Hallo zusammen.
In meiner Schaltung habe ich einige Sensor-Schalter und 3x 12V DC Motoren angeschlossen.
Pro Motor verwende ich 2 Relais, um die Richtung zu wählen und jeweils 1 Transistor für die Relais, das klappt ja auch alles soweit, nur machen meine Sensor-Schalter Probleme und lösen ab und zu aus, wenn die Motoren in bewegung sind.
Die Sensor-Schalter sind an einem IO Port-Expander (MCP23S17) angeschlossen und über Interrupt lese ich dann die Zustände der Sensor-Schalters aus.
Vorher hatte ich die Interrupt Methode nicht verwendet und da war das Problem viel schlimmer.
Ich habe mit einem Oszilloskop die Input eingange, an denen die Sensor Schalter angeschlossen sind, gemessen sowie die INTA und INTB Pins des (MCP23S17) IO Port-Expander.
Dort habe ich dann festgestellt, das es sehr stark Rauscht, wenn die Motoren in bewegung sind, also die Kurve ändert sich drastisch.
Das ist auch der Grund, weshalb die Sensoren dann ab und zu verrückt spielen und auslösen.
Wie könnte ich das Problem bei meiner Schaltung beheben?
Nenne die Anschlüsse der Motoren nicht GND und VCC wenn sie das gar nicht sind. Da fehlen Snubber (Entstörglieder). Bei so einem Konstrukt hat die Ausgestaltung der Leiterbahnen und die Verlegung der Kabel einen erheblichen Einfluss.
Danke euch für die Antworten.
H. H. schrieb im Beitrag #7406128:
Zeig den vollständigen Schaltplan und den Aufbau.
Arg viel mehr ist es eigentlich nicht, außer noch ein Paar 3 Pin Anschlüse für die Sensoren (12V mit einem Vorwiderstand von 2,2K, GND und DIN).
Den Aufbau kann ich auch nicht zeigen, da hier viel Kabelsalat herrscht und man so auch nicht viel erkennen kann, auf dem Bild.
Achja, als Mikrocontroller verwende ich einen ESP32.
Wenn du die Leitungsführung nicht zeigst, können ich dir keine Verbesserungsvorschläge geben. Lies dir mal diesen Artikeln von Lothar durch. Da geht es im Schaltregler, aber die Probleme die er dort beschreibt treten oft auch in Schaltungen wie deiner auf. Dann wird dir auch klar, warum wir so hartnäckig nach der Leitungsführung fragen.
Die internen Pullups beim 23017 sind sehr hochohmig. Das macht die Eingänge sehr störanfällig durch EMP. Ich empfehle deshalb, Pullup Rs von 2-5K. Auch empfehlen sich Serienwiderstände nach den Pullups und Cs nach Masse um EMP Energie abzuschwächen bzw. Stoerungen zu auszufiltern.
Man darf die IO-Leitungen nie direkt von den Digitalschaltungen herausführen. Immer mit RC, Opto oder sonstigen Isolationsmethoden den uC die "Welt" sehen lassen, weil solche ungeschützten Leitungen als Antenne wirken und sich sehr empfindlich auswirken können. IO-Leitungen dürfen ungeschützt den Aufbau nie verlassen und brauchen immer "Umweltschutz".
Um das zu Testen, schalte einen alten Magnastat Lötkolben ein und ausschalten oder eine Tisch 12V Halogen Tischlampe mit altmodischen Trafo. Wenn man alles richtig gemacht hat, dürfen nahe Kabel beim Ausschalten der Trafos keine Reaktion verursachen. Falls es beim vielfachen Schalten Reaktionen gibt, ist die Schaltung noch nicht einsatzbereit.
Der Magnastat Test ist sehr beeindruckend und ist ein Grund diese Lötstation noch nicht zu entsorgen.
Wenn man sich konsequent an diese Regeln hält gibt es fast nie Probleme.
Motorenschaltung:
Die Masse für die Motoren sollte getrennt direkt zum Stromversorgungsteil geführt werden. Das Gleiche gilt für die 12V. Auch der 5V Teil (Regler) sollte dort getrennt angeschlossen sein.
Beim Einschalten der Motoren entstehen hohe Stromspitzen, weil beim Stillstand nur der ohmsche Anteil der Motorwicklung Strom zieht solange die Motor EMF sich noch nicht aufgebaut hat. Das verursacht hohe plötzliche Ströme die als EMP herumgeistern können. Das ist nicht gut für die Kontakte und es empfiehlt sich die Relaiskontakte uberzumbemessen oder elektronisch mittels entsprechender H-Bruecken anzutreiben.
Beim Abschalten, sehe ich, daß Deine Motoren bei Stillstand kurzgeschlossen werden. Das verursacht ein mechanisches Rucken und Stromspitzen im Motorkreis, der EMP verursachen könnte. Im Augenblick des Motor Abschalten erzeugt die im Motor Rotor gespeicherte kinetische Energie EMF die dann den Motor als Generator arbeiten laesst und die EMF im Kurzschluß der Relaisschaltung aufzehrt. Wenn man das absichtlich aufzehren will, verheizt man diese Energie besser in eine bemessenen Lastwiderstand. Ein Kurzschluss verursacht bei DC-Buerstenmotoren oft einen mechanischen Schock durch die plötzliche Bremsung.
Jedenfalls empfiehlt es sich den 12V Kreis und die Digitalschaltung so anzuordnen, daß induktive Kopplung durch EMP minimal oder unmoeglich ist. Steuer und Laststromkreise dürfen nicht gemeinsam verdrahtet werden. Jeder Stromkreis darf nur an einer Stelle komplett werden. Diese Stelle ist das Stromversorgungsgerät. und man führt das am Besten in Sternschaltung aus.
Ich spreche hier aus langjaehriger Berufserfahrung, auch wenn ich ein ganz alter Sack bin;-)
Da sehe ich übrigens noch ein weiteres mögliches Problem:
Wenn man ohne bei der Drehrichtungsumschaltung nicht wartet bis der Achsenstillstand erreicht wird, dann gibt es wegen der noch gespeicherten EMF einen extra Stromstoß, weil die EMF im sich noch drehenden Motor die gegen gesetzte Polung hat und den Einschaltstrom noch vergrößert. Deshalb sollte man immer eine lange genug Pause zwischen Drehrichtungsumschaltung einlegen.
Am besten wäre anstatt der "Relais-Brücke" eine PWM H-Brücke mit kontrollierter Beschleunigung (Sanftstart) und Sanftbremszeit.
Deshalb sollte man immer eine lange genug Pause
zwischen Drehrichtungsumschaltung einlegen.
Man will auch keine ausgeschlagenen Zähne im Getriebe.
Die Motoren werden nicht direkt sofort umgekehrt sondern wird über Kurzschluss erst gebremmst und nach etwas Pause dann umgekehrt.
Nur habe ich leider Störungen in der Leitung, wenn die Motoren in bewegung sind.
Das ganze habe ich mit meinem Oszilloskop gemessen.
Die Motoren sind ja nicht in Dauerbetrieb und laufen nur ab und zu mal.
Ich muss mir dann was einfallen lassen, wie ich das Problem bei meiner Schaltung ambesten umgehen bzw. die Störung etwas verringern kann und werde auch mal nach Entstörglieder schauen.
Dort habe ich dann festgestellt, das es sehr stark Rauscht, wenn die
Motoren in bewegung sind, also die Kurve ändert sich drastisch.
Wie hast du da an welchem konkreten Schaltungsaufbau womit wo was gemessen? Denn merke: EMV-Probleme sieht man nicht im Schaltplan, sondern nur am realen Aufbau.
Könnte man das auch so machen, wie es im Anhang zusehen ist?
Also über jeden geschalteten Kontakt eine Freilaufdiode in
Sperrrichtung?
Was würde das bringen? Denn die Ursache der Störungen sind nicht irgendwelche Schaltvorgänge in der Brücke (und dafür sind die Freilaufdioden da), sondern das Bürstenfeuer der Motoren. Und diese Störungen müssen so dicht wie möglich am Motor angepackt werden. Dorthin muss der Snubber. Und evtl. über die Motorleitungen noch ein Ferritkern als Gleichtaktfilter.
Man zeichnet im Schaltplan die Bauteile nicht wie in der Realität, sondern symbolisch: ein Relais hat eine oder mehrere Spulen und völlig getrennt davon einen oder mehrere Kontaktsätze. Aber man malt nicht den Kontaktsatz quer durch die Spule durch, denn das sieht schlichtweg unübersichtlich aus. Sieh dir einfach mal an, wie andere, schön lesbare Schaltpläne gezeichnet sind.
Bürstenfeuer erzeugen sehr hochfrequente Störungen. Mit nicht verdrillte, weite Schleifen bildende Motorversorgungsleitungen erzeugt man gute Antennen.
Setze ein Filter an den Motor und Snubber oder Freilaufdioden an die Relaiskontakte und baue es kompakt auf, mit Hinleitung nah parallel zur Rückleitung und Motorsteom weit weg von uC
Hat denn schon jemand geschrieben, das es zusätzlich eine gute Idee wäre, die Motorspeisung abzublocken? Der eine oder andere Elko an den 12V kann sicher nicht schaden.
@Chris
Die Motoren werden nicht direkt sofort umgekehrt sondern wird über
Kurzschluss erst gebremmst und nach etwas Pause dann umgekehrt.
Unter idealen Umständen ist es wünschenswert die Motoren mit einen Lastwiderstand anstatt eines Kurzschluss zu bremsen. Aber das wäre für Dich extra Aufwand. Falls es Dir keine mechanischen Probleme verursacht, ist es gut.
Den Vorschlag, den 12V Stromkreis für die Motoren mit einem dicken Elko zu komplettieren, unterschreibe ich. Das ist sehr wichtig, damit die hohen Anfahrstromspitzen nicht die 12V Versorgung unzweckmässig belasten und Brownouts anderswo verursachen. Wie gesagt der Motorkreislauf soll direkt ohne Stromschleifen zum Stromversorgungsteil erfolgen.
Beim Anfahren, muß das Stromversorgungsteil genug Reserven haben um im Moment des Anfahren den ohmischen Widerstand bedingten Strom ohne Spannungs-Einbruch zu überstehen. Bei gleichzeitigen Einschalten aller Motoren ist das noch wichtiger. Ich sage das nur der Vollständigkeit halber, das weißt Du ja ohnehin, nehme ichan.
Langfristig schlage ich auf PWM H-Brücke umzustellen. Das hat viele Vorteile.
Es ist übrigens oft zweckmässig, um NF und HF Störungen abzuschwächen, die Motoren gegen das Gehäuse mit 10n-0.1uF KerCos abzublocken. In hartnäckigen Fällen schaltet man noch Drosseln mit Eingangs-C davor.
Ich habe soeben festgestellt, das ich auch störungen in der Signal-Leitung eines Sensor-Schalters habe, sobald die GNDs von 5v und 12V Stromversorgung miteinander verbunden sind.
Kann das ein Ground-Loop sein?
Ich habe bei meinem Oszilloskop die Zeitbasis einmal auf 50 Mikrosekunden und einmal auf 1 Millisekunde eingestellt und die Spannungsstufe auf 200mV, zum Test.
Ich beschäftige mich erst seit ein Paar Tagen mit einem Oszilloskop und entschuldige mich, wenn ich falsch liege.
Die Masse für die Motoren sollte getrennt direkt zum
Stromversorgungsteil geführt werden. Das Gleiche gilt für die 12V. Auch
der 5V Teil (Regler) sollte dort getrennt angeschlossen sein.
Auch ohne Motoren, habe ich Probleme und werde eventuell auch mal versuchen, die 2 Leitungen getrennt voneinander zu halten.
Könnte ich dafür einen Optokoppler verwenden oder mit 2 Transistoren?
Oder habt ihr eine bessere Lösung dafür?
Könnte ich dafür einen Optokoppler verwenden oder mit 2 Transistoren?
Oder habt ihr eine bessere Lösung dafür?
Zu deinem geheimen Aufbau können wir keine sinnvollen Verbesserungsvorschläge machen. Liefe die bereits mehrfach angefragten Bilder, dann kann man voran kommen.
Könnte ich dafür einen Optokoppler verwenden oder mit 2 Transistoren?
Oder habt ihr eine bessere Lösung dafür?
Zu deinem geheimen Aufbau können wir keine sinnvollen
Verbesserungsvorschläge machen. Liefe die bereits mehrfach angefragten
Bilder, dann kann man voran kommen.
Ich habe in KiCad mal eine Zeichnung erstellt, wie ich das derzeit aufgebaut habe (zum Test ohne IO-Portexpander MCP23S17).
Das was ich Rot Markiert habe, habe ich neu hinzugefügt.
Das habe ich aus einer anderen Schaltung so ungefähr gesehen, um Ground-Loops zu vermeiden, jedoch weiß ich nicht, ob das so Richtig ist.
Bei dem Motor habe ich jetzt noch nichts geändert, wegen die Störungen, aber werde das auch noch versuchen zu ändern.
Erkläre mal den Sinn der Schaltung im Kasten "Stromversorgung Connector". Wo kommt die Stromversorgung her, wo geht sie hin? Was machen die Transistoren?
Wie sind die Sensoren (Lichtschranken) aufgebaut? Wie stellen sie ein stabiles Signal sicher, während ihre Stromversorgung recht hochohmig (2,2kΩ) ist und dadurch für Funkstörungen empfänglich ist?
Bei deinem Problem spielt die Leitungsführung (Leiterbahnen und Kabel) eine wesentliche Rolle. An jeder Leitung fällt Spannung ab, so dass GND nicht überall gleich GND ist und sich diese Differenz zu Signal-Spannungen addiert. Bedenke, dass jede Leitung eine Induktivität hat, weswegen ihr Innenwiderstand für hochfrequente Ströme sehr viel höher ist, als für statischen Gleichstrom. Insbesondere im Störfeld der Motoren und des ESP Moduls ist das sehr relevant.
Dein ESP32 ist sicher nicht der nackte Chip, sondern ein Modul. Welches? Wie ist dort die 3,3V Stromversorgung gestaltet? Oft ist diese nicht stabil genug, wenn die extern angelegten 5V bereits instabil sind.
Zeige viele Fotos vom Aufbau, wo man die Leiterbahnen und Leitungen alle sehen kann.
Es fehlt immer noch jegliche Abblockung. Gerade die ESP Module brauchen ordentliche Reservoir Elkos und dem Motor schadet das auch nicht. Dein gewaltsames Abremsen musst du auch noch angehen.
Über die Sensortasten auch noch einen kleinen KerKo Richtwert 100n. Mit dem Pullup bildet der ein RC Glied und fängt kurze Spikes ab.
Ich hatte auf Sensortasten ohne C auch schon mal eine Netzhalbwelle :-)
Wie lang sind deine Sensorleitungen?
sind die geschirmt?
Verlaufen die parallel zu den Motorleitungen, oder was Vergleichbarem?
Sensortasten sollten idealerweise direkt auf dem µC Board sein, oder auf einem extra Board und per Portexpander angebunden werden. Genauf für sowas wurde I2C erfunden, um den letzten Meter zu überbrücken. Den Portexpander neben den µC packen und 1 Meter Sensorleitung ist der beste Weg, sich Ärger einzuhandeln ;-)
Schaltung_1.png
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