparcie w tym temacie.

Jednocześnie pytanie uzupełniające czy da się zrealizować taki układ, tak aby móc wysterować wypełnienie sygnału PWM na 100%?

[kertoiP]

Nie miałem jeszcze do czynienia ze sterowaniem silników bezszczotkowych dlatego odpowiem na jedynie pytanie uzupełniające:

Na driverze np takim jak IR2101 jest to możliwe łącząc punkt środkowy z VCC, wtedy silnik będzie włączany za pomocą dolnego mosfeta, a zatrzymywany za pomocą górnego. Przy podłączeniu silnika do GND nie będzie to możliwe ponieważ kondensator bootstrap rozładuje się i silnik padnie, przy takiej topologii niezbędne jest użycie PWM.

Ofertę różnych driverów możesz przejrzeć pod kątem różnych parametrów na stronach dystrybutorów np TME, w końcu powinieneś znaleźć taki który będzie odpowiedni.

[rektim]

Dzięki za odpowiedź.

Zatem pytanie czy wszystkie sterowniki low side/ high side mają ten problem, że nie można wysterować PWM 100%?

Sprawdziłem kilka na szybko znalezionych sterowników półmostka (firmy TI) i wszędzie zasada jest taka sama (dioda + kondensator). Wnioskuję zatem, że wszędzie występuje problem z PWM na 100%.

Czy są w takim razie jakieś inne rodziny sterowników do półmostków? Czy może trzeba użyć dedykowanych sterowników do górnego MOSFETa i drugiego, dedykowanego do dolnego MOSFETa?

[marek1707]

Może to?

http://www.tme.eu/pl/katalog/#search=hip&s_field=accuracy&s_order=DESC&id_category=100283&page=1

[rektim]

Marek1707,

to są sterowniki do pełnych mostków. Czyli jakbym użył do jednego silnika to mam niewykorzystane sterowanie jedną parą. Zgadza się?

Natomiast tutaj również występuje kondensator, który uniemożliwia wypełnienie PWM na 100%.

Czy zastosowanie osobno górnego i dolnego sterownika będzie lepszym rozwiązaniem?

[marek1707]

No tak, nie zauważyłem, że w TME nie ma już 4081 - tamten miał pompę ładunkową i umiał utrzymać napięcie bramek niezależnie od przełączania. Swoją drogą możesz zrobić tak samo. Generator na 555 plus dioda i kondensator to nie jest wielki koszt.

Uznałem, że skoro masz trzy kanały w BLDC to scalak załatwiający dwa tory i połówka drugiego to nie jest wielki nadmiar.

Może zatem wybierz sobie coś od Texasa:

http://www.ti.com/lsds/ti/motor-drivers/brushless-dc-gate-drivers-products.page#

Przykładowy DRV8305 ma trzy kanały, pompę ładunkową napięcia bramek i jeszcze wzmacniacze do pomiaru prądu - wydaje się pasować?