Hochstartwinde: Brushless-Regler

[Windenbauer]

Hallo Windenstarter

Hier berichte ich in Kürze über den Bau eines Brushless-Reglers für meine Hochstartwinden.

Gruß Peter

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Was sollte der Regler können?

Er muss den Motor stufenlos vorwärts drehen und rückwärts stufenlos bremsen.
Das ist schon alles. Sollte doch hinzubekommen sein.
Erste Anregungen habe ich hier gefunden.
https://www.mikrocontroller.net/articles/Brushless-Controller_für_Modellbaumotoren
Das dort beschriebene Leistungsteil habe ich erst mal verwendet. Auf einen eigenen Mikroprozessor mit entsprechender Software habe ich verzichten. Stattdessen verwende ich Hall Sensoren, die die Halbbrückentreiber der drei Phasen direkt ansteuern. Der floating Zustand wird durch drei Gatter erzeugt.

Meine ersten Versuche produzierten reichlich Elektronikschrott. Mittlerweile funktioniert die Steuerung ganz gut und muss meiner Meinung nach nicht mehr geändert werden. Einzig die Leistungsstufe ist mir zu anfangs oft abgebrannt. Nach einigen Änderungen konnte ich die Wärmeendwicklung der Endstufe stark reduzieren. Zur Zeit rüste ich eine Winde mit dem Selbstbau-Regler aus um auch außerhalb meines Hobbykellers testen zu können.

Sollte Jemand ein ähnliches Projekt an Start haben, wäre es schön, wenn er hier berichten würde.

Bei Interesse, werde ich mein Projekt ausführlicher vorstellen.

Gruß Peter

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Hallo Windenstarter

Hier mal ein Bild von meinem gekauften Regler, nachdem er seine Arbeit eingestellt hatte.



Das kann mein selbstgebauter Regler schon lange.



Im Gegensatz zum gekauften Regler kann ich die defekten Bauteile aber ersetzen.



Wenn Ihr schon ähnliche Erfolgserlebnisse hattet, würde es mich freuen, wenn Ihr hier berichten würdet.
Gruß Peter

 

[tecnologic]

Moin Peter,

wie viel Leistung, Strom, Spannung brauchst bzw. erwartest du? Bei dem Schaden den deine Brücke genommen hat würde ich vermuten dass diese Durchgeschlagen ist und nicht thermisch gestorben? Wie ist es zu dem Fehler gekommen.

Grundsätzlich ist dein Ansatz eigentlich sehr gut einfach Hallsensoren und einen LogicIC für die Gateansteuerung zunehmen. Welchen IC verwendest du?

Gruß

Alex

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Hallo Alex
Die defekten Bauteile sind nur ein Bruchteil von meinen Misserfolgen. Zu Anfang sind mir die Brücken durch schlechte MosFets und hohe Verlustleistung gestorben. Das glaube ich aber in den Griff bekommen zu haben. Dann gab es Störungen beim Arduino (Aufhänger und Reset Auslösungen). Vermutlich durch Spitzenspannungen und induktive Störungen in der Versorgungsspannung die ich aber nie messen konnte. Der Arduino trägt aber nur ein PWM Signal zur Regler Steuerung bei und kann damit keinen Defekt der Brücken herbeiführen. Jedoch vermute ich, dass die Halbbrückentreiber der MosFets auch gestört wurden und einige Ausfälle zu verantworten haben. Nachdem ich einiges an der Spannungsversorgung der Logic geändert (verbessert) habe, scheint es keine Ausfälle mehr zu geben.
Die Motor Steuerung besteht im Wesentlichen aus drei Halbbrückentreibern IR 2104 , 6 MosFets IRFB 4310 und 3 XOR Gatter 74HC86. Drei Hallsensoren am Motor und ein PWM Signal ermöglichen es den Motor unter Last bis zum Stillstand herunterzuregeln.
Ich betreibe meine Winden mit Lipos 6S 4500. Der Strom steigt in Spitzen selten über 45A.
Gruß Peter

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Hier noch Bilder vom selbstgebauten Regler.

 

[tecnologic]

Respekt. Alles diskret ist mal eine Leistung.

Wie machst du die Kabelführung zu den Gates? Bei deinem Aufbau würde ich dir empfehlen direkt an jeden Source und an das Gate ein Kabel zulöten. Diese eng zu verdrillen und dann direkt an den Gate-Widerstand bzw. COM Pin des Treibers an zuschließen. Wenn du den Source für den Treiber irgendwo abnimmst dann hast du unter Umständen den Laststrom als Querstrom dazu. Der Koppelt dann im Schaltmoment in den Gate-Kreis ein und das schwingt sich auf. Dann schlägt das Gate durch und dann der FET... Außerdem ist es besser den Gatewiderstand am FET zu platzieren, weil du dann die Induktivität der Zuleitung zum Gate nicht auf der Seite hast die schwingen kann. Das hängt mit den Eigenheiten eines FETs zusammen wenn er durchschaltet. (Miller Plateau)

Wie in diesem Bild meine ich das. Für jeden FET.

Hast du ein Oszilloskop?

Gruß

Alex

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Ja Alex, einen Oszilloskop habe ich. Ist schon etwas älter.
Werde morgen mal Bilder vom aktuellen Stand mit kompletter Verdrahtung machen. Vielleicht kannst du mir dann sagen ob das so in Ordnung ist. Den Gate Anschluss mit dem Source zu verdrillen könnte schwierig werden. Deine Kenntnisse über die Eigenheiten von FET´s fehlen mir. Bin nur ein Hobby-Elektroniker und dankbar für jeden Tipp, der meine Schaltung stabiler macht.
Gruß Peter

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Hallo Alex
Hier ein Bild von der Verdrahtung der 6 MosFet's



Die Versorgungsspannung ist direkt mit den Kupferlaschen (Drain) der HighFets verbunden.
Der Source direkt mit dem Drain der LowFets verlötet und die Kupferlasche der LowFets mit dem Motor verkabelt.
Das Gate der High und LowFets sind über kurze Kabel (rot/schwarz) mit der Steuerplatine verbunden, auf der sich auch die Gate Widerstände mit den Halbbrückentreibern befinden. Diese Widerstände könnte ich allerdings, wenn das von Vorteil ist, direkt an das Gate löten. Das weiße Kabel ist der Anschluss für die Spannungspumpe. Aber das Verdrillen mit der Source Leitung habe ich noch nicht richtig verstanden. Die kleine Platine links neben den Fet's ist der Anschluss für den Lipo. Dort werden auch die Kondensatoren 10x330 uF angelötet.



Die Steuerplatine mit den IC's und etwas Beiwerk.



Auf der Lötseite wurden noch einige SMD Bauteile verlötet.



So sieht es verbaut aus. Der Motor ist noch nicht verdrahtet. Das braune Kabel liefert das PWM Signal und das weiße steuert die Bremskraft. Gelb, grün und blau sind die Hallsensoren. Rot, orange und grau die Spannungsversorgung.

Das war jetzt erst mal ein kleiner Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung. Freue mich schon auf fachliche Unterstützung zur Verbesserung der Schaltung.

Gruß Peter

 

[tecnologic]

Sauberer Aufbau

Sauberer Aufbau

Hallo Peter,

das sieht sehr gut aus! Da brauche ich erstmal eine Messung von der steigenden und der fallenden Flanke in einer Phase gern mit Motor dran. Meine Vermutung ist nicht das es am Aufbau selbst liegt, sondern deine Brücke ggf. nicht gut abgestimmt ist. Der Punkt ist das der IR2104 eine feste Totzeit zwischen dem Ausschalten des einen FETs und dem Einschalten des anderen FETs einer Phase hat. Und ich habe aus deinen Bildern mal geschlossen das du 10Ohm als Gatewiderstand benutzt? Dann kann es gut sein dass die 520ns Totzeit des Treibers zu lang sind. Und da du keine schnellen Freilaufdioden hast ist das eine ganz schöne Belastung für die FETs, vor allem bei viel Strom. Welche FETs setzt du ein? Es kann ggf. schon reichen die Gatewiderstände auf 33Ohm oder 47Ohm zuerhöhen und dein Problem ist gelößt. Das kann ich so aber nicht sagen ohne eine Messung der Phase mit dem Scope beim Schalten.

Gruß

Alex

 

[Windenbauer]

Hallo Alex danke für die schnelle Antwort.
Als FETs setze ich zur Zeit den IRFB 4310 ein. Habe mir aber auch den IRFB 4110 bestellt. Die Gate Widerstände haben 47 Ohm.
Eine Messung kann ich machen. Soll ich die Ausgänge der Halbbrücke messen oder direkt am Gate nach dem Widerstand? Oder an den Motoranschlüssen? Bei voller Leistung, oder mit halber PWM, damit man die Taktung hat. Bei voller Versorgungsspannung oder reichen auch 5V ? Fragen über Fragen (Hobbyelektroniker).
Die Schaltung läuft im Moment. Habe bereits 15 Starts mit meinem F3J Modell gemacht ohne Ausfall. Eine Erwärmung der FETs war kaum spürbar, also hält sich die Verlustleistung in Grenzen.
Gruß Peter

 

[tecnologic]

Hallo Peter,

das hört sich doch schon mal gut an und der Aufbau sieht auch solide aus. Mit den 4110er machst du auch nix falsch. Die sind alt aber robust, aber für 6S sin 100V FETs etwas mit Kanonen auf Spatzen und so .

Die Messung bitte immer am Abgang der Phase von den FETs, quasi da wo du das Motorkabel angelötet hast. Und dann bei 50% PWM, voller Betriebsspannung und wenn du kannst mit positiven und negativem Nennstrom wäre ideal. Zumindest etwas Strom muss fließen sonst sieht man die Effekte nicht die ich sehen will bzw nicht sehen will. Solche Messungen wenn möglich immer im Nennpunkt des Gerätes machen dann weiß man was los ist. Fürs Erste reicht aber auch Leerlauf.

Da du auch im Bremsbetrieb arbeitest muss ich davon auch die Schaltflanke sehen, also die gleiche Messung nur der Motor muss Strom einspeisen. Beide Fälle (Motor/Generator) führen zu unterschiedlichem Verhalten der FETs in der Totzeit des Treibers. Du weißt nicht zufällig in welchem Fall dir die Brücken immer ausgefallen sind?

Gruß

Alex

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Hallo Alex
Die Messung werde ich versuchen unter möglichst realen Bedingungen zu machen.
Zu Anfang sind mir die FETs wegen hoher Verlustleistung ausgefallen. Das Problem ist aber gelöst. Beim Bremsen ist nie etwas passiert. Dann werden alle drei Low FETs für maximale Bremsleistung durchgeschaltet. Soll die Bremsleistung verringert werden, werden die Low FETs getaktet. Die beiden letzten Ausfälle passierten, wenn nach der ersten Startphase unter 100% PWM die Seilspannung erreicht und das PWM Signal zurückgenommen wurde. Nachdem ich an der Spannungsversorgung der Steuerung Änderungen vorgenommen habe, ist dies nicht mehr passiert. Ich vermute immer noch, dass durch eine schlechte Spannungsversorgung die Halbbrückentreiber gestört wurden. Da auch die Datenaufzeichnung auf SD-Card durch den Arduino unzuverlässig war.
Gruß Peter

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Hallo Windenstarter
Liest hier eigendlich sonst noch Jemand mit und interessiert euch das Thema überhaupt ??

Es grüßt euch der Windenbauer

 

[Tramp]

Ich lese gerne mit und finde es ein sehr interessantes Thema!
Mach weiter so!

Johannes

 

[fooman_w]

äußerst interessantes Thema !!!
Als begeisterter Windenflieger lese ich hier sehr gerne mit !

 

[tecnologic]

Bei einer instabilen Treiber Versorgung gehen die immer wieder in Unterspannung und sorgen dafür das unter Strom alle FETs ausgehen, das interessiert den Antrieb aber nicht der Strom fließt weiter und dann eben da lang wo er einen Weg findet, leider auch durch eine durchgebrochene Sperrschicht eines FETs dessen Diode den Strom nicht tragen kann.

Ich bin mal auf die Flanken gespannt.

Gruß

Alex

 

[Windenbauer]

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Selbstbau-Regler für Brushless-Winde

Hallo Alex
Habe ich das richtig verstanden, das durch eine schlechte Spannungsversorgung der Treiber, die FETs schaden nehmen könnten?

Hier das Ergebnis meiner „Messübung“.



Gemessen habe ich an einem Motoranschluss. Der Gate Widerstand beträgt 47 Ohm. Der Oska war auf 2V/cm und 2 MicroSek./cm eingestellt.
Die Winde lief ohne nennenswerte Last. Aber auch bei Erhöhung der Last durch Handbremsung der Seiltrommel hat sich des Messergebnis nicht geändert. Das PWM Singnal lag bei etwa 10%. Bei Erhöhung auf 50% haben sich die Flanken nicht geändert.
Ich hoffe die Darstellung sagt Dir etwas.

Gruß Peter

 

[smartrobert]

Hallo Windenstarter
Liest hier eigendlich sonst noch Jemand mit und interessiert euch das Thema überhaupt ??

Es grüßt euch der Windenbauer

Hallo Peter,

auch ich lese Deinen interessanten Bericht mit. Leider steige ich aber gerade thematisch aus, da ich ähnlich wie Du nur Hobbyelektroniker bin und mir profunden Kenntnisse im Bereich der FETs fehlen. Vermutlich geht es dem einen oder anderen Mitleser ebenfalls so...

Vor diesem Hintergrund werde ich wohl meine "erste Winde" mit Deinen im anderen Thread beschriebenen Mabuchi/Speed Motor bauen. Einfach deshalb weil ich diese Technik besser begreife, und ohne langes Probieren und auch ohne Lehrgeld zu einem brauchbaren Ergebnis kommen dürfte.

Robert

 

[tecnologic]

Ein HobbyElektroniker muss nicht immer schlecht sein, siehe Peter. Ich kenne Ings. die liefern in dem Bereich schlechtere Arbeite ab. Jeder hat da so sein Feld wo er gut drin ist.

Zu den Flanken: Wie hast du die Masse des Tastkopfes angeschlossen? Mit diese Masseclip mit der Krokoklemme? Sieht zumindest so aus . Nächstes Mal bitte mit der Massefeder oder einem kurzen Stück Draht das du um den Massering des Tastkopfes wickelst. Dann Klingelt (die Schwingung am Ende der Flanke) es nicht mehr so. Du musst die Flanke richtig breit auf ziehen, was man sehen will ist ob die Flanke gerade ansteigt oder ob dort z.B. ein Einbruch drin ist (Kurzschluss im Umschlaten --> Totzeit zu kurz).

An deinen Messungen sehe ich aber das der sogenannte Reverse Recovery recht lang ist. Wenn die dir die Auschschaltflanke ansiehst und die Schwingungen ignorierst. ist die für ca. 200ns unter 0V. Das bedeutet die Diode des unteren FETs ist noch voll mit elektroden an der Sperrschicht. Weil die die Hohe Spannung ja sperrt. Jetzt schaltet der obere FET ab. Und die die Diode des unteren muss leitend werden das dauert etwas dann ist die Spannung an der Diode weit negativer als die 0.5-0.7V die sie sonst hätte jenach FET. Und dann nach 200ns schaltet der Treiber den unteren FET ein.

Da ich das jetzt nur grob abschätzen kann, setzen wir einfach mal den 3-Satz an. Du hast noch ca. 200ns Luft in der Totzeit und die gesamte Totzeit ist 500ns also der doppelte Gatewiderstand könnte dich dem schon näher bringen. Du kannst ja mal eine Phase mit 100R austatten und die anderen so lassen und dann beide vergleichen von den Messungen her. Je näher du an eine einfach Kondensatorladekurve kommst desto besser. Aber lass dich nicht entmutigen wenn es dazu nicht kommt. Das ist ein theoretisches Optimum.


Hier z.B. mal ein Beispiel was ich so Messe. Das ist ein komplette anderer Aufbau und auch ein anderer Ansatz. Aber guck dir mal die Flanke des Kanal 1 gelb an. Bei 2ms/div siehst du das nicht. Das sind 100ns/div.

Gruß

Alex