Schaltplan Feedback - abgerauchte Motorcontroller

[bedyn]

Hallo Forum,

habe schon des öfteren hier sehr hilfreiche Infos finden können. Aber jetzt wird es Zeit für meinen erster Beitrag hier :-)

Worum geht es? In meinem aktuellen Projekt möchte ich ein inverses Pendel mit zwei Rädern aufbauen (TWIP). Auch wenn ich bis dato schon einige kleinere Projekte umsetzen konnte, stellt mich diese Größenordnung vor eine neue Herausforderung. Ich komme auch eher aus dem Bereich der Regelungstechnik / SW.

Bei meinen letzten Versuchen ist mir der Motorcontroller leider abgeraucht. Bevor ich weiteren Elektronikschrott produziere, dachte ich, ist ein Austausch zu meinem Schaltplan sicher sinnvoll.
Ich habe ihn mal in der aktuellen Version, jedoch mit kleinen Änderungen (s.u.) nach dem Zerstören des Controllers, als Anhang mit angefügt.

Zu den Komponenten:
Bei dem Motorcontroller handelt es sich um das MKS ESP32 FOC Board (https://github.com/makerbase-motor/MKS-ESP32FOC). Der DC/DC Konverter ist so (https://www.reichelt.de/entwicklerboards-spannungsregler-1-7-x-2-2-cm-debo-dcdc-power-p282575.html?PROVID=2788&gad_source=1&gclid=EAIaIQobChMImZKI77bfhQMVpkJBAh2PDwKkEAQYASAB EgLHZfD_BwE) ein mini step down wandler. Zur Energieversorgung setze ich einen 6S LiPo Akku ein. Alles weitere denke ich sollte aus dem Plan ersichtlich sein. Falls nicht ergänze ich das gerne noch.

Als ich den Controller geschrottet habe war ich als letzte Komponenten im System die LED-Stribes WS2812b am in Betrieb nehmen. Zu dem Zeitpunkt war in der DIN Leitung vom STM32 BlackPill Board zum den LED's noch kein Widerstand, kein Elko an den LED's und auch kein Schmitt Trigger.
Nach mehrmaligem Einschalten des Hauptschalters (Wippschalter 2-polig) hat dann irgendwann der Motorcontroller seinen Dienst eingestellt.

Meine Vermutung ist, dass der Stromfluss im Einschaltzeitpunkt über die DIN Leitung zu den LED's (über Motorcontroller und STM32) zu groß war und der Motorcontroller das schwächste Glied in der Kette war. Deshalb die o.g. Maßnahmen.
Außerdem spiele ich noch mit dem Gedanken, den STM32 mit dem DC/Dc Wandler zu versorgen und nicht mehr über den Motorcontroller.
Auf den zweiten Blick ist mir noch aufgefallen, dass die Lösung des Hauptschalters so evtl. nicht die beste ist und es ggf. dort auch zu Spannungsspitzen beim Schalten kommen kann.

Was haltet ihr von der "Fehleranalyse" und den Maßnahmen dagegen? Auch allgemeines Feedback und Verbesserungsvorschläge sind natürlich erwünscht.

Zur Veranschaulichung habe ich noch zwei Bilder des TWIP's angefügt. :-)

Falls ich was vergessen haben sollte, ergänze ich das natürlich noch gerne.
Ansonsten freue ich mich auf Feedback.

Mfg bedyn

[Holomino]

Böses Unglück! Mitleid - Taschentuch - Schnüff.

Was Du generell so abchecken kannst:
1. Kurze Leitungen vom Akku zum Motorcontroller (die Motorleitungen dürfen dann länger sein).
2. Schalter: DC-Strom beachten. Der liegt weit unterhalb vom AC-Wert (Je mieser der Schalter, umso mehr krisselt es beim Schalten).
3. Spannung: Mit 6S liegst Du verdammt nahe am MaxU (24V) vom Motorcontroller, vollgeladen sogar darüber. Besser wären 20% Sicherheit, insbesondere wenn da noch ein DCDC parallel in der Versorgung hängt.


Klar, man kann jetzt versuchen, an jede Komponente noch einen fetten Elko oder ein RC-Glied zum Glätten dranzuhängen. aber das bringt ohne Anschauen mit nem Oszi in der Regel eher selten Substantielles.

[bedyn]

Danke für Dein Mitgefühl und Dein Feedback :o

Die Leitungen sind im jetzigen Package bereits sehr kurz, denke das ich nicht mehr wesentlich verkürzen kann ohne das ich beim Package nochmal bei Null anfangen muss. Wenn ich aber die Hauptabschaltung anders realisiere könnte ich ggf. noch ein bisschen was rausholen. An was denkst Du denn bei dem Vorschlag, Leitungsinduktivitäten?

Der Schalter selbst ist mit "Spannung: AC 125-250V; Strom: 6-10A" spezifiziert. Keine DC Angabe. Kommt aus China.... :rolleyes:

Ja was die max. Spannung des Motorcontrollers angeht ist es knapp - evtl. zu knapp?!? War gerade am schauen wie ein Überspannungsschutz mit einer Z-Diode umgesetzt werden könnte. Dann habe ich aber auf dem Schaltplan (https://github.com/makerbase-motor/MKS-ESP32FOC/blob/master/Hardware/MKS%20ESP32%20FOC%20V1.0%20schematic.pdf) gesehen, dass das Controllerboard das bereits integriert hat. Vorausgesetzt das die Dimensionierung stimmt, wäre das vermutlich auch vergebene Liebesmühe. Aber inwiefern verschlechtert der parallele DCDC Wandler die Situation?

Oszi habe ich zur Hand. Ich hatte mir damit mal den DCDC Wandler lastfrei angesehen, weil es da wohl auch etwas "Produktschwankungen" gibt. Das war für mich unauffällig. Aber damit könnte ich sobald der Nachschub eingetroffen ist mal die Spannung beim Betätigen des Hauptschalters anschauen. Und wenn die LED Laufleiste aktiv ist. Anderer Lastfall wäre sicherlich der Motorbetrieb. Allerdings wird das noch dauern befürchte ich.

Falls es noch weiteres Input gibt, immer gerne raus damit :cool:

[021aet04]

Im Plan hast du Servomotoren eingezeichnet. Der Treiber ist aber für BLDCs. Ist das so richtig? Ich bin mir nicht sicher ob das so funktioniert.

MfG Hannes

[bedyn]

Hallo Hannes,

hast recht, das passt nicht zusammen. "Leider" ist es an der Stelle aber nur der Schaltplan falsch. Wenn ich mich richtig erinnere gab es in meiner KiCad Version Lib keinen BLDC Motor oder hab keinen gefunden. Habe mir dann mit diesen beholfen. :pray:
Installiert sind zwei BLDC Motoren vom Type T-Motor GB4106.

Was haltet ihr denn von meiner Theorie, dass die Rauchwolken entweder
a) von einer Überlast des Motorcontrollers durch die LED's (über den STM32) oder
b) durch Spannungsspitzen hervorgerufen durchs Ein/Ausschalten
stammen?

Habe mal einen aktualisierten Schaltplan angehangen mit geänderter Spannungsversorgung des STM32 und den bereits genannten Maßnahmen (Kondensator an LED, widerstand und Schmitt Trigger an LED DIN-Leitung) mit denen ich die beiden o.g. möglichen Probleme begegnen möchte.

[Holomino]

An was denkst Du denn bei dem Vorschlag, Leitungsinduktivitäten?
Das mit den dicken, kurzen Leitungen stammt aus dem Modellbau. Soweit ich weiß, geht es eher um die über die Freilaufdioden auf die Versorgung rückgespeisten Ströme der Motoren. Wenn da zwischen Akku und Halbleiter unnötig Widerstand (auch z.B. über Steckverbinder) steckt, wird am Halbleiter der Puls nicht ausreichend gedämpft. Das ist also eher ein rein ohmsches Problem.

Wenn's nicht der Schalter ist (die Dinger prellen insbesondere beim Ausschalten), kann es die etwas unglückliche Kombination von zwei gleichzeitig eingeschalteten Verbrauchern sein. Manche Schaltungen mögen es nicht, "weich" (langsamer Anstieg der Versorgung) eingeschaltet zu werden. Einige DCDCs gehören dazu (und Du hast auf dem Motorcontroller auch einen DCDC).

Letztlich bleibt Dir wohl nur die Analyse mit dem Oszi auf der Versorgung: Alles einzeln testen/ optimieren. Dann nach und nach zusammenfügen. Wenn's nicht mit Labornetzteil und Strombegrenzung geht, ist das trotzdem noch kribbelig genug.

[bedyn]

Letztlich bleibt Dir wohl nur die Analyse mit dem Oszi auf der Versorgung: Alles einzeln testen/ optimieren. Dann nach und nach zusammenfügen.
Habe mir entsprechend Deinem Rat mir am Wochenende mal die LED's genauer angesehen, da, als ich diese mit ins System genommen habe, die Probleme anfingen...

"Testsystem" war zunächst ein Netzteil eingestellt auf 20V, DCDC Konverter, STM32 BlackPill und die LED's. Die DIN Leitung war hier noch ohne irgendwelche zusätzlichen Bauteile ausgestattet. Habe dann an den LED's die Spannung zwischen 5V und GND mit dem Oszi gemessen (s. Bild 002). Ist für mein Empfinden zunächst unauffällig, eine Spannungsspitze konnte ich keine feststellen. Allerdings ist das Oszi auch kein Profimodell (Bandbreite 25 MHz, Samplingrate 200 MS/s). Nach dem zweiten Versuch haben die LED's dann den Geist aufgegeben.

Im nächsten Versuch ergänzte ich dann den Schmitt Trigger und ein 47 Ohm Widerstand in der DIN Leitung der LED's. Gleicher Spannungsverlauf gleiches Ergebnis: Nach der zweiten Messung waren die LED's hinüber (streng genommen nur einzelne, aber eine Systematik welche aufgab konnte ich nicht erkennnen).

Im nächsten Schritt nahm ich dann einen 1000 µF Elko hinzu, angeschlossen nahe der LED's. Spannungsverlauf ist natürlich "weicher" (s. Bild 008). Im Einschaltzeitpunkt leuchten die LED zwar willkürlich, sobald allerdings etwas zeitverzögert ein Signal an DIN anliegt machen die LED was sie sollen. Und das vor allem auch nach mehrmaligen versuchen. :)

Das scheint zumindest schon mal ein Problem gewesen zu sein. Ob das auch der Grund für den zerstörten Motorcontroller ist wird sich zeigen sobald ich diesen nochmal testen kann.

P.S.: habe versehentlich ein falsches Bild hochgeladen aber keine Ahnung wie man das wieder löscht...

[Holomino]

Wenn Du Bilder wieder löschen möchtest:
- Benutzerkontrollzentrum (oben)
- Dann rechts unter Einstellungen "Anhänge" auswählen.
- Danach siehst Du eine Liste Deiner Anhänge mit Kontrollkästchen und unten auf der Seite "Markierte Einträge löschen"

Hast Du noch einen Link auf den verwendeten DCDC? (Da sollten ja zumindest schon mind. zwei Kondensatoren draufsitzen)

[bedyn]

Wenn Du Bilder wieder löschen möchtest:
Ah sehr gut, hat funktioniert. Danke!

Bei dem Wandler handelt es sich um so einen: klick (https://www.ebay.de/itm/275776009401?_trkparms=amclksrc%3DITM%26aid%3D1110 01%26algo%3DREC.SEED%26ao%3D1%26asc%3D201608111141 45%26meid%3D165d4533b1394376ae308855aeb3cf50%26pid %3D100667%26rk%3D4%26rkt%3D8%26sd%3D225559845118%2 6itm%3D275776009401%26pmt%3D1%26noa%3D1%26pg%3D235 1460%26brand%3DMarkenlos&_trksid=p2351460.c100667.m2042).
Ich weiß allerdings nicht mehr genau wo ich den her hatte. Es gibt da offensichtlich diverse Varianten, aber dieser scheint identisch zu sein (5V fix, MP1584EN Chip). Einen Schaltplan davon habe ich leider. Gefunden habe ich nur einen von der einstellbaren Variante (https://www.amateurfunk-sulingen.de/forum/attachments/MP1584-schematic.pdf)

[Holomino]

Ok, auf dem DCDC sitzen die für die Schaltfrequenz angemessenen Kerkos (22µF) drauf. Nominal sollte der auch 1,5A dauerhaft liefern. Wenn die LEDs im Betrieb wirklich kaputt gegangen sind, scheint es ja einen Überspannungspuls gegeben zu haben, der nun durch den Elko gedämpft ist.

Wenn Dich das weiter interessiert, kannst Du ja mit dem Oszi einmal messen, wenn Du die LEDs alle gemeinsam periodisch ein- und ausschaltest:
- Wenn Du am Ausgang des DCDC misst, müsste man auch mit dem Elko noch ein paar zig Millivolt Ausschlag sehen. Beim Einschalten der LEDs pumpt der DCDC etwas nach (Ausschlag nach unten). Beim Ausschalten muss er "zurückrudern" (Ausschlag nach oben).
- Wenn Du einmal die Versorgungsleitungen Gnd UND Plus durchmisst, also Tastkopfmasse an entsprechenden Pol des DCDC und Tastkopf an LED-Stripe, darf da eigentlich im Idealfall nix zu sehen sein, es sei denn, Du hast ein Problem mit einer Lötstelle, einem Steckverbinder oder der Leitungsdicke.

Im ersten Fall siehst Du die Regelfehler des DCDC. Da kannst Du nix machen, es sei denn, Du findest einen besseren Typen.
Der zweite Fall allerdings würde dazu führen, dass an der Versorgung Deiner LEDs nicht das an Spannung ankommt, was der Regler produziert. Da könnte man dann über dickere oder kürzere Leitungen nachdenken.

Ich hatte jetzt noch mal geschaut. Diese WS-Teile nehmen pro LED bis 50mA? Dann wäre ja bei 30 LEDs nominal auch Schluss?

[bedyn]

Interesse habe ich sicherlich daran! Habe zuletzt allerdings das Setup was die Hardware angeht so mal auf Stand gebracht und bin aktuell (leider) an einer anderen Baustelle tätig.
Aber ich denke, dass ich mir nochmal mit den Komponenten ein Testsetup aufbaue und dann die von Dir vorgeschlagenen Dinge messe.

Aktuell plane ich nicht alle LED gleichzeitig an zu schalten, von daher sollte die max. Strombelastung des DCDC Wandlers nicht relevant sein. Aber man weiß ja nie was sich noch alles für Ideen ergeben wenn die IBN weiter geht.
Von daher macht es - neben dem Erkenntnisgewinn - sicherlich sinn, die o.g. Messungen zu machen.

[bedyn]

Hallo Holomino,

in der Zwischenzeit konnte ich nochmal etwas Zeit freischaufeln, einen Testaufbau zusammen stellen und Messungen machen.

Allg. Aufbau: Netzteil eingestellt auf 20 V, DCDC Wandler, LED stripe (WS2812b), 1000 µF Elko an DCDC Wandler Ausgang, Black Pill, DIN Leitung mit 47 Ohm Widerstand gefolgt von Schmitt Trigger 74LVC1G17.
Alle Messungen bei periodischem ein und ausschalten von 26 LED's in der Farbe grün. Die Leistungsaufnahme der LED beträgt dann etwa 1,7 W (gemessen am Netzteil).

Hier die Beschreibung der Messung (bin mir nicht sicher ob ich Dich da 100 % richtig verstanden habe) und die Ergebnisse.
Messung 1: Messung Vcc und GND am Ausgang des DC Wandlers. Hier konnte ich nur den Ausschaltzeitpunkt triggern.
s. Vcc-GND_DCDCWandler_out_aus.png

Messung 2 bis 5: Messung der Versorgungsleitung Plus, also an DCDC Wanlder Vcc out und LED Stripe VCC im Aus- und Einschaltzeitpunkt mit je großer und kleiner zeitlicher Auflösung.
s. Vcc_Leitung-DCDC-WS2812b_XXXX.png

Messung 6 bis 9: Wie vorherige Messung, nur hier jetzt die GND Leitung.
s. GND_Leitung-DCDC-WS2812b_XXXX.png

Hinweis noch zur Messung 2 bis 9: Der Masseanschluss des Oszis (ist das der richtige Ausdruck?!?) war je am DCDC Wandler angeschlossen, die Tastspitze dann je an den LED's.

Ich muss gestehen, so richtig schlau werde ich aus diesen Messungen jetzt nicht.
Ggf. kannst Du oder sonst jemand damit ja mehr anfangen als ich... ;-)

[Holomino]

Dein DCDC ist technisch keine Spannungsquelle sondern eine Stromquelle, die auf eine Ausgangsspannung geregelt wird.
Und es ist halt ein Regler, da gilt allgemein: keine Abweichung - keine Regelung.

Beim Ausschalten der LEDs schickt der Regler noch einen kurzen Moment Strom in die Leitung, als wären die LEDs noch an. Nu ist aber jetzt Dein LED-Streifen hochohmig, nimmt also gar keinen Strom mehr auf. Gleicher Strom und plötzlich hochohmiger Widerstand? Was kann jetzt nach dem ohmschen Gesetz passieren? Richtig, die Spannung am Ausgang steigt.

Was Du nun auf Deinen Oszibildern beim Ausschalten siehst, ist indirekt der Ladevorgang am LED-Kondensator über die Widerstände Deiner beiden Zuleitungen (Plus geht hoch, GND geht runter und das wird mehr als 5V). Da puffert der Kondensator den überflüssigen Strom und schneidet damit den Peak ab.

Du siehst aber auch, dass die tatsächliche Regelabweichung am DCDC gar nicht vollständig ankommt. Das liegt einzig an den Leitungswiderständen und auch das ist zumindest ein kleiner Teil des Problems. Ggf. wäre die Regelabweichung bei einer kürzeren oder dickeren Leitung unverfälschter an den Ausgang des DCDCs zu bekommen, so dass der auch schneller reagiert.


Das habe ich Dir jetzt nicht geschrieben, weil konkreter Handlungsbedarf besteht. Man entstört nicht in Richtung Perfektion, sondern in Richtung Gebrauchsfertigkeit. Und in Summe 50mV scheinen mir nicht weltbewegend.
Aber vielleicht helfen Dir diese Leitungschecks (kann man auch wunderbar z.B. auf GND-Netzen auf Platinen mit Analogtechnik anwenden) auch woanders mal weiter.

[bedyn]

Aber vielleicht helfen Dir diese Leitungschecks (kann man auch wunderbar z.B. auf GND-Netzen auf Platinen mit Analogtechnik anwenden) auch woanders mal weiter.

Vielen Dank für deine Ausführungen. Ja so war es auch gedacht, eher als Erkenntnisgewinn, da ich - so hoffe ich zumindest - das ursprüngliche Problem mit den Maßnahmen gelöst habe.
Aber ich werde es auf jeden Fall im Hinterkopf behalten, wer weiß welche Probleme noch auftreten werden... :rolleyes: