Strombegrenzer für 12V DC Motor an H-Brücke

[HaWe]

hallo,
für meinen Robot habe ich 12V DC Motoren (Vc zwischen 10V und 14V) , die zwischen 0,6 bis max. 5A (stalling) Strom ziehen - meine H-Brücken (genau genommen ein IO-Shield für einen Raspberry Pi) dürfen aber nur mit max. 3A pro Motor belastet werden.
Welches Bauteil kann ich als Strombegrenzer dazwischensetzen, damit der Strom entspr. auf je 3A pro Motor begrenzt wird, ohne einen Motor abzuschalten und ohne Polung/Laufrichtung und pwm negativ zu beeinflussen?

[Holomino]

Einen (fetten) Widerstand?
Effektiver wäre allerdings, die Betriebsspannung einfach abzusenken.

[HaWe]

Einen (fetten) Widerstand?
Effektiver wäre allerdings, die Betriebsspannung einfach abzusenken.

nein, die Motor-Leistung muss überwiegend unbeeinflusst bleiben bis 3A (36VA), erst ab 3A aufwärts soll der Strom auf eben diese 3A begrenzt werden.

PS,
bei deutlich unter 12V bringt der Motor nicht mehr genug Leistung, insb. nicht genügend Drehmoment; 10V ist eigentlich bereits zu schwach.

[Holomino]

Dann regel doch einfach die PWM nicht auf 100% auf.

[HaWe]

Dann regel doch einfach die PWM nicht auf 100% auf.

nein, es wird ein Bauteil gesucht, das unabhängig von der pwm von sich aus automatisch den Strom auf 3A begrenzt.

[Holomino]

Schmelzsicherung 3A :p

[HaWe]

wer lesen kann, ist klar im Vorteil:


... damit der Strom entspr. auf je 3A pro Motor begrenzt wird, ohne einen Motor abzuschalten und ohne Polung/Laufrichtung und pwm negativ zu beeinflussen?
...
die Motor-Leistung muss überwiegend unbeeinflusst bleiben bis 3A (36VA), erst ab 3A aufwärts soll der Strom auf eben diese 3A begrenzt werden.

[RoboHolIC]

MOS-FETs haben doch diese Strombegrenzungseigenschaft, abhängig von der Gate-Source-Ansteuerspannung.
Ob oder wie sehr dieser Parameter temperaturabhängig ist, kann ich jetzt nicht sagen.

Wenn man von Leistung (gefühlt, sorry) bei DC-Motoren spricht, meint man ja oft das Drehmoment. Wäre der Fall so gelagert, ist da mit Strombegrenzung nichts zu reißen, weil das Drehmoment unabhängig von der Drehzahl immer vom Strom abhängt. Das weißt du bestimmt, also wird der Knackpunkt ein anderer sein.

Hat das Shield einen Eingang für eine Überstromerkennung?

[HaWe]

Hat das Shield einen Eingang für eine Überstromerkennung?
nein, hat es nicht, aber eine (träge) Überlastabschaltung, was aber vermieden werden soll wegen temporärer Abschaltung.

Elektrisch messen kann man ja nur Strom und Spannung, also die elektrische Leistung, Drehmoment ist allerdings das, was an der Achse herauskommt, was eher (als Skalar) der physikalischen Arbeit entspricht, das lässt sich aber zum Einen nicht elektrisch messen, und ist andererseits auch zweitrangig, denn es überlastet ja nicht die H-Brücken elektrisch.
Hinzu kommt, dass die Motoren üblicherweise nur 0,6-1,5A bei 100% pwm ziehen, nur bei Stalling (unabhängig von pwm) wird es deutlich mehr als 3A.
Also muss der Strom zum Schutz des Shields auf 3A begrenzt werden (wobei die wechselnde Polung am Motor ntl auch nicht unbeachtet bleiben darf).

[Holomino]

Nimm doch ein 3A Current-Limiter-Shield.

[HaWe]

das klingt gut, aber hast du einen konkreten Link für so ein Gerät, das man in die Leitung zwischen H-Brücke und Motor setzen kann?

[Holomino]

Drehmoment ist allerdings das, was an der Achse herauskommt, was eher (als Skalar) der physikalischen Arbeit entspricht, ...
Protest (in mehr als 10 Zeichen)!

[HaWe]

Protest (in mehr als 10 Zeichen)!
abgewiesen: die Drehmoment-Einheit ist Nm (gerichtet, also als Vektor), die Arbeit wird ebenfalls in Nm gemessen (ohne Richtung, also als skalare Einheit).

Aber zurück zum Problem:
hast du nun einen konkreten Link für so ein Gerät, das man in die Leitung zwischen H-Brücke und Motor setzen kann?

[Holomino]

das klingt gut, aber hast du einen konkreten Link für so ein Gerät, das man in die Leitung zwischen H-Brücke und Motor setzen kann?

Glaubst Du an den Weihnachtsmann?
Milliarden von Schaltungen verbraten Gigawatts an strommessenden, stromfressenden Shunts nebst völlig sinnfrei betriebenen Komparatoren im Chopperbetrieb, weil alle Entwickler vergessen haben, denn einfachen passiven Zweibeiner zum Schutz der Transistoren dazwischenzustecken!

Warum hat Dein Shield so ein Teil nicht drauf?

[HaWe]

Glaubst Du an den Weihnachtsmann?
Milliarden von Schaltungen verbraten Gigawatts an strommessenden, stromfressenden Shunts nebst völlig sinnfrei betriebenen Komparatoren im Chopperbetrieb, weil alle Entwickler vergessen haben, denn einfachen passiven Zweibeiner zum Schutz der Transistoren dazwischenzustecken!
Warum hat Dein Shield so ein Teil nicht drauf?

du hast doch selber so einen Strombegrenzer vorgeschlagen, also wo ist so einer?
und ich habe das Shield nicht entworfen, es hat nun mal eine Überlast-Sicherung, die es dann abschaltet, das ist nun mal so.
Was soll also dieser unfreundliche Ton? Bleib mal sachlich!

[Peter(TOO)]

nein, es wird ein Bauteil gesucht, das unabhängig von der pwm von sich aus automatisch den Strom auf 3A begrenzt.
Ganz so einfach geht dies auch wider nicht. :-(

Eine Idee wäre es eine Stromquelle zu bauen. Da hast du aber das Problem, dass diese einige Volt Spannungsabfall erzeugt, welche nicht vorhanden sind.

Eine andere Idee wäre es den Strom zu messen und damit die Halbbrücke anzusteuern. Also wie bei einem Schaltnetzteil einfach das PWM-Signal für den Rest der Periode abschalten, wenn ein bestimmter Strom-Wert überschritten wird.

Allegro hat einige interessante ICs mit einem 1mOHM Shunt und einem Verstärker.
https://www.allegromicro.com/en/Products/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-Integrated-Conductor-Sensor-ICs.aspx

Eine andre Frage ist noch, wie schnell bei einem Stall abgeschaltet werden muss, der Motor braucht etwas Zeit um heiss zu werden.
Möglicherweise geht ein PTC (Selbst Rückstellende Sicherung, von der Idee in dieser Art.
https://www.reichelt.com/ch/de/Rueckstellende-Sicherungen/PFRA-185/3/index.html?ACTION=3&GROUPID=7658&ARTICLE=35184&OFFSET=100&
Die Ansprech- und Rückstell-Zeiten sind einerseits eine Design-Frage des PTCs und andererseits des thermischen Managements.
Also bei einem Lüfter kann man die Sicherung in den Luftstrom hängen. Mit guter Kühlung liegt die Ansprechschwelle hoch, blockiert der Lüfter, sinkt die Ansprechschwelle.

Evtl. kann man noch einen Widerstand parallel schalten, dann käme man mit zwei Bauteilen aus. :-)
Ist halt etwas Rechnerei um zu sehen ob das so geht.
Zudem kenne ich deine genauen Umstände nicht.

MfG Peter(TOO)

[hbquax]

Könnte die Ansteuerung (PWM-Quelle) nicht die Stromüberwachung mitübernehmen? Der Strom müsste natürlich gemessen werden.

- - - Aktualisiert - - -


abgewiesen: die Drehmoment-Einheit ist Nm (gerichtet, also als Vektor), die Arbeit wird ebenfalls in Nm gemessen (ohne Richtung, also als skalare Einheit).

Tatsächlich ist Drehmoment nichts anderes als "Arbeit pro Drehwinkel". Weil der Drehwinkel im Bogenmaß aber die Einheit "1" hat, haben Drehmoment und Arbeit die gleiche Einheit.

- - - Aktualisiert - - -


bei deutlich unter 12V bringt der Motor nicht mehr genug Leistung, insb. nicht genügend Drehmoment; 10V ist eigentlich bereits zu schwach.

Ist hier das Anlaufdrehmoment gemeint? Das ist aber nun mal durch den Strom begrenzt. Wenn du den abregelst, hast du auch weniger Drehmoment!

[HaWe]

ich sehe schon, ein "einfaches" Bauteil, das nur einen max. Strom begrenzt, scheint es nicht zu geben.

Zu den Fragen:
Die Motoren sind für Fahrwerk und einen Robotarm, die eh nicht schlagartig von 0 auf 100% angesteuert werden, sondern eher per ramp-up. Eine Begrenzung des Anlaufstroms wäre daher nicht kritisch, sondern eher positiv.
Auch wenn sie eine längere Strecke bei Nenndrehzahl unter mittlerer Last laufen, ist es nicht kritisch, dann brauchen sie eh nur max. 1,5A und haben genügend Leistungsreserven für den "Normalfall".
Kritisch wird es nur bei außergewöhnlichen Belastungen (kurzfristig auf schwieriges Gelände wie starke Steigung, hohes Gras, kleine Hindernisse wie Äste und Zweige, oder unerwartet hohes Gewicht beim Hantieren oder Heben eines Gegenstandes etc.)
Die Überlast-Sicherungen des IO Shields reagieren recht träge, nach ca. 5 sec in etwa, aber dann bleibt das Gerät anschließend mind. 30 sec. abgeschaltet - das soll vermieden werden: der Robot muss in jedem Falle in Betrieb beiben, nur eben unter Strombegrenzung.
Wenn aber die Spannung zu gering ist, muss im Normal-Dauerbetrieb zu früh mit 100% pwm gesteuert werden, bzw. es kommt dann zu früh schon zum Stalling (schwieriges Gelände, erhöhte Last).

[Manf]

Ich habe gerade einmal meinen Proxxon 12V Schrauber mit einer 12V Halogenlampe mit 35W zusammengeschaltet. Bei geringem Drehmoment macht sich die Birne kaum bemerkbar, der Strom wird bei Blockierung auf den entsprechenden Wert von etwas mehr als 2A begrenzt. Andere Lampen wie z.B. 50W begrenzen den Strom bei entsprechender Wärmeentwicklung ebenso. Das Zeitverhalten ist recht dynamisch. Wenn es so gewünscht wird kann man es schon so machen.

[HaWe]

hallo,
das ist ja ein interessanter, einfacher Tipp, danke!
Wirkt dann aber möglicherweise auch wie ein entspr. dimensionierter "einfacher" Ohmscher Widerstand, oder?
Nur um die W-Größenordnung der Glühbirne abzuschätzen - wieviel Strom zieht dein Schraubermotor in etwa bei Stalling?

ps,
Du hast sie wschl in Reihe geschaltet, oder etwa parallel?

[Manf]

Zufälliges Beispiel 3,6 A er hat als Schrauber auch keine vollständige mechanische Blockierung, die entsprechende Birne ist interessanter, die nimmt ja bei Nennstrom die gesamte Nennspanung auf.

[Mxt]

Wirkt dann aber möglicherweise auch wie ein entspr. dimensionierter "einfacher" Ohmscher Widerstand, oder?

Die Birne ist auch eine Art PTC (= Positive Temperature Coefficient) Widerstand, d.h. ihr ohmscher Widerstand nimmt mit der Temperatur (also auch mit dem Strom) zu.

[HaWe]

hm, wenn ichs mir so überlege, wird der Widerstand der Birne in Serienschaltung bei zunehmender Helligkeit (durch sinkenden Motor-Widerstand bei Motorbelastung) sicher nicht konstant sein, anders als "normale" Ohmsche Widerstände. Das ist sicher ein praktischer Effekt, den man hier ausnutzen kann, wenngleich die überschüssige Leistung hier leider "verheizt" wird - das werde ich aber mal ausprobieren, mit 50W Birnen, danke!

(edit: hat sich überschnitten mit mxt's Post - danke dafür!)

[Klebwax]

ich sehe schon, ein "einfaches" Bauteil, das nur einen max. Strom begrenzt, scheint es nicht zu geben.

gibts schon, eine einfache Konstantstromquelle läßt sich aus einem Spannungsregler und einem Shunt-Widerstand aufbauen. Es braucht halt eine ganze Menge an Spannungsvorlauf, bei einem LM317 z.B. die Dropout Spannung von ca. 3,5V und die 1,25 V am Shunt. Außerdem verheizt die Schaltung immer aktuellen Strom mal diese 5V, was für Akkubetrieb suboptimal ist.


Die Motoren sind für Fahrwerk und einen Robotarm, die eh nicht schlagartig von 0 auf 100% angesteuert werden, sondern eher per ramp-up. Eine Begrenzung des Anlaufstroms wäre daher nicht kritisch, sondern eher positiv.

Da der Motor eine Induktivität ist, steigt der Strom am Anfang eines PWM-Zyklus nur langsam an. Durch geeignete Wahl der PWM-Frequenz in Abhängigkeit von der Motorinduktivität kann man den Strom unter Kontrolle halten.


Kritisch wird es nur bei außergewöhnlichen Belastungen (kurzfristig auf schwieriges Gelände wie starke Steigung, hohes Gras, kleine Hindernisse wie Äste und Zweige, oder unerwartet hohes Gewicht beim Hantieren oder Heben eines Gegenstandes etc.)
Die Überlast-Sicherungen des IO Shields reagieren recht träge, nach ca. 5 sec in etwa, aber dann bleibt das Gerät anschließend mind. 30 sec. abgeschaltet - das soll vermieden werden: der Robot muss in jedem Falle in Betrieb beiben, nur eben unter Strombegrenzung.

Daran sieht man, daß es gar nicht primär um eine Strombegrenzung sondern um eine Begrenzung der Temperatur geht. Der Strom ist trotz der Induktivität nach einigen 10 Millisekunden (keine 5 Sekunden) zu hoch, und nach etwa der gleichen Zeit auch wieder weg. Wenn man die Überhitzung durch eine Begrenzung des Stroms vermeiden will, wird er Steigung, hohes Gras etc nicht mehr schaffen. Man braucht also eher eine bessere Kühlung oder eine stärkere H-Brücke. Wenn die Brücke zu heiß ist, ist sie zu heiß. Man kann sie dann auch auch nicht mehr mit geringerem Strom betreiben, solange sie nicht wieder etwas abgekühlt ist. Und das dauert

MfG Klebwax

[HaWe]

ich kann leider weder die Temperatur der H-Brücken auf dem HAT/Shield noch die pwm-Frequenz beeinflussen, einmal aus Platzgründen (kein Platz für Kühlkörper), und einmal weil alles bezgl. pwm durch die SAMD21-Prozessoren der HATs und ihre FW geregelt wird (auch die PID-Regelung macht das HAT autonom). Sicher schalten sich die HATs auch nicht alleine dadurch ab, dass die H-Brücken heiß werden, sondern eher durch eine (reversible) Überlast-Stromsicherung an den Ausgängen, und deren Auslösung muss verhindert werden.

Aber immerhin, Manfs Idee mit den Halogenbirnen als PTCs scheint recht praktikabel und simpel!

[Holomino]

Unter diesen Umständen ist es vielleicht sinnig, die bestehende H-Brücke als MOSFET-Treiber zu verwenden und dahinter eine 10A H-Brücke zu bauen.

Wenn's sowieso eng ist mit der Motordimensionierung, ist das mit dem PTC doch nur Murks.

[HaWe]

Unter diesen Umständen ist es vielleicht sinnig, die bestehende H-Brücke als MOSFET-Treiber zu verwenden und dahinter eine 10A H-Brücke zu bauen.

Wenn's sowieso eng ist mit der Motordimensionierung, ist das mit dem PTC doch nur Murks.

ja, wenn alle einfacheren Lösungen scheitern, wäre das dann wohl Plan B (oder C).

[hbquax]

Wenn du eh bereit bist, Geld, Zeit und Bauraum für ein neues Bauteil zu investieren, wäre es wohl wirklich am klügsten, deiner H-Brücke ein Upgrade zu gönnen. Wenn du dich an den stallenden Motoren störst ist ne Strombegrenzung eher kontraproduktib.

[Peter(TOO)]

Wirkt dann aber möglicherweise auch wie ein entspr. dimensionierter "einfacher" Ohmscher Widerstand, oder?
Eine Glühlampe ist ein PTC. Bei jedem Metall nimmt der Widerstand mit der Temperatur zu.
Bei einer Glühlampe steigt die Temperatur von etwa 300K (Raumtemperatur) auf etwa 2'300K bis 3'200K, bei

Der Kaltwiderstand ist in der Grössenordnung 10-15 mal kleiner, als im Betrieb mit Nennspannung.

Den Heisswiderstand kannst du einfach aus Leistung und Spannung aus den Lampendaten ausrechnen.
Den Kaltwiderstand ergibt sich dann aus in etwa der Farbtemperatur. Da Wolfram kein idealer Schwarzer Körper ist, liegt die Fadentemperatur in etwa 70K tiefer als die Farbtemperatur.

Der Rest ist dann experimentieren.


Du hast sie wschl in Reihe geschaltet, oder etwa parallel?
Wird in Reihe geschaltet.

Mfg Peter(TOO)

[HaWe]

Eine Glühlampe ist ein PTC. Bei jedem Metall nimmt der Widerstand mit der Temperatur zu.
Bei einer Glühlampe steigt die Temperatur von etwa 300K (Raumtemperatur) auf etwa 2'300K bis 3'200K, bei

Der Kaltwiderstand ist in der Grössenordnung 10-15 mal kleiner, als im Betrieb mit Nennspannung.

Den Heisswiderstand kannst du einfach aus Leistung und Spannung aus den Lampendaten ausrechnen.
Den Kaltwiderstand ergibt sich dann aus in etwa der Farbtemperatur. Da Wolfram kein idealer Schwarzer Körper ist, liegt die Fadentemperatur in etwa 70K tiefer als die Farbtemperatur.

Der Rest ist dann experimentieren.


ja, da sind mxt und ich unabhängig voneinander schon oben drauf gekommen:


hm, wenn ichs mir so überlege, wird der Widerstand der Birne in Serienschaltung bei zunehmender Helligkeit (durch sinkenden Motor-Widerstand bei Motorbelastung) sicher nicht konstant sein, anders als "normale" Ohmsche Widerstände. Das ist sicher ein praktischer Effekt, den man hier ausnutzen kann, wenngleich die überschüssige Leistung hier leider "verheizt" wird - das werde ich aber mal ausprobieren, mit 50W Birnen, danke!

(edit: hat sich überschnitten mit mxt's Post - danke dafür!)

Manf hat ja bei einem etwas kleineren Motor 35W Birnen mit unter 3A verwendet, ich werde daher mal 50W austesten. Danke aber für deinen Post!