Motorsteuerung, diesmal hoffentlich ohne EMV-Probleme.

[lebratmaxe]

Hallo zusammen,

nachdem meine letzte Platine für eine Motorsteuerung massive EMV-Probleme hatte, hier stehts (https://www.roboternetz.de/community/threads/63762-Motoren-bringen-%C2%B5C-zum-Absturz-trotz-Kondensatoren-Dioden-etc), kommt jetzt der neue Versuch. Ich habe versucht die Hinweise vom letzten Mal umzusetzen, als
- keinen GND-Ring mehr
- GND-Versorgung des µC dicker, 5V auch
- Kondensatoren möglichst nah an der H-Brücke
- PWM-Motorzuleitungen kreuzen keine Datenleiterbahnen
Freilaufioden habe ich nicht vorgesehen, das Datenblatt der H-Brücke (VNH3SP30) zeigt aber in der Beispielschaltung auch keine.
Mag da mal jemand drüberschauen?

[Besserwessi]

Die Lage der Entstörkondensatoren am µC ist relativ schlecht. Wenn die Bauform 0805 zu groß ist, gibt es auch noch 0603 - die lässt sich auch noch einigermaßen von Hand löten. Für die Pins 3-6 reicht auch 1 Abblockkondensator - nur der sollte auch dicht am IC sitzen und nicht erst über VIAs gehen. Die Leitungen zu den Kondensatoren sollten direkt zum µC gehen - nicht an den Abblockkondensatoren vorbei.

Der MOSFET in der Masseleitung erschließt sich mir nicht so ganz. Da sind Probleme vorprogrammiert wenn die Masse nicht verbunden ist, aber die 24 V Versorgung da ist - im ungünstigen Fall zerstört es den µC. Da sollte eigentlich eine Masseverbindung sein. Ohne den MOSFET wird dann auch die Verbindung vom Treiber zu den Elkos besser. Die 24 V Versorgung könnte auch noch ein paar Kondensatoren vertragen, nicht nur die ELKOs, auch eine Transsorb Diode wäre je nach Motor nicht verkehrt, damit die Spannung nicht über etwa 30 V gehen kann, falls der Motor als Generator wirkt.

Der OP-Amp ist auch nicht gut gewählt - der Typ ist reichlich schnell, das gibt ggf. Probleme. Ein Präzisionstyp ist schon gut, aber so schnell muss er nicht sein. Rail to Rail muss auch nicht sein. Zwischen OP und dem µC sollte besser auch noch ein Widerstand (z.B. 1 K). Der Kondensator vor dem OP ist so auch falsch. So würde die Schaltung wahrscheinlich schwingen. Ein Kondensator von inv. Eingang nach GND ist fast nie eine gute Idee. Entweder müsste man R3 aufteilen und den Kondensator in der Mitte, oder je einen Kondensator parallel zu R7 und R8.

[Peter(TOO)]

Hallo,

Der FET in der Masseleitung ist als Kurzschlusssicherung gedacht.

Allerdings müsst das Gate auf +24V gelegt werden und nicht an +5V.

Wenn man jetzt +5V abschaltet und die +24V stehen lässt, zerknallt es den µC !!
Das passiert jetzt aber auch bei einem Kurzschluss.

1k begrenzt den Strom dann auf maximal 24mA pro Pin, als total 120mA welche in den µC fliessen!

Eine Entkopplung wäre mit Dioden, an Stelle der Widerstände (Anode am µC) und Pull Down Widerstände am Treiber möglich.

MfG Peter(TOO)

[lebratmaxe]

Hallo,

ich habe das mal überarbeitet:
- Abblockkondensatoren am µC angepasst
- Der MOSFET soll die Schaltung von Überspannung schützen, wenn das System ausgeschaltet ist. Der MOSFET ist jetzt direkt am 24V angeschlossen. GND verbindet immer zuerst, weil es am Stecker an beiden Seiten geführt wird.
- OP-Sache: Das hatte ich irgendwie ohne zu denken aus der alten Schaltung übernommen... Ich möchte den gemessenen Strom (also die Spannung am Shunt) über einen PT1 an den µC schicken. Haben den Schaltplan jetzt überarbeitet, so dass am Ausgang vom OP ein RC-Glied sitzt. Aber das ist ja auch nicht optimal, oder? Was für einen OP wäre den besser geeignet? Mein OP-Wissen hält sich leider in Grenzen.

[Besserwessi]

Der MOSFET bietet in der Schaltung keinen wirklichen Schutz, sondern verursacht nur mehr Probleme. Mit Drain -Source vertauscht gäbe es noch einen gewissen Verpolungsschutz für den Treiber - ob da die Widerstandswerte zum µC reichen müsste man noch sehen. Ein Chance hat der µC jedenfalls noch.

Der Kondensator C7 ist da recht weit ab vom Schuss - ob er da viel hilft weiss ich nicht. Redenfalls ist der für C10 im Weg. Als schnelle Lösung einfach die Plätze tauschen.

[lebratmaxe]

Der MOSFET wird so im Datenblatt des VNH3SP30 so empfohlen. Die Alternative wäre eine Schottky-Diode in der Zuleitung. Aber da gibt's halt mehr Spannungsabfall und eine Diode, die ein paar Ampere verträgt, habe ich jetzt auch nicht gefunden.
Die Sache mir den C7 / C10 ist klar.

[Besserwessi]

Das mit dem MOSFET im Datenblatt kenne ich, aber da ist der MOSFET mit Drain/Source getauscht. Auch dann ist das nur eine halbherzige Sache, etwa weil man dann die extra Widerstände zum µC braucht. Ein guter Schutz wäre ein P-MOSFET auf der +24 V Seite - ist größer und teurer, aber auch besser, weil dann GND durchgeht.

Auch wenn es nicht im Datenblatt ist, wäre ein Platz für einen Kondensator an der Versorgung des Treibers auch nicht schlecht.

Die LED am Ausgang könnte Probleme bekommen mit der Spannungsfestigkeit in Sperrichtung, falls das keine 2 farbige ist.

Die Kühlfläche für den Shunt und den MOSFET sollte vielleicht auch noch etwas größer,wenn es irgendwie passt.

[lebratmaxe]

So, vielen Dank mal soweit.
Ich habe jetzt einen P-MOSFET eingebaut, ist im Schaltplan rot eingekastelt. Der FET sollte durchschalten, wenn es 5V gibt, oder? Die Schaltung wird so mit 17-20 V betrieben, die V_GS sollte also ~ -9V betragen.

Die LED ist eine DUO-Led, da gibts keine Probleme.

[Besserwessi]

Der P-MOSFET ist wie der N-MOSFET zuvor noch falsch herum drin: Source gehört zur Schaltung und Drain zum Eingang. Das ist nun mal so, dass als Verpolungschutz die MOSFETs anders herum als normal genutzt werden. Halt so, dass Anfangs die Interne Diode leitet.

Die Elkos sind besser hinter dem MOSFET - so sind die Elkos auch geschützt und können Pulsströme direkt liefern. Ob die Elkos jetzt direkt parallel zum IC, oder gegen GND liegen sollten, darüber könnte man ggf. noch streiten. Einmal 100 nF oder so am Treiber IC wären aber sicher nicht verkehrt.
Den Transistor zu den 5 V braucht man nicht - es geht so, aber es sollte auch klein Problem sein wenn die 24 V am Treiber anliegen obwohl die 5 V nicht da sind. Da sollten schon die DIAG Pins dafür sorgen, das dann die Ausgänge hochohmig geschaltet werden.

Beim OP sollte man besser gleich einen 1-fach OP wählen und besser auch etwas langsamer, etwa ein MCP6051. Einen ungenutzten Kanal des 2 Fach OP müsste man sonst noch einen definierten Eingang geben. Etwa als Impedanzwander mit Eingang an GND, oder hart in die Sättigung Treiben wenn der OP das verträgt.

[lebratmaxe]

So, habe die Sache nochmal überarbeitet:
- Die Elkos und ein 100n Kerko hängen jetzt direkt parallel zur H-Brücke.
- Ich habe den MOSFET durch die Schottky-Diode B560C ersetzt. Wenn man sich nicht nur auf Reichelt beschränkt, findet man ja durchaus was passendes. Irgendwie schein die MOSFET-Lösung ja nicht das allerbeste zu sein...
- Kann man die Beschaltung des OP noch verbessern? Vor allem die R23/C4 Sache "gefällt" mir als Filter irgendwie nicht so ganz.

[Besserwessi]

Der Verpolungsschutz mit MOSFET ist schon nicht schlecht, und hat eher weniger Spannungsverlust (und damit Verlustwärme) als mit Shottkydiode - nur geht halt ein N-MOSFET nur an der negativen Seite und so im Plan im Datenblatt auf der neg. Seite (zwischen GND und dem IC) ist das halt nur eine halbe Lösung - mit Diode wird es da auch nicht besser.

Die Filterung mit R23 C4 ist schon gut so. Es könnte eventuell aber hilfreich sein noch zusätzlich eine Filterung vor dem OP oder in der Verstärkerstufe zu haben. In der Stufe wäre es mit Kondensatoren parallel zu R7 und R8 (sollten schon beide sein wenn die Gleichtaktunterdrückung voll erhalten werden soll). Davor wären es möglich mit Aufteilen von R3 und R5 und dann zwischen den Widerständen oder jeweils nach GND.

[lebratmaxe]

Na gut, ich seh's ein, mit dem P-MOSFET ("verkehr herum") ist es wohl doch am besten. Aber wo schließe ich das Gate an? Ich raff das irgendwie nicht:confused:

Mir ist aufgefallen, dass die Beschaltung des OP ja viel einfacher geht, weil man ohne MOSFET zwischen Shunt und GND den OP ja als ganz normalen nichtinvertierenden Verstärker schalten kann. Und an den Eingang einfach das RC-Glied gegen GND. Brauchts dann zusätzlich das RC-Glied am Ausgang auch noch?

[Besserwessi]

Das Gate vom MOSFET kommt an GND, bzw. zur Begrenzung der Spannung an einen Spannungsteiler zwischen GND und Drain.

Die alte Version der OP Schaltung war nicht nur komplizierter, sondern hatte sogar einen Fehler : die Anschlüsse am Shunt waren falsch herum, die Ausgangsspannung wäre negativ - sofern der OP das zugelassen hätte.

Wenn man die beiden Anschlüsse tauscht, ist der Unterschied auch nicht mehr so groß - es fehlt jetzt der eine Widerstand, der das Eingangssignal ein bisschen runter teilt, und der GND Anschluss ist halt nicht mehr beim Shunt eingezeichnet, auch wenn er auch in der neuen Schaltung da sein sollte. Die Frage ist also ob man den einen Widerstand mehr haben will, für eine Differenzverstärkung und damit weniger Einfluss von Spannungsabfall an der GND Leitung. Das RC Glied am Ausgang des OPs hat schon einen Vorteil weil es Rückwirkungen des ADs auf den OP reduziert. In der neuen Schaltung wäre auch noch ein Kondensator parallel zu R3 hilfreich, um die Verstärkerschaltung selber langsam zu machen.

[lebratmaxe]

MOSFET-Sache: Das Gate hängt jetzt auf ~-15V. Das sollte ja passen, oder?
OP: Oh ja stimmt, der war falsch herum.. Habs jetzt geändert und die Widerstände R3 und R1 aufgeteilt und einen Kondensator dazwischen. Passt die Schaltung jetzt so? Wie müsste man denn die Bauteile dimensionieren, also vor allem C4 und C6? Und sollte man noch ein RC-Glied zusätzlich ganz hinten an den Ausgang?

[Besserwessi]

So wie die Schaltung ist, könnte man sich das aufteilen der Widerstände wohl schon sparen - macht bei der gedrehten Form weniger Sinn. Das RC Glied am Ausgang wäre mir lieber. Auch bringt C4 so eine Störung auch auf den Inv Eingang. Ein Kondensator nach GND hält dagegen die Störungen ganz vom OP fern. Den Kondensator C4 kann man dann einfach Parallel zu R4 setzen.

Die Dimensionierung sollte so sein, dass C4 = C6 und R4 = R2 und R1=R3. So super genau muss es bei den Kondensatoren nicht sein - das Gleichtaktsignal ist ja eher klein. Die Passende Grenzfrequenz richtet sich danach was der µC mit dem AD einlesen soll. Wenn es um den mittleren Strom geht, dann eher etwas mehr Filtern also etwa R4*C4 = 1 ... 10 ms , also etwa 10 K und 100 nF...1 µF. Viel mehr als 100 nF wird von der Baufor vermutlich schlecht - 1 µF als Keramik ist von den Eigenschalten oft nicht so toll. Damit es nicht zu nichtlinear wird lieber einer für 25 V oder mehr. Wenn der µC dagegen den Spitzstrom oder so erfassen soll, dann halt eine höhere Grenzfrequenz so etwa R4*C4 = 5 bis 10 µs also 10 K und 500pF ... 1 nF - dann aber auch ein schnellerer OP (>=1 MHz). An den Ausgang des OPs eher so mit 5-10 K und ähnlicher Kapazität, aber bevorzugt nicht weniger als 10 nF - da dann lieber 10 nF und 1 K als 10 K und 1 nF. Ob man den Kondensator dann auch wirklich bestückt ist ggf. noch eine andere Frage.

[lebratmaxe]

Soweit mal vielen Dank...
Zur Gegenfrequenz von R4/C4 bin ich grad etwas verwirrt: Hier sind ja Kondensator und Widerstand parallel. Ich dachte, bei einem RC-Glied, bei dem man mit T = R * C die Zeitkonstante berechnet, sind die beiden so verschaltet (http://www.elektronik-labor.de/OnlineRechner/Zeitkonstante.html). Dann müsste man ja R1/C4 (im neuen Schaltplan) nach der gewünschten Zeitkonstante auslegen, oder?

[Besserwessi]

Für sich betrachtet ist es richtig, dass R4*C4 nicht die Grenzfrequenz festlegt. Da ist es tatsächlich C4*(R3 ||R4) die passende Zeitkonstante - nicht wegen der Frage in Reihe oder Parallel, sondern es ist einfach die Impedanz des Spannungsteilers - deshalb auch die Parallelschaltung der Widerstände, was im wesentlichen vom kleineren R3 =R1 dominiert wird.

Für den Differenzverstärker als ganzes sind es allerdings C4=C6 und R4 = R2 die die Grenzfrequenz festlegen. Auch wenn es vielleicht anders aussieht ist das ganze nur ein Tiefpass 1.Ordnung. Der Hauptteil kommt von C6 und R2 - das man bei C4 und R4 die selben werte hat sollte vor allem dafür das die Gleichtaktunterdrückung gut bleibt und die Tiefpasswirkung auch weiter zu hohen Frequenzen wirkt. Die Tiefpasswirkung vor dem nicht inv. Eingang des OPs ist da mehr ein schöner Nebeneffekt.

So wie die Schaltung ist, hat man 160 Hz Grenzfrequenz von der Schaltung um den OP und dann noch einmal 16 kHz vom RC Glied dahinter.

[lebratmaxe]

Also irgendwie raff ich das nicht mit der Zeitkonstante, weder in noch nach der Schaltung.
In der Schaltung: wenn t = C4 * (R3 || R4) = 100n *(1k || 10K) = 100n * 0,91k = 0,091 ms = ~10 Hz
Und nach dem OP: ??

Von der Anzahl/Beschaltung der Bauteile kann man das jetzt so lassen? Die Werte kann man ja auch festlegen, wenn das Layout fertig ist.

[Besserwessi]

Von den Teilen kann man das so lassen - bei den Werten würde ich wohl noch was ändern. So passen die beiden Filterstufen halt noch nicht so ganz zusammen. Für ein langsame Strommessung sollte der RC Filter hinter dem OP langsamer werden, also etwa 5 K und 100 nF. Für ein schnelle Strommessung sollte der Filter um den OP schneller werden, also etwa 1 nF statt 100 nF.

Der Filter nach dem OP ist recht einfach mit der Zeitkonstante R11*C9 , zur Zeit also 10 µs, was etwa 16 kHz entspricht.

Die Schaltung um den OP hat mit den Werten oben. Halt eine Zeitkonstante von R2*C6= 10 K * 100 n = 1 ms, was etwa 160 Hz entspricht. Dabei wirkt C6 für den Frequenzbereich von etwa 160 Hz - 1,6 kHz - da ist dann die Verstärkung am OP schon fast 1 und kann nicht mehr weiter abnehmen. Da setzt dann die RC Kombination mit C4 und R3||R4 ein mit einer Zeitkonstante von etwa 91 µs, was etwa 1,7 kHz entspricht. Gerade wenn die Widerstände/Kondensatoren paarweise gleich sind, verhält sich der Differenzverstärker wie ein einfacher Tiefpass 1. Ordnung.

Je nachdem wie groß die Störungen an der GND Seite des Shunts sind, könnte man C4 ggf. auch größer machen - das gibt mehr Filterwirkung, aber halt auch weniger Unterdrückung für Störungen am Shunt.

[lebratmaxe]

Ahhh... habs verrafft mit Zeitkonstante und Gegenfrequenz... alles klar, vielen Dank.

Hier im Anhang noch die Layouts, gibt's dazu noch Kommentare?
Es fehlen noch:
- die durchkontaktierten Löcher, um den VNH3SP30 an VCC und die beiden Motor-OUTs anzuschließen. Gibts es dafür eine gute Lösung? Vias? Durchkontaktierte Löcher (Fischer Leiterplatten)? Die Löcher sollten halt nicht "verschlossen" sein, damit man den VNH3SP30 über die Pads auf der Unterseite festlöten kann.
- Kühlflächen an den Motor-OUTs, links und rechts von der H-Brücke. Mit einem Polygon schaff ich das irgendwie nicht. Auch wenn ich das Polygon auf den gleichen Namen setze, mach es "Isolations-Abstände".

Weiß jemand, wieso der VNH3SP30 aus der st-microelectronics Bibliothek (die bei Eagle dabei ist), einen Footprint hat, bei dem unter den großen Pads auf der Unterseite nicht flächig "tStop" aufgetragen ist sondern nur so Punkte? Wäre es nicht besser, hier würde vollflächig blankes Kupfer auf der Leiterplatte sein?

[Besserwessi]

Die GND Verbindung am OP Eingang braucht man so oder so. Der "Junper" SJ1 ist überflüssig - wenn überhaupt bräuchte man dann noch eine alternative Masse. Die Elkos Direkt an Treiber IC legt einen Fest darauf nur den mittleren Strom zu messen. Auch sieht man so ggf. Störungen von der 24 V Spannungsquelle, falls da noch andere Motoren oder so dran sind. Von der Tendenz würde ich die Elkos lieber auf der anderen Seite des Shunts haben - nur die 100 nF direkt am Treiber.

Am µC ist der Abblockkondensator (C11) für Pins 18 und 21 irgendwie weit weg - ggf, wäre auch ein 2. nicht verkehrt, falls der OP schneller wird. Den C10 ist da sogar der weniger wichtige - hatte ich vor her irgendwie verwechselt. Der eine Kondensator direkt am Pin 21 nach +5 V ist ggf. sogar Kontraproduktiv - der GND Pin sollte möglicht sauber bleiben, und nur für die Analogen GND Signal genutzt werden, also etwa die Verbindungen zum OP und C11 und C10.

[lebratmaxe]

So, habe es nochmal etwas überarbeitet und ich denke, es passt jetzt auch langsam...

Der Jumper war nur, damit ich eine extra Leiterbahn direkt vom Shunt zum inv-Eingang des OPs ziehen kann. Sonst hat eagle mich immer auf die nächst beste GND-Stelle geleitet. Jetzt ist es halt mit einer manuell angelegten Leiterbahn gelöst.

Der Anschluss der Elkos ist auch nicht mehr direkt am Motor-IC. Es gibt in der Tat noch einen weiteren Motor im System.

Die Kerkos am IC sind jetzt hoffentlich auch besser platziert, bzw. einer ist wegoptimiert. Der Kerko für V_ANALOG sitzt halt in der Mitte zwischen µC und OP. Er muss ja für beide die Spannung puffern.

[Besserwessi]

Der Kondensator C5 ist etwas reichlich weit weg vom µC - nicht dramatisch, aber auch nicht wirklich wie es sein sollte. Ein besserer Platz wäre etwa da wo jetzt C13 ist, und dafür C13 etwas nach links.

Die Rest Leitung ist auch noch recht lang - C1 macht vor allem dann Sinn, wenn er recht dicht am µC ist. Es ist aber halt unten rechts recht eng, aber wenigstens die Leitung könnte eher unter der Befestungsbohrung lang gehen.

[lebratmaxe]

Für alle, die das zufällig noch interessiert: Das Board ist mittlerweile noch leicht überarbeitet worde und seit längerem zuverlässig im Einsatz.
Vielen Dank für die Hilfe!