Motorsteuerung 48V/200A, FragenFragenFragen

[Wolfgang R. (5fach-steckdose)]

Hallo,

ich habe bis jetzt einiges hier gelesen und muss sagen, dass viele 
Beiträge sehr aufschlussreich waren und mich viel weiter gebracht haben, 
SUPER FORUM! Aber nun bin ich an einem Punkt, wo ich doch konkreten Rat 
brauche.

Ich überlege einen Eigenbau für eine Motorsteuerung, der Antrieb soll in 
ein Boot eingebaut werden. Das macht einige der die Ansteuerung 
betreffenden Aspekte weniger kritisch, andererseits gibt es auch 
besondere Anforderungen, vergleicht man es mit einem Straßenfahrzeug zum 
Beispiel.

Ganz wichtig: Ich kann mir auch was fertiges kaufen, aber darum geht es 
mir nicht.
Wahrscheinlich werde ich mir dann einen kaufen, nachdem mir die eigenen 
Konstruktionen zum x-ten Mal um die Ohren geflogen sind, dann ist es 
eben so. Ich versuche also realistisch zu bleiben und habe die viele 
Hinweise hier wirklich beherzigt, nehme ein potentielles Scheitern in 
Kauf, setze den Schutzhelm auf und hoffe, am Ende einiges mehr gelernt 
zu haben. Wissbegierde und Spaß beim Selbermachen sind meine 
Motivationen.

hier die Eckdaten:
- 48v (erstmal)
- 110/200A (Vollast/Spitzenlast kurzzeitig)

Als Motor soll der bewährte PMG 132 eingesetzt werden, ein 
DC-Scheibenläufer mit Bürsten.

http://www.heinzmann.com/de/elektromotoren-und-hybridantriebe/scheibenlaeufermotor/gleichstrommotor

Schaltungskonzept:
- pwm 20kHz
- Erzeugung und Steuerung mit ATmega328
- H-Brücke mit HighLowside Treibern, mal gewählt den 21864 von ir
- Highside mit DCDC-Versorgung für 100% Tastverhältnis

Layoutkonzept:
- die Mosfets auf der einen Seite, der Rest auf der Anderen
- Leiterbahnen auf der Mosfetseite nur VCC, GND, M1 und M2, einfachste 
Formen, dass man sie auch aus einem Cu-Blech machen kann.
- Ausnahme davon die Ecke mit dem µC und den Anschlüssen mit weniger A

Fragen (tausende, hier die vordringlichsten):
- kann ich mit den galvanisch trennenden DCDC-Konvertern und dem 21864, 
der auch einen vom COM getrennten VSS hat, auf die galvanische Trennung 
(opto-Koppler oder wie auch immer) verzichten?
- brauche ich dann vier von den Wandlern, für jede Halbbrücke einen?
- brauche ich die Gate-Widerstände (lahmer Mosfet 4468 mit hoher Qg von 
ca 500nC)
- die Kondensatoren auf der Out-Seite der Wandler würde ich gerne als 
SMD-Kerkos direkt neben die Versorgungspins der Treiberbausteine packen, 
reichen da 22µF (zuviel, zuwenig, habe den größten Wert vom 
Reichelt-Sortiment genommen, aber manchmal ist ja weniger mehr, hier 
habe ich keinen Rechenansatz, im Datenblatt der Wandler steht ein 
Maxwert von 110µF kapazitive Last)
- ist meine Bauteilwahl einigermaßen passend?
- kann ich mit dem Layoutkonzept so weiter machen, oder passt irgendwas 
die Leitungslängen, Führung, oder Anordnung der Bauteile GAR NICHT?

Was ich erstmal noch nicht gezeichnet habe, aber schon im Hinterkopf:
- rechte Halbbrücke Schaltplan und Layout
- Anschlüsse Steuerleitungen Atmega
- Pulldownwiderstände Ausgänge Atmega
- Z-Dioden 18V c5 bis C7
- Transil-Diode C1 bis C4



Ich freue mich auf Kritik, her damit!

Ach ja, auch wenn es nicht unbedingt in die heutige Zeit passt (zu mir 
passt es schon), ein Buchtip zur Leistungselektronik / Motorsteuerung 
würde mich auch sehr freuen.

wo

[Falk B. (falk)]

@ Wolfgang Rehn (5fach-steckdose)

>zu haben. Wissbegierde und Spaß beim Selbermachen sind meine
>Motivationen.

Gut.

>- 48v (erstmal)
>- 110/200A (Vollast/Spitzenlast kurzzeitig)

10kW!

>http://www.heinzmann.com/de/elektromotoren-und-hyb...

Hmm.

>- pwm 20kHz

Wahrscheinlich zu hoch

>- Erzeugung und Steuerung mit ATmega328
>- H-Brücke mit HighLowside Treibern, mal gewählt den 21864 von ir
>- Highside mit DCDC-Versorgung für 100% Tastverhältnis

Naja, das ist der einfache Teil ;-)

>- die Mosfets auf der einen Seite, der Rest auf der Anderen

Bei 110A Dauerstrom? Wie dick soll das Kupfer sein? 2mm? ;-)

>- Leiterbahnen auf der Mosfetseite nur VCC, GND, M1 und M2, einfachste
>Formen, dass man sie auch aus einem Cu-Blech machen kann.
>- Ausnahme davon die Ecke mit dem µC und den Anschlüssen mit weniger A

Wo ist der  Kühlkörper?
Wo ist die Strommessung und der Komparator zu Schnellabschaltung?

>Fragen (tausende, hier die vordringlichsten):
>- kann ich mit den galvanisch trennenden DCDC-Konvertern und dem 21864,
>der auch einen vom COM getrennten VSS hat, auf die galvanische Trennung
>(opto-Koppler oder wie auch immer) verzichten?

Ja.

>- brauche ich dann vier von den Wandlern, für jede Halbbrücke einen?

Nö, 2. Du musst ja nur die High Side versorgen.

>- brauche ich die Gate-Widerstände (lahmer Mosfet 4468 mit hoher Qg von
>ca 500nC)

Puhh! ja, die braucht man. Aber eher im einstelligen Ohmbereich.

>- die Kondensatoren auf der Out-Seite der Wandler würde ich gerne als
>SMD-Kerkos direkt neben die Versorgungspins der Treiberbausteine packen,
>reichen da 22µF (zuviel, zuwenig, habe den größten Wert vom
>Reichelt-Sortiment genommen, aber manchmal ist ja weniger mehr, hier
>habe ich keinen Rechenansatz, im Datenblatt der Wandler steht ein
>Maxwert von 110µF kapazitive Last)

Soviel braucht man hier nicht, 1-5uF sollten locker reichen.

>- ist meine Bauteilwahl einigermaßen passend?

Man braucht deulich mehr als nur passende Bauteile. Fang mal mit einem 
sauberein Schaltplan an, das ist was einfaches zu Einstieg.

Schaltplan richtig zeichnen

>- kann ich mit dem Layoutkonzept so weiter machen, oder passt irgendwas
>die Leitungslängen, Führung, oder Anordnung der Bauteile GAR NICHT?

Kühlung?
Mal GERECHNET, was dort für Widerstände und Verlustleistungen anfallen?
Schon mal drüber nachgedacht, dass man 110A DAUERHAFT eher nicht durch 
dünne TO220 Beinchen pressen will? Die Hälfte ist sportlich genug.

[Wolfgang R. (5fach-steckdose)]

Danke für die schnelle Antwort!

Falk Brunner schrieb:

> 10kW!

Ich habe folgende eingrenzende Betriebssituation, das relativiert die 
Leistungsanforderung:
- ein Boot (hier mein Boot) fährt in der Regel 95% der Zeit mit deutlich 
geringerer Leistung als volle Fahrt voraus , mehr bringt bei einem 
Verdränger auch nichts, nach Drehmomentberechnung wird volle Fahrt 
voraus schon bei 24V/110A erreicht, Normalbetrieb (normale Fahrt) schon 
bei wesentlich weniger, also grob 1kW.
- in Notsituationen braucht man auf dem Wasser Reserven, dafür die 
Auslegung auf ca 5KW.
- die 10kW als Last gibt es eigentlich nicht, Weil der Motor gar nicht 
so viel ziehen kann (es sie denn, der Propeller steckt im Schlamm) aber 
es gibt die Situation, dass schnell von voll voraus auf voll rückwärts 
geschaltet werden muss, hier werden hohe Ströme fließen, wenn auch nur 
kurzzeitig.


>>- pwm 20kHz
>
> Wahrscheinlich zu hoch

Der Motor hat eine geringe Induktivität, ein Scheibenläufer eben, ich 
habe als untere sinnvolle Grenze 16kHz ausgerechnet, das benutzt auch:
http://www.4qd.co.uk/prod/4qd.html

Geräuschentwicklung ist auch ein nicht zu unterschätzender Faktor, das 
begründet auch meine Wahl zu Ungunsten eines BLDC-Motors. In den 
Torqueedo-Antrieben sind solche verbaut und diese hören sich, gerade bei 
Teillast, echt ekelhaft an.
http://www.torqeedo.com/produkte/cruise-r-mit-ferngaslenkung-dinghies-segelboote-motorboote-bis-4-t/cruise-r-technische-daten-a-masse


> Bei 110A Dauerstrom? Wie dick soll das Kupfer sein? 2mm? ;-)

warum nicht 2mm? Fällt mir leichter zu bauen als einen ordentlichen 
Schaltplan zu zeichnen...


> Wo ist der  Kühlkörper?

Der Bootsrumpf aus Stahl ist im Prinzip der Kühlkörper, ich sehe hier 
nicht wirklich ein Problem, Ableitung der Wärme mittels 
Aluminiumstrangpofilen, ähnlich wie beim Cougar-Controller.
Ich habe aber probehalber mal ausgerechnet, wie groß der Kühlkörper sein 
müsste, wenn luftgekühlt - kann man vergessen, so groß -, wenn der 
Mosfet unter 100°C bleiben soll. Wie rechnen das eigentlich die aus der 
Modellbau-Ecke, da bibt es Streichholzschachtel große Kästchen, die mit 
14s@200A werben?
http://www.helifreak.com/showthread.php?t=443322

> Wo ist die Strommessung und der Komparator zu Schnellabschaltung?

Ich würde gerne auf Shunts verzichten und die Strommessung nach dem 
Stromzangenprinzip (Hallsensor) an M1 und M2 vornehmen, ich bin aber 
noch unentschlossen, eventuell geht es mit Shunts (für mich) doch 
einfacher.

Komparator habe ich noch nicht berücksichtigt, danke für den Hinweis.

>>Fragen (tausende, hier die vordringlichsten):
>>- kann ich mit den galvanisch trennenden DCDC-Konvertern und dem 21864,
>>der auch einen vom COM getrennten VSS hat, auf die galvanische Trennung
>>(opto-Koppler oder wie auch immer) verzichten?
>
> Ja.

Das ist gut.

> Puhh! ja, die braucht man. Aber eher im einstelligen Ohmbereich.

OK

> Soviel braucht man hier nicht, 1-5uF sollten locker reichen.

OK

> Schaltplan richtig zeichnen

Danke, mach ich.

> Kühlung?
> Mal GERECHNET, was dort für Widerstände und Verlustleistungen anfallen?
> Schon mal drüber nachgedacht, dass man 110A DAUERHAFT eher nicht durch
> dünne TO220 Beinchen pressen will? Die Hälfte ist sportlich genug.

Der Mosfet ist TO247, aber egal, so viel dicker sind die Beinchen auch 
nicht. Kühlung siehe oben, Verlustleistung habe ich mit 80W bei Vollast 
grob ermittelt, der tatsächliche Dauerbetrieb verlangt letztendlich wohl 
deutlich weniger, aber es braucht Reserven! Ein Boot kann man nicht am 
Straßenrand abstellen, wenn der Antrieb ausfällt, das treibt aufs Meer - 
nicht gut.


wo

[Andrew T. (marsufant)]

Wolfgang Rehn schrieb:
>
> Ich überlege einen Eigenbau für eine Motorsteuerung, der Antrieb soll in
> ein Boot eingebaut werden. Das macht einige der die Ansteuerung
> betreffenden Aspekte weniger kritisch, andererseits gibt es auch
> besondere Anforderungen, vergleicht man es mit einem Straßenfahrzeug zum
> Beispiel.
>
> Ganz wichtig: Ich kann mir auch was fertiges kaufen, aber darum geht es
> mir nicht.


Prinzipiell ist das Interesse an Eigenbau ja begüßenswert.
Aber überleg Dir ob es das Entwicklungs-Risiko und den finanziellen 
Aufwand einer Einzelentwicklung lohnt,
wenn man (siehe Deinen Link zu 4qd) so ein Teil für ca. 500 euro fertig 
und mit Gewährleistung kaufen kann.

[Wolfgang R. (5fach-steckdose)]

Andrew Taylor schrieb:
>... Aber überleg Dir ob es das Entwicklungs-Risiko und den finanziellen
> Aufwand einer Einzelentwicklung lohnt,
> wenn man (siehe Deinen Link zu 4qd) so ein Teil für ca. 500 euro fertig
> und mit Gewährleistung kaufen kann.

Das (Kaufen) werde ich auf jeden Fall machen, wird aber als erstes 
aufgeschraubt, insofern Gewährleistung wohl dahin, aber egal.

Risiko und Aufwand sehe ich, nimmt mir aber (noch) nicht die Lust am 
weitermachen.

Ich habe Schaltplan und Layout angepasst, siehe Anhang:

- Strommessung ist induktiv vorgesehen, mit einem LEM an der 
Masseleitung.
- Einschaltverzögerung für die Enable-Ausgänge mit RC Schmitt-Trigger 
Kombi
- Hardwareversicherung gegen gleichzeitiges Einschalten von H und L 
(soll ja eigentlich die Software leisten - aber man weiss ja nie)
- auch die Versorgung µC und Logig  ist als galv getrennter 
DCDC-Konverter umgesetzt, die 12v werden aus einem Akku der 4 des 
48V-Netzes bezogen, insofern wäre es mir nicht ganz geheuer, die direkt 
zu verwenden.

Neue Fragen:
- Wann messe ich denn eigentlich den Strom am besten, in der Phasenmitte 
oder gemittelt über einen Tiefpass? Für die Ermittlung der 
Leistungsgrenze des Systems wäre die gemittelte Stromstärke interessant, 
aber warum wird dann in diversen Beiträgen davon gesprochen, die sym PWM 
hätte den Vorteil, die Strommessung genau in Phasenmitte vornehmen zu 
können?
- Ich hab jetzt 3 GNDse, Massefläche im Logikteil oder besser nicht? Ich 
tendiere zu letzterem, habe schon viel gelesen, hier im Forum und 
sonstwo, aber keine Klarheit gewonnen.
- Leiterbahnen im Logikteilso kurz wie möglich, direktester Weg, 
sinnvoll oder gar erforderlich?. Ich habe es erstmal anders gemacht, 
alte Bastlerpräferenz, also auf Vias und Bahnen zwischen den DIL14-Pins 
komplett verzichtet.

Alte aber leider noch unbeantwortete Frage:
- Literaturtip (kann doch nicht sein, dass es kein Buch gibt).


wo