Richtige Ansteuerfrequenz von DC-Motoren

[Powell]

Hallo

Bin gerade dabei meine ersten Gehversuche im Aufbau einer Motordrehzahlregelung zu machen. Habe das ganze mit einem Mega8 und einem Mosfet IRF1404 gemacht. Über ein Poti und Analogeingang stelle ich den Timer der mir ein entsprechendes PWM-Signal ausgibt.
Die Regelung funktioniert so weit, jetzt möchte ich das ganze optimieren.

Der erste Punkt: Wenn man den Poti anfängt zu drehen fängt der Motor an zu fiepen ohne sich zu drehen. Dabei wird der Mosfet tierisch heiß. Wenn ich das ganze in verschiedenen Poti-Stellungen teste, stelle ich fest, dass der Mosfet umso heißer wird, je niedriger die Drehzahl des Motors ist bzw. am heißesten wird wenn er sich gar nicht erst dreht.
Frage: Warum ist das so? (wie gesagt, habe noch keinerlei Erfahrungen mit dieser Materie aufzuweisen).

Der zweite Punkt: Die PWM-Frequenz liegt bei 250 Hz. Ich habe mal gehört, dass Motoren üblicherweise mit 50 Hz angesteuert werden, da über diese Frequenz weniger EMV-Probleme auftreten können. Stimmt das? Und gibt es sonst noch Parameter die über die PWM-Frequenz beeinträchtigt werden?

Grüße Paul

[Jakob L.]

Hallo,

welche Schaltung verwendest du zum Ansteuern des Mosfet? Kann es sein, dass du die Freilaufdiode vergessen hast?

Gruss
Jakob

[Yossarian]

Hallo
Mit den 5V schaffst Du es nicht den FET durchzusteuern, deshalb abeitet er teilweise im linearen Bereich und muß entsprechend Verlustleistung verkraften.
Benutze einen Treiber oder nimm einen LogigLevelFet.

Mit freundlichen Grüßen
Benno

[kalledom]

@Yossarian
IRF1404 = HEXFET® Power MOSFET
Mit Ugs=5V schafft der 40A bei Tj=25°C, 80A bei Tj=175°C

Ob allerdings die 250Hz nicht 250kHz sind und ob der µC-Ausgang ausreichend Strom zum Umladen der >2000pF Gate-Kapazität liefern kann ?
Oder ist da vielleicht ein 10k Widerstand zwischen Ausgang und Gate ?

[Yossarian]

Hallo
Hexfet ist nicht gleich Logik Level.
Der 1404 fängt zwischen 2 und 4 Volt an zu leiten.
Mit freundlichen Grüßen
Benno

[Powell]

Hallo

Sorry, ich vergaß:

Treiber ist ein BC549B Transistor, der das Gate gegen Masse schaltet, das Gate wird während der Transistor nicht durchgesteuert wird über einen 1K Pullup auf +12V Versorgungsspannung gezogen. Der FET steuert voll durch.

Eine externe Freilaufdiode habe ich nicht eingebaut, das werde ich aber gleich mal ausprobieren.

Die Frequenz lag definitiv bei 250Hz, habe es mal mit niedrigeren Frequenzen ausprobiert, aber neben dem Effekt dass der Motor bei ca. 30Hz in niedrigen Drehzahlen ziemlich ruckelt ändert sich an der Erwärmung des FETs nichts.

Ach ja und noch eine Info zum Motor: Es handelt sich um einen Anlassermotor aus einem Motorradmotor. Was mich etwas wundert ist, dass er im Leerlauf (!) und max Ansteuerung satte 20A zieht.
Bei niedrigen Drehzahlen bzw. im Anlaufmoment liegen die Stromspitzen bei etwa 120A.

Grüße Paul

[Yossarian]

Hallo
Ich finde es immer wieder toll, wie freigiebig Informationen gegeben werden.
Mit 120A hast Du eine Verlustleistung von ca. 60W. Daß er sich da 'leicht' erwärmt verwundert nicht.

Mit freundlichen Grüßen
Benno

[BASTIUniversal]

Hi!
Das dein FET heiß wird, ist wirklich nicht weiter verwunderlich! Sei dir mal im klaren, dass 20A richtig viel sind!
Wenn du dann dem Gate nur 5V über einen 1k Widerstand genehmigst, brauchst du ne Ewigkeit bis das Gate umgeladen ist (>30µs!!!).

Du solltest dir vielleicht zuerst nen kleinen DC-Motor mit nur ein paar Watt Leistung besorgen und damit experimentieren...wenn du ohne Grundlagen an solche Trümmer von Motoren gehst, ist es nur eine Frage der Zeit, bis da was kaputt geht!

Wenn du trotzdem weitermachen willst, probier zuerst, das Gate mit Hilfe einer Gegentakt Stufe zu laden/entladen. Ausserdem solltest du dem Gate 10 bis 15V genehmigen (aber niemals mehr als 20V!). Dann hast du bei 50% Duty Cycle ne Verlustleistung von etwa 0,8 W am FET (gerechnet mit 20A).
Zur Frequenz sagt lieber jemand anderes...da hab ich noch nicht so viele eigene Erfahrungen.

MfG

[Powell]

Hallo Basti

Gerade bei 20A Dauerstrom wird er gar nicht mal so heiß - eher wenn der Motor nur fiept ohne anzulaufen.
Dass ich dem Gate keine 5 sondern 12V gebe, habe ich aber oben schon erwähnt.
Wie sähe es denn z.B. aus wenn ich den Pullup kleiner wähle, sodass die Umladungszeit geringer wird? Welcher Wert ist denn noch zulässig? Ich nehme mal an, dass der FET kaputt geht wenn der Umladestrom zu groß wird?

Was die Frequenz anbelangt: Im Argument mit der Umladezeit steckt dann auch die Aussage je kleiner die Frequenz, desto kleiner die Verlustleistung, da weniger Umladungen pro Zeiteinheit erfolgen - diese Aussage findet sich auch im RN-Wissen Bereich niedergeschrieben. Gleichzeitig läuft mir der Motor bei Frequenzen unter 50 Hz schon arg ruckelig in niedrigen Drehzahlen, was die untere Grenzfrequenz damit wohl limitiert.

[avion23]

Wenn du mit der Frequenz höher gehst, wirkt sich die Induktivität des Motors stärker aus. Zusammen mit einer schnellen & starken Freilaufdiode oder H-Brücke kannst du so den mittleren Strom effektiv steuern und der Motor läuft runder. So hast du jedes Mal einen Kurschluß, der nur durch den Windungswiderstand limitiert ist. Zusammen mit dem langsamen Umschalten fällt fast die ganze Verlustleistung am FET ab.

Wäre nett, wenn jemand bestätigt/widerlegt was ich gerade geschrieben habe. Sicher bin ich mir nicht.

[Manf]

Wenn du mit der Frequenz höher gehst, wirkt sich die Induktivität des Motors stärker aus. Zusammen mit einer schnellen & starken Freilaufdiode oder H-Brücke kannst du so den mittleren Strom effektiv steuern und der Motor läuft runder. ...
Wäre nett, wenn jemand bestätigt/widerlegt was ich gerade geschrieben habe. Sicher bin ich mir nicht.
Soweit ist es richtig, der Motor hat eine elektrische Zeitkonstante aus Induktivität und Widerstand. Bleibt die Periodendauer unter der Zeitkonstanten dann gibt es große Stromänderungen ein schwankendes Drehmoment und höhere Verluste im Motor.
Manfred

[Jakob L.]

Hallo Powell,

wegen einem zu hohem Umladestrom brauchst du dir eigentlich keine Sorgen machen. Es gibt Mosfet Treiber, die das Gate mit einem Strom von meherern Ampere umladen, ohne dass der Mosfet dadurch beschädigt wird. Ich würde zum Ansteuern des Gates eine Gegentaktendstufe aus zwei kleinen Transistoren verwenden. Das grösste Problem sind hier aber wahrscheinlich nicht die Umschaltverluste (Bei 250 Hz spielen die keine so grosse Rolle) sondern eher der hohe Anlaufstrom des Motors. Solange der Motor nicht anläuft, fliesst bei eingeschaltetem Mosfet ein Strom von 120 A. Dieser verursacht eine Verlustleistung von ca. 60 Watt. Wenn der Motor zum Anlaufen ein PWM Schaltverhältnis von 20% braucht, dann ist die resultierende Verlustleistung im Mosfet schon 12 Watt. Dazu kommen noch die Umschaltverluste und die Energie, die in der Induktivität des Motors gespeichert ist und ohne Freilaufdiode beim Ausschalten im Mosfet verheizt wird. Bei der Verlustleistung wird die Schaltung ohne Kühlkörper nicht funktionieren. Es wäre eventuell auch sinnvoll, 2 oder 3 Mosfets parallel zu schalten.

Gruss
Jakob

[Powell]

Hi Jakob

Erklär mir doch bitte noch was eine Gegentaktendstufe ist, das weiß ich leider nicht.

Wäre es denn Sinnvoll, das minimale Schaltverhältnis auf z.B. 20% zu setzen, sodass er beim ersten Regeleingriff auf anhieb anläuft?
Was ich noch nicht ganz verstehe bei der GEschichte mit der Verlustleistung: Wenn er ganz kurz die 120A zieht und dabei nicht anläuft, ist das doch das gleiche wie wenn er etwas länger 60A zieht und dabei läuft. Er sollte doch dann gleich warm werden, oder steigt die Verlustleistung überproportional zum Strom?

Sicherheitshalber habe ich auch vor mehrere FETs parallel zu schalten und diese mit Kühlkörper auszustatten.
Dazu noch eine Frage: Macht es sinn z.B. immer zwei Fets mit einem Transistor zu treiben und diese dann über einen gemeinsamen Pin am MC durchzusteuern, oder ist es besser jeden FET mit einem extra Transistor zu treiben, oder ist es genauso gut alle z.B. 6 FETS mit einem einzigen Transistor anzusteuern?

Grüße Paul

[sigo]

Hi Powell,

schau dir mal den TSC4427 oder auch den TSC1427 an.
Es gibt aber noch zig andere Typen.

Übrigens kann man auch einen normalen 8-Fach-Bustreiber, wie der 74HC245 o.ä. als Gate-Treiber nehmen, und alle 8 Kanäle parallel schalten.
Der kann in der Summe auch schon einiges Treiben..
Aber bei dem genannten Strömen hörts irgendwann auf.

Du kannst auch mal versuchen, einfach den PWM-Ausgang (in Gegentakt-Modus) über einen 100Ohm Widerstand auf dem MOSFET zu geben. Das sollte schon besser klappen, als mit dem 1k Pull-Up. :-))
Denn der ATmega kann durchaus dann auch 50mA peak liefern.
Aber Ziel müssen 500mA o.Ä. sein..

Die Treiben das Gate des MOSFETs mit bis zu 2A und mehr - j enach Typ.

Das A und O ist es, die Schaltzeiten niedrig zu halten um die Verluste klein zu halten. Mit den 1k Pull-Up wird das Gate ja nur mit wenigen mA geladen. Wogegen der BC549 es immerhin noch mit >100mA entladen kann.

Eine Gegentakt Endstufe besteht aus einem PNP und einem NPN Transistor und kann in beide Richtungen richtig Strom liefern bzw. aus dem Gate ziehen. Das ist in o.g. Treibern in Form von MOSFETS realsiert.

Man arbeitet typisch mit einem Gatewiderstand zwischen 10 und 47 Ohm - bei 12V. Oder noch weniger bei 5V. Dann gibt es praktisch keine Schaltverluste mehr.

Es ist klar, dass die Belastung für die MOSFETs am größten ist, wenn der Motor noch steht. Denn dann gibt es keine Gegen-EMK und die MOSFETs sehen als Last nur den extrem geringen Innenwiderstand mit der ebenfalls nicth so hohen Induktivität bei voller Betriebsspannung.

Wenn der Motor dreht, sehen die MOSFETs ja nur noch U - Gegen-EMK, somit einen kleineren Spitzenstrom.

Sigo

[PsiQ]

mal zum anfangen:
wenn der motor ohne freilaufdiode mit pwm betrieben wird, entlädt sich das
induktive feld aus dem motor immer über die freilaufdiode im mosfet, sofern er eine hat, dort entsteht dann die Wärme entsprechend der durchlasspannugn der diode und des stroms.
da wird er also schonmal warm, wa nicht sein muß/sollte.

Gegentaktstufe:
siehe anhang..
anstatt über nen widerstand pullup wie bei dir,
wird das gate per transistoren direkt an plus oder minus geschaltet..
gegentakt weil pnp und npn

Entsprechend muß der strom aufs transistormaximum beschränkt werden, sonst brennen die irgendwann durch..
So wird das gate schneller umgeladen = weniger verluste
gleichzeitig wird dein ic entlastet=weniger wärme..

ACHTUNG:
widerstände entsprechend der spannung+maximalstrom wählen,
ich glaub das war im schema alles für 5V

R1 und R2 kann man noch zusammenfassen, also ein widerstand und beide transistorgates parallel..

[Daniel_RN]

Hallo zusammen,
ich glaube nicht das die Gegentaktendstufe richtig funktioniert, sollte der PNP nicht oben und der npn unten?
Ansonsten hast du nicht ausreichend Spannung am Gate.

Dann sollte es klappen!!!!

Lass mich aber auch gerne belehren wenn ich vielleicht einen Denkfehler mache.

[PsiQ]

Mal wieder am Leichen ausbuddeln ;-)

so wies oben im bildchen ist:

wenn der ic high ausgibt, wird der mosfet high und leitet
wenn der ic low ausgibt wird der mosfet low und leitet nicht.

Wenn mans andersrum (invertiert) haben will,
muß mans andersrum bauen.

Das Gegentakt bezeichnet doch nur, dass die transistoren bc338-bc328 "gegeneinander" arbeiten
-Nicht, dass der mosfet invertiert zum ic schaltet.
(so hab ich das ohne nachschlagen verstanden gehabt :-) )

Egal wierum, es "klappt" immer, nur invertiert oder gleich zum Pegel am IC

[Daniel_RN]

Naja das ist schon alles richtig, weiß auch was eine Gegentaktendstufe ist, das problem ist bloß die niedrige Gatespannung, wenn der npn geschaltet ist. Du hast ca. 4,3V, wenn der npn nach high schaltet.

Das es andersrum invertiert ist, ist richtig und klar, aber die meisten FET's benötigen ja etwas mehr Spannung als z.B. 5V Logiklevel, was u.a. in dem Thread schon besprochen wurde.!

Also PNP nach oben, noch ne Steuerstufe vor und der npn nach unten.

Klar es geht auch so, ist ja auch richtig, aber in der Praxis vielleicht nicht ausreichend, alles schon probiert.

Schonmal simuliert?
=P~

[PsiQ]

was wie wo? noch ne steuerstufe vor?
hä?
Der irl3803 ist doch ein logic level?
Wenn der motor mehr als 5V hat, hängt man die transistoren evtl mit an die größere Spannung, dann klappts auch mit non logic level..

In der obigen Schaltung gibts einfach nicht mehr als 5V, wo soll ich da dann mehr herholen, indem ich die Transistoren anders positioniere?
Nur durchs umsetzen der Transistoren kommt doch nicht mehr Spannung an?(nur invertiert..)

Ich verstehe deinen einhaker ins Thema grade nicht?

Praxis:
Obige schaltung funktioniert ganz ohne Treiber-Transistoren mit 670Hz
und Gate mit vorwiderstand direkt am IC (PIC16) mit ca 20mA Steuerstrom (pullup..pulldown) und ner last von >5A/12V* problemlos ohne Erwärmung (kleiner Kükö) des irl3803?

*last an 12V; gateMosfet zwischen 0 und 5V

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Wenn im Hintergrund irgendwo ne höhere Spannung ist an die der Motor soll, kann da natürlich auch das mosfet gate mit ran, aber da sind halt nur 5V..


Ich verstehe grad leider wirklich nicht worauf du raus willst:
A)
Nicht jeder Mosfet schaltet bei 5V schon genug durch:
Jawoll, korrekt, aber der irl3803 ist ein logic level FET, und in obiger Schaltung gibts halt nur 5V.

B)
Vertauschen von pnp npn bringt keine höhere Spannung, nur Invertierung.

C)
Vorsetzen von einer weiteren Treiberstufe ergibt auch keine höhere Spannung auf die das Gate geladen wird.

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Ist schon ne Weile her, aber ich dachte hier im Beitrag gings nur ums einfach verständliche Prinzip.
Mach doch mal bitte ne Schaltungsbild wie du das meinst,
und schreib dazu was sich da dann verbessert.

[Hessibaby]

Bleibt noch anzumerken, das Startermotoren eine Vorzugsdrehrichtung haben, auf die sie optimiert sind. Wenn Du die in beiden Richtungen verwenden willst, muß das Kollektorpaket etwas verdreht werden.
Gruß
p.s. im Allgemeinen gilt, je höher die Leistungsaufnahme eines Motors ist, desto niedriger muss die PWM-Frequenz sein.

[Daniel_RN]

Naja manchmal denke ich ein bisschen kompliziert.

Hab mir das Datenblatt vom IRL3803 angeschaut, ist ja n schönes Teil, hab vorher nur mit FET's gearbeitet die mehr Spannung benötigen und da hätte das nicht geklappt, hatte bloß n kleines Problem mit dem Spannungsabfall UBE, aber der knallt bei 4V ja immernoch 100A raus.

Ne schon OK, hätte mir mal gleich das Datenblatt anschauen sollen!!
Dann haut die Schaltung so auch gut hin!!

#-o