Arduino PWM-MOSFET für DC-Bürstenmotoren.

[Marcel S. (funel71)]

Guten Morgen,
ich versuche mich an der Motoransteuerung für DC-Bürstenmotoren (3 
Anker, Wickungen: unbekannt) für einen kleinen Prüfstand. Leider habe 
ich im Bereich Elektrotechnik quasi nur theoretische Erfahrung - leider 
nichts auf Bauteile und ,,Standardlösungen" bezogen...

Vorhaben: Meine Motoren kommen ohne jedliche technische Daten. Ich 
möchte mir deshalb mit Hilfe eines Ardunino Leonardo einen Überblick 
über die U,I,RPM-Kennlinien verschiedener Motoren lastfrei und unter 
realistischen Bedingungen schaffen.

Problem: Ich möchte mit einem 4S LiPo (5Ah, 30C) zunächst die Strom- und 
Drehzahlwerte im Bereich 0-15V messen. Um diesen Spannungsbereich 
abgrasen zu können, habe ich eine Schaltung entworfen, bin mir 
allerdings nicht sicher ob ich Dinge übersehen habe die den Arduino oder 
Akku gefährden. Die PWM Ansteuerung soll auch gängige Akkuspannungen 
unter LAST simulieren können: 7-10S NiMh und 2-3S LiPo sowie 3S-4S 
LiFePo4. Hält die Schaltung das aus? Komme ich mit meinem Ansatz 
uberhaupt ans Ziel oder bin auf dem Holzweg?

Erwartungswerte unter Last und realistischen Bedigungen sind: 
Getriebzyklusdauer 50-150ms (3-75 Motorumdrehungen, je nach 
Übersetzung), Anlaufstrom >70A (Testmessung vermutlich durch Akku 
limitiert), mittlerer Strom über den Zyklus 20-50A. Zwei Testpahsen: ein 
Getriebzyklus und 10 Zyklen.

Ansatz: Eine P-Kanal Mosfet-Schaltung mit Feilaufdiode 18V 1,5kW - 
1,5KE18A; Logik-Level MOSFET IRLU 8743 - 160A (Durch einen CPU Kühler 
gekühlt.) dessen Gate über einen PWM fähigen Pin vom Ardu angesteuert 
wird. Der Ardu soll laut Datenblatt um die 60kHz schaffen, ich vermute 
einen Bereich von 30kHz als ausreichend - das Fet muss ja auch 
hinterherkommen?!

Ausrüstung: Ein altes TDS 340A Oszi, billig Multimeter, Lötstation...

[L. P. (lpg)]

Marcel S. schrieb:
> Die PWM Ansteuerung soll auch gängige Akkuspannungen
> unter LAST simulieren können: 7-10S NiMh und 2-3S LiPo sowie 3S-4S
> LiFePo4.

Hast du Vergleichswerte? Unterschiedliche Akkuchemie verhält sich auch 
dementsprechend anders!

Marcel S. schrieb:
> Hält die Schaltung das aus? Komme ich mit meinem Ansatz
> uberhaupt ans Ziel oder bin auf dem Holzweg?

Das ist ein schon machbar! Aber deine Schaltung musst du anpassen.

Marcel S. schrieb:
> Anlaufstrom >70A (Testmessung vermutlich durch Akku
> limitiert)

Da limitiert alles andere (Stecker, FET.....) aber nicht der Akku! 
LiPo's sind mit Kurzschlussströmen im oberen dreistelligen Bereich 
unterwegs! Da hast du schon sehr lange vorher den FET getötet.

Marcel S. schrieb:
> Ansatz: Eine P-Kanal Mosfet-Schaltung mit Feilaufdiode 18V 1,5kW -
> 1,5KE18A;

Aha. Zeichnen tust du aber einen N-Kanal Fet.

Marcel S. schrieb:
> Logik-Level MOSFET IRLU 8743 - 160A (Durch einen CPU Kühler
> gekühlt.)

Einen? Da wirst du wohl eher fünf davon brauchen.... Bei fünf FETs 
parallel sparst du jede aktive Kühlung, da reicht ein Aluprofil als 
passive Kühlung locker aus! Schau dir mal Drehzahlsteller aus dem 
Modellbau an. Da sind 90A++ kein Thema und es geht auch passiv!

Schau dir mal im DS u.a. folgendes an:

--> Fig 8. Maximum Safe Operating Area
--> Maximum Drain Current vs. Case Temperature

Marcel S. schrieb:
> dessen Gate über einen PWM fähigen Pin vom Ardu angesteuert
> wird.

Ja das geht. Aber bei den hohen Strömen sollte man u.u einen FET Treiber 
einsetzen um die Schaltverluste gering zu halten.

Marcel S. schrieb:
> ich vermute
> einen Bereich von 30kHz als ausreichend - das Fet muss ja auch
> hinterherkommen?!

das kommt auf deinen FET und dessen Treiber (Ansteuerung) an. Aber du 
wirst mit 30kHz mehr als auskommen.

Jetzt fehlt "nur" noch Strom/Spannungsmessung für Akku und Motor und die 
Drehzahl.

lg

[Marcel S. (funel71)]

L. P. schrieb:
> Hast du Vergleichswerte? Unterschiedliche Akkuchemie verhält sich auch
> dementsprechend anders!
Nicht nur verschiedene Akkuchemie - es gibt da drausen mehr geschädigte 
Akkupakete als gute ;) Mir genügt es im Bereich der Nennspannungen den 
Strom zu messen um eine Aussage darüber zu erhalten für welche 
Entladeströme das Akkupaket ausgelegt sein muss. Ferner müsste ich gute 
Refferenzwerte bekommen, wenn ich den Messaufbau invertiere. Also die 
verscheidenen Akkus gegen einen lineraren Verbraucher mit ähnlicher 
Leistungsaufnahme laufen lasse und den Akku überwache. Der Rest ist 
Software und Mathe ^^

L. P. schrieb:
> Da limitiert alles andere (Stecker, FET.....) aber nicht der Akku!
> LiPo's sind mit Kurzschlussströmen im oberen dreistelligen Bereich
> unterwegs! Da hast du schon sehr lange vorher den FET getötet.
Leider hatte ich für die Messungen noch keinen ausreichend großen LiPo, 
meine kleineren LiPos, LiFes und NiMhs brachten alle Anlaufströme im 
Bereich nahe ihres Kurzschlussstroms - die Akkus sind allerdings auch 
schon ziemlich fertig gewesen. Aber Du hast recht das Kleinvieh macht 
auch viel Mist!

L. P. schrieb:
> Aha. Zeichnen tust du aber einen N-Kanal Fet

Sry, da war der Kopf schon im Bett - Ich meine natürlich einen N-Kanal 
FET.

L. P. schrieb:
> Jetzt fehlt "nur" noch Strom/Spannungsmessung für Akku und Motor und die
> Drehzahl.
Die hatte ich bewusst nicht erwähnt, Strom wird über fertige ,,BreakOut 
Boards" gemessen - eines für Last und eines für den lastfreien 
Durchgang, jedenfalls sind die Tutorials dazu allgemein genug gehalten 
und verständlich für mich : ) gleiches gilt für die Drehzahlmessung via 
Hall-Effekt. Die Spannung kann ich am Stromboard auslesen und mit den 
Werten aus meiner ,,LiPo-Wächter"-Schaltung vergleichen lassen. Auch 
dafür habe ich gute Anleitungen gefunden. Für die Kalibrierung sollte 
mein Oszi genügen. Ferner kommen zwei Temperatursensoren für Motor und 
Akku dazu.

L. P. schrieb:
> Einen? Da wirst du wohl eher fünf davon brauchen.... Bei fünf FETs
> parallel sparst du jede aktive Kühlung, da reicht ein Aluprofil als
> passive Kühlung locker aus! Schau dir mal Drehzahlsteller aus dem
> Modellbau an. Da sind 90A++ kein Thema und es geht auch passiv!
>
> Schau dir mal im DS u.a. folgendes an:
>
> --> Fig 8. Maximum Safe Operating Area
> --> Maximum Drain Current vs. Case Temperature

L. P. schrieb:
> Ja das geht. Aber bei den hohen Strömen sollte man u.u einen FET Treiber
> einsetzen um die Schaltverluste gering zu halten.

Wunderbar! Also plane ich meine Schaltung auf fünf Stück um!
Grob überschlagen würden die Gates im Schaltmoment t0 einen Strom von 
5V/0,17Ohm ~ 30A ziehen und wäre nach ca. 2ns voll -> Das scheint mir zu 
viel für den Ardu?!
Mit einem Treiber IC habe ich noch nie gearbeitet. Wie dimensioniert man 
so etwas? Der Leonardo müsste 0V als Low und 5V als High liefern -> das 
wären meine Inputs, also 5V Uin. Das Gate schaltet bei ca.5V voll durch, 
das wäre also meine Uout. Als Stromversorgung steht ein 12V 
Computernetzteil zur Verfügung.

Das Gate am Fet ist doch ein Kondensator, dessen Ladestrom dank 
e-Funktion rapide abnimmt. Nach welchem Output muss ich also suchen? dem 
Mittel, I(t0), I(t voll)? Da endet mein Verständnis, sofern ich die 
Daten überhaupt richtig deute...

[L. P. (lpg)]

Marcel S. schrieb:
> Grob überschlagen würden die Gates im Schaltmoment t0 einen Strom von
> 5V/0,17Ohm ~ 30A ziehen und wäre nach ca. 2ns voll -> Das scheint mir zu
> viel für den Ardu?!
> Mit einem Treiber IC habe ich noch nie gearbeitet. Wie dimensioniert man
> so etwas? Der Leonardo müsste 0V als Low und 5V als High liefern -> das
> wären meine Inputs, also 5V Uin. Das Gate schaltet bei ca.5V voll durch,
> das wäre also meine Uout. Als Stromversorgung steht ein 12V
> Computernetzteil zur Verfügung.
>
> Das Gate am Fet ist doch ein Kondensator, dessen Ladestrom dank
> e-Funktion rapide abnimmt. Nach welchem Output muss ich also suchen? dem
> Mittel, I(t0), I(t voll)? Da endet mein Verständnis, sofern ich die
> Daten überhaupt richtig deute...

Du kannst die Gates mit einem npn-Transistor treiben.
z.B.:
http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Gatetreiber_diskret_simple.PNG

lg.

[Marcel S. (funel71)]

Hi,
wenn ich das richtig sehe invertiert der Transistor meine Pulse vom 
Ardo, also habe ich ohne Spannung einen drehenden Motor. Das gefällt mir 
gar nicht, vor allem wenn der Ardu. gerade andere Aufgaben hat. Ich 
ziehe ein ,,aktiv schließendes" Konzept vor.

Im zugehörigen Wikipedia Artikel habe ich eine Halbbrücken Schaltung 
gefunden, diese zieht den Motor automatisch auf Masse -> damit sollte 
ich schönere Bilder am Oszi bekommen ^^ Die soll es also werden!

Bei diversen Onlineshops habe ich fertige Halbbrücken-Treiber gefunden, 
diese arbeiten mit je einem Ohigh und Olow Ausgang. Olow schließt den 
Motor mit Masse kurz: Muss ich diese Seite auch mit fünf FETs bestücken? 
Zumindest unter Last geht der Schwung weiterhin in mechanische Arbeit 
über - die Induktivität sollte sich in Grenzen halten, ohne Last fällt 
mir die Betrachtung schwerer - kann die Freilaufdiode nicht ganz 
verschwinden?

Eine weiter frage bleibt die Dimensonierung, die fertigen 
Halbbrückentreiber die ich fand waren in SMD Gehäusen und für viel 
kleinere Spannungen ausgelegt - Wie nennt man die ,,richtigen" 
Treiberchips im Fachshagon?