DC-Motor Ansteuerung mit IR2109 & Rekuperation

[Rainer P. (rainerp95)]

Hallo alle miteinander,

ich arbeite mit Freunden an einem Projekt. Wir wollen uns ein 
Elektrofahrrad bauen. Ich bin für die Steuerelektronik zuständig und 
habe schon die Daten des Motors von einem Freund erhalten.
Es handelt sich um einen simplen DC-Motor. Die Nenndrehzahl liegt bei 
2700U/min, die Nennspannung beträgt 36V und der Nennstrom beträgt 28A.
Nach einigen Überlegungen und Forenbesuche habe ich mir folgende 
Schaltung zusammen gestellt[siehe Anhang].
Ich würde gerne den FET-Treiber IR2109 verwenden, da ich diesen leicht 
besorgen könnte. Für die oberen zwei Transistoren(T1 und T3), welche in 
der Highside sind verwende ich jeweils eine Ladungspumpe(Bootstrapping).
Das PWM-Signal vom von einem PIC Mikroprozessor, welcher ein weiterer 
Kollege programmieren wird.
Ich hätte nun einige Fragen an auch:
1.) Ergibt diese Schaltung für meine Anwendung einen Sinn? Fehlt 
eventuell etwas oder habe ich etwas übersehen?
2.) Die Nenndrehzahl liegt bei ca. 3000U/min, ist es sinnvoll bei der 
PWM mit 3kHz anzufangen?
3.) Mein Team und ich hätten auch noch gerne die Möglichkeit einer 
Rekuperation, ist das mit dieser Schaltung möglich?
4.) Ich habe im Datenblatt des FET-Treibers gesehen, dass Vorwiderstände 
für die Transistoren verwendet werden. Mir ist aber nicht ganz klar 
warum?
5.) Wie kann ich in diesem Fall eine Strom und Spannungsmessung 
realisieren?

Ich bedanke mich schon im Voraus für die Hilfe!

LG
Rainer

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Wollt ihr denn auch rückwärts fahren? Ansonsten ist die Anwendung einer 
H-Brücke nämlich unnötig. Ein z.B. 2 Quadranten Steller tuts dann auch:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM

[aSma>> (Gast)]

Zu 1: Es fehlen die ganzen Werte. Eine Sicherung wäre auch schön. Ob die 
Ansteuerung und die Totzeitgenerierung so klammt bleibt ein Glückspiel. 
Bei dieser Leistung könnte über dediziert Freilaufdioden nachdenken.
Zu 2: Mit einen Oszi den Stromanstieg ansehen...
Zu 3: Macht nur die Batterie schneller kaputt.
Zu 4: Google Gatevorwiderstand.
Zu 5: Hallsensor und Spannungsteiler.

Es gibt auch potentere Halbbrücken aus der Automotiven Industrie wie 
z.B.  BTS7960.

[Scrat (Gast)]

Die Schaltung ist Quatsch. Der Motor steht nur bei 50% Tastverhältnis, 
wird währenddessen aber immer noch bestromt.
Außerdem entstehen unnötige Schaltverluste, weil alle 4 Mosfets ständig 
getaktet werden. Dies ist bei einer Vollbrücke aber stets nur bei zwei 
Mosfets der Fall, die Anderen werden nur dauerhaft je nach Fahrtrichtung 
angesteuert.

[Rainer P. (rainerp95)]

Vielen Danke für eure hilfreichen Antworten!

Ich habe die Schaltung nun überarbeitet und bin nun schon fast fertig. 
1-2 Bauteilwerte fehlen noch, aber das ist momentan halb so wild. Ich 
habe zum IR2184 gewechselt und den Strom messe ich mit dem 
ACS758(ziemlich cooles Teil). An LSP1 und LSP2 wird der Motor 
angeschlossen. Die Sicherung wird noch extern dazu geschalten.(deshalb 
nicht vorhanden am Schaltplan)
Leute, fehlt noch etwas in meiner Schaltung um meinen DC-Motor mit den 
oben beschriebenen Funktionen anzusteuern?

Ein kleines Verständnisproblem habe ich beim FET-Treibers. Dort steht 
folgendes: "Output source/sink current capability 1.4A/1.8A". Damit ist 
der Ausgang Vs gemeint oder? Anfangs dachte ich, dass damit die Ausgänge 
für die FET's meint (HO,LO), aber dann würde ich ja einen 
Gatevorwiderstand gebrauchen der ja gut über 30W wegstecken könnte und 
für den FET wäre das auch nicht so gesund denke ich.

Ich werde mich jetzt bald dem Layout widmen. Jedoch habe ich ja schon 
einen Nennstrom von fast 30A und beim Beschleunigen komme ich auf fast 
40A rauf für eine kurze Zeit. Mein bedenken ist jetzt die Breite der 
Leiterbahnen. Habe bis jetzt immer unproblematische Platinen mit 
einfachen Sensoren geroutet aber bei solchen Leistungen stehe ich an. In 
dem Link:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Leiterbahnbreite steht, dass 
sich bei einer Dicke von 35um und Breite von 10mm die Leiterbahn bei 20A 
schon um 30K erhöht. Ist es sinnvoll eine 70um Leiterbahndicke mit einer 
Breite von 10cm in Auftrag zu geben, denn ich habe nicht unendlich viel 
Platz für die Platine.
Hat vielleicht jemand von euch mit dem Routen solcher Leistungen 
Erfahrung?

Ich bin wie immer sehr dankbar über jede Antwort :-)

Danke im Voraus

Rainer

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Rainer P. schrieb:
> Damit ist
> der Ausgang Vs gemeint oder?

Vs ist kein Ausgang, sondern der Bezugspunkt für die Highside 
Ladungspumpe.

Rainer P. schrieb:
> Anfangs dachte ich, dass damit die Ausgänge
> für die FET's meint (HO,LO), aber dann würde ich ja einen
> Gatevorwiderstand gebrauchen der ja gut über 30W wegstecken könnte und
> für den FET wäre das auch nicht so gesund denke ich.

Doch, damit sind HO und LO gemeint. Dein Denkfehler ist, das ein MOSfet 
Gatestrom braucht, das tut er nicht. Es wird lediglich das Gate 
aufgeladen, das für den Treiber wie ein Kondensator aussieht.
Um das zügig zu laden, kann der Treiber die Amperes liefern. Um die 
Anstigszeit dabei zu reduzieren und den Spitzenstrom des Treibers zu 
drücken, ist der Gatevorwiderstand da.

[Klaus (Gast)]

Matthias S. schrieb:
> Um das zügig zu laden, kann der Treiber die Amperes liefern. Um die
> Anstigszeit dabei zu reduzieren und den Spitzenstrom des Treibers zu
> drücken, ist der Gatevorwiderstand da.

Ist es nicht so, daß der Gatewiderstand die Anstiegszeit verlängert und 
nicht reduziert? Und soll der Spitzenstrom nicht so hoch sein, wie es 
der Treiberbaustein überhaupt hergibt? Für den IR2184 ist ein 
Kurzschlußstrom von 1,4/1,8A angegeben, der begrenzt sich also selber. 
Will man den extra verringern? Daß der Treiber diesen Strom nicht als 
Dauerstrom verträgt ist klar.

Ich kenne eigentlich nur zwei Gründe für einen Gatewiderstand größer als 
0Ω:
Als Poor Mans Monoflop wenn man keine bessere Methode hat, Shoot Through 
zu vermeiden und um Schwingungen beim Umschalten zu reduzieren, so sie 
denn auftreten.

MfG Klaus

[THOR (Gast)]

Klaus schrieb:
> Als Poor Mans Monoflop wenn man keine bessere Methode hat, Shoot Through
> zu vermeiden und um Schwingungen beim Umschalten zu reduzieren, so sie
> denn auftreten.

Und als EMV Maßnahme wenn man vorhat irgendwann nochmal Radio zu hören.

Wird aber zunehmend dadurch verdrängt dass man Treiber ICs mit slope 
compensation hat, also Stromquellen auf low und high side. 
Praktischerweise dann direkt kurzschlussfest was die Werte bei der 
Sicherheitsanalyse verbessert.

[Rainer P. (rainerp95)]

Danke für die schnellen Antworten!

Okay, dann liegen die knappen 2 Ampere doch an den FETs an. Und was 
bedeutet das jetzt für den Vorwiderstand? Der Strom liegt nicht die 
ganze Zeit an, sondern wird ja vom Treiber gepulst. Soll ich trotzdem 
einen Widerstand benutzen der höhere Leistungen wegstecken kann? Wie zum 
Beispiel:
http://at.rs-online.com/web/p/leistungswiderstande-im-alugehause/0158339/
oder
http://at.rs-online.com/web/p/smd-widerstande/7962520/

Bezüglich Layout hat keine Tipps von euch?

Danke und MfG

Rainer

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Klaus schrieb:
> Ist es nicht so, daß der Gatewiderstand die Anstiegszeit verlängert und
> nicht reduziert?

Klar ist es so, da habe ich im Eifer des Gefechtes es genau falschrum 
beschrieben.

Klaus schrieb:
> Ich kenne eigentlich nur zwei Gründe für einen Gatewiderstand größer als
> 0Ω:
Un die die o.a. Gründe kommen noch dazu. Sind also schon 4 Gründe.

Rainer P. schrieb:
> Okay, dann liegen die knappen 2 Ampere doch an den FETs an.

Nur im Moment der vollständigen Ladung oder Entladung des 
Gate-Kondensators, also für den ersten Moment des Ansteuervorgangs. Der 
Strom geht genauso zurück, wie wenn du einen Kondensator auflädst oder 
entlädst. Ein kräftiger MOSFet wie der IRFB3207 hat gerade mal eine 
Gateladung von max. 260nC - aöso recht klein.
> Soll ich trotzdem
> einen Widerstand benutzen der höhere Leistungen wegstecken kann?
Brauchst du nicht. Die mittlere Leistung an diesem Widerstand ist sehr 
klein.

Rainer P. schrieb:
> Bezüglich Layout hat keine Tipps von euch?

Jede Menge, aber die kannst du dir auch von Motorcontrollern im Netz 
abgucken. Kräftige Leitungen für den Motorkreis und die Masse und Plus 
des Motors nicht quer über die ganze Platine, sondern kurz und knapp zur 
Batterie und zur Endstufe. Dazu grosse Reservoir-Elkos für den 36V 
Kreis, aber die hast du ja schon vorgesehen.

[Rainer P. (rainerp95)]

Vielen Dank!

Habe die Schaltung gelayoutet und habe sie eine Bekannten gezeigt. Er 
hat gemeint, dass diese Schaltung so vermutlich gar nicht funktionieren 
wird. Er meinte, in dem Moment, wo der obere Transistor(Q1) leitet und 
der untere sperrt, wird die Spannung in der Masche zwischen Q1 und Motor 
extrem hoch. Die Spannung wird so hoch, dass es kritisch für meine 
Bauteile sein würde. Weiters sagte er, dass der Motor, wenn Q1 leitet 
und Q2 nicht, gar nicht mit Masse verbunden ist und keine 
Energierückgewinnung stattfinden könnte.
Er meinte, dass er das mit einem einfachen Einquadrantensteller lösen 
würde. Aber da habe ich ja 1. kein aktives Bremsen und 2. auch keine 
Energierückspeisung.
Ich bin jetzt auf jedenfall total verunsichert und wollte nochmal 
nachfragen, bevor ich das Layout in die Fertigung gebe.

Was meint ihr?

Ich gebe ja mit der PWM das Verhältnis vor, in welchem dann die 
Transistoren schalten. Steht auch so im Datenblatt des Treibers, halt in 
meinem Fall invertierend wegen der Schaltung. 100% von Q1 ist nicht 
möglich, durch die Ladungspumpe, da sich die schnell wieder entlädt. 
Damit ist auch kein 100%iges aktives Bremsen möglich, spielt aber in 
unserer Anwendung keine Rolle.
Wenn sich jetzt der Motor im Generatorbetrieb befindet, sprich die 
induzierte Spannung ist größer als die Batteriespannung von 36V, kann 
ich nur dann Energie zurück führen, wenn der untere Transistor leitet 
und der obere sperrt oder? Falls nicht, bitte ich um eine Erklärung der 
Energierückgewinnung bei dieser Schaltung :-)

Liebe Grüße

Rainer

[Tom H. (randomuser)]

Der Motor hängt parallel zum oberen Fet, ja?

Wieso sollte dann die Spannung ansteigen, wenn der obere Fet leitet?
Dann steigt allenfalls der Strom an, wenn sich der Motor noch dreht.
Der Strom wird sobald der obere Fet wieder sperrt und der untere leitet 
in den Akku gespeist. (Rekurpation)
Wenn der obere Fet auf Dauer an ist, also nach dem Entladen des 
Bootstrap Kondensators wie der untere Fet sperrt, hätte man einen 
"Leerlauf", weil im Motorkreis kein Strom mehr fließt. Für den 
Stillstand sinnvoll.
Und wenn der untere Fet dauerhaft an ist Vollgas.

Sollte so eigentlich funktionieren.