Brückenschaltung

[herrzattacke]

Hi,

Ich muss für die Uni eine Ansteuerung eines 6-Gelenkigen Roboterarms realisieren. Die Rechenarbeit(DGL's usw) erledig dabei ein kleiner Rechner.
Meine Aufgabe ist es nun mit Hilfe eines FPGA(Xilinx) einen USB Anschluss bereitzustellen, mit dem dann der Roboterarm gesteuert werden kann.
Das ist ja soweit eigenlich ganz klar für einen Informatiker, aber jetzt kommts:
Ich muss auch noch eine Leistungselektronik entwickeln, mit der dann die Motoren mit Saft versorgt werden. Dabei soll ich eine Vollbrücke mit MOS-FET's realisieren.

Die Schaltung an sich findet sich ja auch zu hauf in diesem Forum, aber wie kann ich denn bestimmen welche MOS-FET's überhaupt geeignet sind?
Muss ich da einfach nur "Starting Current * Nominal Voltage" rechnen, und mir dann einfach einen MOS-FET suchen, dessen P_tot >= Max Power des Motors ist?
Außerdem würde ich gerne wissen wie ich den FPGA vor der EMK im Freilauf schütze?

Wäre schön wenn mir einer ein paar Tips geben könnte.

Gruß
Herrzattacke

[Manf]

Die Motorbrücken werden häufig mit hoherer Spanung betrieben als der Logikteil der Schaltung. Dann schützt der Spannungsregler des Logikteils vor Stromspitzen, die von den Motoren beim Umschalten abgegeben werden. Die MOSFets selbst sind ausreichend rückwirkungsfrei.

Welchen Strom benötigst Du denn für die Motoren (dauernd und im Anlauf). Die P_tot des Fets ist nicht die Motorleistung.
Manfred

[herrzattacke]

Geht um 5 Motoren und einen Servo, hier kommen dann die Motor Daten.

Alle Motoren sind von Maxon:
Bezeichnung / Nominal Voltage / Starting Current / Max. continuous Current / Max Cont Torque / Torque Constant
RE25 _____ / 42 V _________ / 7940 mA ______ / 800 mA _____________ / 23,6 mNm _____ / 35,7 mNm/A
RE24-Max _ / 42 V _________ / 1300 mA ______ / 273 mA _____________ / 11,0 mNm _____ / 46,3 mNm/A
RE13 _____ / 10 V _________ / 127 mA _______ / 101 mA _____________ / 1,24 mNm _____ / 13,0 mNm/A

Die Versorgungspannung ist 13V.

Der FPGA läuft mit 5V und liefert an den Ausgängen 3.3V oder 5V mit max. 35 mA Ausgangsleistung.

Danke für deine Mühe.

Gruß HerrZattacke

[Manf]

Für das Kleinzeug bis 12V 500mA geht sicher ein TreiberIC vom Typ 4469 der einfach mit Logik angesteuert wird.
Bei der Schaltung ist jeweils auf die Freilaufdioden zu achten.
Hier im Roboternetz gibt es ja auch die neue 4A Brücke die man noch mal prüfen sollte, ob sie die 42V aushält und den Anfahrstom von 7,9A.
(Erstmal so als interne Bemerkung)
Manfred

https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=1511
Das Board erlaubt bereits ohne Kühlkörper eine längere Belastung von 4,5A, wobei die kurzzeitige Belastung (max. 10 Sekunden) bis ca. 8A kein Problem darstellt. Der moderne Motorchip verträgt sogar weit höhere Strombelastungen, welche aber aufgrund der starken Wärmeentwicklung ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen Kühlkörper / Lüfter etc. nicht genutzt werden können.

Das mit dem Strom sieht gut aus nur in der Spannung ist die Schaltung bis 30V angegeben.

Dieser IC L298 ist für 46V und bis 4A belastbar. Er wird auch viel auf den RN Boards eingesetzt. http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/1773.pdf

[herrzattacke]

Den l298 hab ich mir auch schon angeschaut, aber das Problem ist nur, dass ich die Vollbrücke sebst bauen soll. Daher führt kein weg daran vorbei mir selbst MOSFET's auszusuchen, die dazu geeignet sind.
Das ist leider ein Teil der Aufgabenstellung, den kann ich nicht ignorieren.
Vielleicht kann ich den HiWi (Hilfs-Wissenschaftler) noch dazu überreden doch einen Baustein zu nehmen, aber ich glaube nicht dass er das will.

Achja, du hast anscheinend übersehen, dass ich nur 13V Betriebsspannung habe, die Motoren sind zwar für 42V ausgelegt, aber soviel hab ich leider net.

Wenn ich das richtig verstanden habe, ist es für den Motor ja auch nicht wichtig welche Spannung er bekommt, Hauptsache die Leistung stimmt, oder hab ich da was Falsch verstanden? Dann müsste ich ja noch einen Spannungsverdoppler machen.

Ich mache mal eine Zeichnung wie das ganze denn aussehen sollte, und dann kann mir vielleicht jemand sagen was an meinem Entwurf noch falsch ist.

Gruß HerrZattacke

[Hessibaby]

Hoppla,
wenn Du nur 13V statt 42V für die Motoren zu Verfügung hast dann hast Du ja nur ca. 1/10 der nominalen Last zur Verfügung. Nun denn.
MOS-FETs würde ich von IRF nehmen und zwar welche die Du mit Logiklevel ansteuern kannst. Application Notes findest Du auf der Website von IRF.com.
Gruß Hartmut

[Manf]

Achja, du hast anscheinend übersehen, dass ich nur 13V Betriebsspannung habeDie Bemerkung Spannungsversorgung habe ich schon gesehen, aber sie steht als Aussage etwas schwach da gegen die Angabe "Nominal Voltage" (nicht Maximum Voltage).
Das ist wie mit den Schaltungen im Fernsehgerät, das hat beispielsweise eine Versorgungsspannung von 230V AC.

Dann wäre wohl noch zu klären, mir welcher Spannung die Motoren laufen sollen. Die 4A Brücke ist eine ganz praktische und preiswerte Lösung und sollte dann durchaus weiter betrachtet werden.
Manfred

[herrzattacke]

wenn Du nur 13V statt 42V für die Motoren zu Verfügung hast dann hast Du ja nur ca. 1/10 der nominalen Last zur Verfügung.
Soll das heißen, dass ich besser eine Spannungsverdopplung machen sollte?
Ich hab nämlich von Motoren noch gar keine Ahnung.

Die Motoren sollten der Einfachheit halber mit 13V betrieben werden.

Btw. Ich wollte die Brückenschaltung mit 4 N-MOS FET's aufbauhen, ist das eine gute Idee? Die N-MOS FET's schalten halt schneller. Jetzt bin ich mir nur nicht sicher wie ich die Gates der beiden Unteren MOS FET's noch absichern muss. Ich nehme mal an, dass das genau Spiegelverkehrt zu den beiden Oben sein muss. Siehe Zeichnung.
Ich hab jetzt einfach mal FET's mit Freilaufdioden eingezeichnet, da es die Schaltung doch stark vereinfacht (später beim verdrahten).

Es geht mir einfach nur darum, welche MOS-FET's ich verwenden kann.
Ich hab auch schon bei IRF in den Application Notes geschaut, aber mir fehlt das Stichwort, nach dem ich suchen muss.

Wie gesagt, es ist mein erstes richtiges Elektronik Projekt und daher muss ich euch mit dummen Fragen Nerven. Tut mir Leid ;)

Gruß HerrZattacke

[foxi_the_daywalker]

Hi!

Beschäftige mich momentan auch damit.
Ich hab fast die gleiche Zeichnung wie du nur hab ich oben p-Kanal Mosfets und unten n-Kanal.
Aus Erfahrungen mit Mosfets mache ich immer einen hochohmigen Widerstand von Gate zu Source bei jedem Mosfet. So können die Mosfets nicht unkontrolliert durchschalten.

Dann nimmst du am besten einen Mosfet-Treiber IC, damit du am Gate schnell schlatest und dadurch die Verluste im Mosfet gering hälst.
Achja, am besten einen 3,3Ohm -4,7Ohm Widerstand vor das Gate packen, dass erhöht zwar die Verlustleistung minimal, schütz dafür aber den Mosfet.

Bis denn
Foxi

[stupsi]

@herzattacke
Die N-Kanal- Mosfets auf der Highside werden so nicht funktionieren. Die Gatespannung muß 5...10V höher als Vcc sein, damit sie leiten. Sowas macht z.B. der Ansteuerbaustein IR2184.
Empfehlung: nimm P-Kanal FETs wie foxy.
Gruß Stupsi

[herrzattacke]

oben p-kanal???

Ich hab irgendwo gelesen:

P-Channel MOSFET's are good current sinks
N-Channel MOSFET's are good current source

sollten dann nicht die N-Kanal oben sein und die P-Kanal MOSFET's unten???
So haben bisher auch alle Schaltpläne ausgesehen, die ich im Netz gefunden habe.

... Jetzt habt ihr mich total Verwirrt.

Gruß HerrZattacke

[SprinterSB]

oben p-kanal???

Ich hab irgendwo gelesen:

P-Channel MOSFET's are good current sinks
N-Channel MOSFET's are good current source

sollten dann nicht die N-Kanal oben sein und die P-Kanal MOSFET's unten???
So haben bisher auch alle Schaltpläne ausgesehen, die ich im Netz gefunden habe.

... Jetzt habt ihr mich total Verwirrt.

Gruß HerrZattacke

Da bin ich auch verwirrt, ist doch anders rum... :-k

Als N-Fet sollte der IRFZ44N gehen: 55V, 49A, 18mOhm, 1.5nF
Ist aber kein logic level. Direkt mit nem µC treiben willst du aber eh nicht, oder?

[foxi_the_daywalker]

Womit ich mich noch nicht auseinander gesetzt habe (kann wichtig sein), ist eine Motorbremse. Wenn du "dickere" Motoren hast, haben diese ja auch eine "Generatorwirkung".
Wenn die Spannung hoch geht, könnten die Mosfets schaden nehmen.

Könnte man dafür die beiden unteren Mosfets durchschalten ?
Dann müsste die erzeugte Energie in den Mosfets bzw. ihren Freilaufdioden verbraten werden.

Bis denn
Foxi

[herrzattacke]

direkt mit dem FPGA das Ding anzusteuern ist nicht unbedingt nötig, wäre aber schön(hält die schaltung klein).

Geschwindigkeit ist wichtiger.

Gruß

[herrzattacke]

Gibt es da eigentlich auch ein tolles buch zu dem Thema?

Leistungselektronik und Motor Steuerung für Dummies??? ;)

In welchen Tabellen schaut ihr denn immer nach wenn ihr nach MOSFET bzw Bipolar Transistoren sucht?
Habt Ihr da auch eine Buchempfehlung?

Gruß HerrZattacke

[SprinterSB]

Irgendwann hat man seine Standard-Typen zusammen.

FETs direkt mit FPGA / µC treiben ist nicht zu empfehlen, wenn du schnell schalten willst, weil deren Ports nicht genug Strom liefern.
Wenn du das Gatepotential in 10ns um 10V ändern willst und das Gate eine Kapazität von 1.5nF hat, dann brauchst du 1.5A!
Je schneller du schaltest, desto geringer sind die Schaltverluste in den FETs, allerdings bekommst du mehr Störungen.

Sehr empfehlen kann ich dir das usenet-Forum: de.sci.electronics
Als freien news-Server hab ich den
freenews.netfront.net gefunden.
Da es sich dabei im ein 'richtiges' Forum handelt, empfiehlt es sich, zum Posten auch einen richtigen newsreader (nntp) wie Mozilla zu benutzen und *nicht* via Google Groups (http-Frontend) oder ähnlichem.
Zudem das Forum-Readme lesen und sich im Forum einlesen, damit du die Netikette kennen lernst -- die ist deutlich strikter als hier -- und lernst, wie man fragt und antwortet.

Ich hoffe mal ich werde jetzt hier nicht rausgeschmissen, weil ich n anderes Forum empfehle :-b