DIY Brushless Regler für Modellbaumotoren (max. 20A)

[Che Guevara]

Hi,

da ich mit meinem letzten Projekt einen schon sehr fortgeschrittenen Status erreicht habe, möchte ich das nächste Thema in Angriff nehmen: Ein BLDC-Regler für Modellbaumotoren. Hierbei gehts nicht um Wirtschaftlichkeit, sondern um DIY und die Funktionen.
Ich hab mich natürlich schon etwas eingelesen und auch einige APP-Notes von Atmel dazu gefunden, jedoch gibts noch einige Punkte, bei denen ich etwas Hilfe gebrauchen könnte.
Was soll das Teil können?

- Spannung: 9 - 15V (3 - 4S Lipo)
- Strom: max. 20A
- PWM Signal einlesen (mit einigen 100Hz)
- Drehzahlsteuerung (beinhaltet auch aktive Bremse)
- aktiver Freilauf
- Strommessung

Mein Problem liegt u.a. in der Drehzahlsteuerung. Normalerweise würde ich Drehzahl messen -> PID -> Steuern. Allerdings bräuchte ich dann für jeden Motor eigene Werte!? Es gibt aber auch kaufbare Regler (u.a. von Graupner), die so einen sog. Govener-Mode integriert haben. Da muss man nichts einstellen, einfach ein- bzw. ausschalten und das Teil läuft. Wie macht man das?

Die Komponenten:

- ATXMegayyA4 als Controller (evtl. yy=16, je nach Flash)
- Platine max. 2 seitig , selbstgeätzt, max. 60 x 30 mm (so klein als möglich)
- Rest: noch nicht definiert

Sollte ich Fet-Treiber verwenden? Welche Art von Fets sind am besten geeignet? Sollte ich die Strommessung über einen Shunt laufen lassen, so wie auch in der App-Note getan? Spannungsmessung ist kein Problem, das bekomme ich hin
Der Preis sollte natürlich auch nicht zu hoch sein (was den auch sonst?! ), max. 50€ wären wünschenswert.

Ich weiß, sind viele Fragen / unklare Angaben, ich hoffe ihr helft mir etwas auf die Sprünge.

Vielen Dank & Gruß
Chris

[BMS]

Hallo,
vorweg: bei den hohen Strömen wird das alles kompliziert. Du brauchst MOSFETs mit sehr geringem RDSon, dazu vernünftige Treiber, die das Gate schnell genug umladen, um verlustarm schalten zu können. Das alles muss dann noch niederohmig und niederinduktiv geroutet werden und eine gute Kühlung ist auch nötig...
Ich habe bereits als studentische Hilfskraft eine Hochstrom-H-Brücke gebaut (designed für 30A, getestet bis 12A).
Schau dir mal die Gatetreiber IR2184 an. Die können je eine Halbbrücke inkl. Bootstrapping ansteuern. Dazu suchst du noch niederohmige n-Kanal MOSFETs. Der RDSon muss für diese hohen Ströme in der Größenordnung 5mOhm und kleiner liegen. Pro MOSFET wirst du mit 1-2 Euro rechnen müssen. Die Gatetreiber kosten ca. 1,50 Euro. 6x3 cm Platinengröße sind sehr ambitioniert, meine Platine hatte etwa 16x10cm (2 H-Brücken) und war komplett in THT. Es ging aber auch viel Platz für die Hochstromstecker drauf
Grüße, Bernhard

[robin]

FET-Treiber solltest du wie BMS gesagt hat verwenden um die FETs schneller umzuschalten und dadurch geringere Schaltverluste zu erhalten.

Bei den FETs nimmt man idr. n-FETs, da diese einen deutlich geringeren Widerstand (Rdson) haben. Das ganze hat allerdings auch einen Nachteil, denn damit die Mosfets richtig schalten brauchen sie eine hohe Spannung von Gate nach Source (idr. > 8V). Ist diese Spannung nicht gegeben schaltet der Transistor nicht richtig durch und sein Innenwiderstand wird relativ hoch -> große Verlustleistung -> Tod. FET-Treiber benutzen idr. eine Bootstap-Schaltung um diese Spannung für den Highside-FET bereit zustellen. Hier muss man aber beachten, dass man nicht mehr mit 100%, sondern max. ~95%* PWM die Mos-Fets betreiben darf, da für die Bootstrap ein Kondensator geladen werden muss. [* Abhängig von den verwendeten Bauteilen und ihrer Dimensionierung]

Strommessung über einen Shunt ist in Ordnung und gängige Praxis. Andere Möglichkeit wären noch Hall-Sensoren (zb: ACS709), aber die kosten auch etwas mehr.

Zum Govener-Mode:
Also wenn ich das richtig verstehe, wird bei dem Govener Mode die Drehzahl Konstant gehalten, egal welche Last anliegt. Das ganze sollte bei einem BLDC eigentlich recht simpel sein, da er ja wie ein Schrittmotor zwangskommutiert wird. Du wirst nur eine Maximal-Drehzahl mit deinem max. PWM-Wert verknüpfen müssen und kannst dann linear zwischen 0 und 100% verfahren. An der Drehzahl selber musst du erst einmal nichts mehr ändern. Merkst du, dass der Lastwinkel zu groß wird (max. 90°), muss die Kraft und damit der Strom entsprechend erhöht werden (Kraft proportional zum Strom). Erst wenn du den Maximalen Strom erreicht hast, könnte man als eine Art "Failsafe" die Drehzahl verringern. Wobei letzteres auf eine falsche Dimensionierung hindeutet.

Wie das bei einem Modellbau-Regler funktioniert weiß ich allerdings nicht, dem kann man ja keine Max. Drehzahl vorgeben. Ich vermute hier wird mit einer festen Maximal-Drehzahl gearbeitet und dann eben bei Erreichen des Maximalstroms gestoppt.

Gruß,
Robin

[Che Guevara]

Hi,

also ich hab mal kurz einwenig gesucht und hab den IRLR8743 gefunden. Dieser hat folgende Eigenschaften:
- RDSon = 3.1mOhm
- Vds = 30V
- Vgs = 20V
- max. Strom = 50A

Ist dieser passend für meine Application? Hab leider von der Leistungselektronik nicht soo viel Ahnung.
Der IR2184 sollte ja auch dazu passen.
Was gibt es den übers Layout wichtiges zu sagen? Ich plane, alles in SMD zu machen, um den Platzverbrauch gering zu halten. Außerdem werden dann auch die Leitungen kurz und haben somit weniger Induktivität.
Über die Software mache ich mir dann Gedanken, wenn das Layout / die Hardware steht.

Vielen Dank & Gruß
Chris

[BMS]

Was gibt es den übers Layout wichtiges zu sagen?

Wie bei Hochstromanwendungen üblich: Leiterbahnen so breit wie nur möglich machen, bei doppelseitiger Platine auch beide Seiten verwenden. Bei Durchkontaktierungen im Hochstrombereich auf jeden Fall mehrere setzen, um auch hier eine höhere Strombelastbarkeit zu erreichen. Mach dir auch schon mal Gedanken, wie du einen Kühlkörper anbringst. Um den Kühlkörper anbringen zu können, sollte es im Bereich der MOSFETs z.B. keine höheren Bauteile geben, sonst passt der nicht drauf. Welche Stecker möchtest du verwenden? Oder lötest du die Kabel direkt auf die Platine?
Grüße, Bernhard

[Che Guevara]

Ich hab mir überlegt, ob es nicht eine gute Idee wäre, eine Seite auf VCC und die andere auf GND zu legen? Das würde das Layout vereinfachen und die "Leiterbahnen" wären schön breit --> kleiner Widerstand. Die Fets kommen übereinander, so habe ich jeweils kurze Zuleitungen zu den Motoranschlüssen und spare Platz. Das ganze wird sowieso in SMD aufgebaut, da mache ich mir wegen der Kühlkörper keine Gedanken. Mein Wunsch wäre es allerdings, ohne diese auszukommen (fast alle kommerziellen Bl-Regler in dieser Leistungsklasse haben keine Kühlkörper). Als Platine möchte ich welche mit 70µm Kupfer verwenden, das sollte wohl auch etwas Wärme aufnehmen / abstrahlen können?!
Stecker sind keine geplant, soll alles verlötet werden --> spart Platz, vermeidet Übergangswiderstände und Wackelkontakte.
Sitze seit einer Weile schon am Layout, wenn der Leistungsteil fertig ist, stelle ich mal ein Bild rein, um es kritisieren zu lassen

Gruß
Chris

[BMS]

70µ Kupferauflage sind eine gute Idee. Bei SMD-Bauteilen wird durch die Leiterbahnen/Platine einiges an Wärme aufgenommen.
Die MOSFETs sind mit 3mOhm schon recht gut.

Sitze seit einer Weile schon am Layout, wenn der Leistungsteil fertig ist, stelle ich mal ein Bild rein, um es kritisieren zu lassen

Konstruktive Kritik ist nicht böse gemeint, das sind Tipps damit es noch besser wird

[robin]

Klingt jetzt nicht so verkehrt, was du machst, Mos-FET ist aus meiner Sicht auch gut gewählt.

Ob es ohne Kühlkörper geht, müsstest du durch rechnen, im Datenblatt ist ja die Erwährmung pro Watt Verlustleistung angegeben (100°/W ohne bzw 50°/W mit Kühlfläche auf der Platine). Gerade mit den Verlusten durch die Interne Diode und die Schaltverluste könnte es knapp werden.

Bin auch schon gespannt auf dein Design.

[Che Guevara]

Also ich weiß, dass es nicht böse gemeint ist, aber ich glaube, das Layout ist böse xD
Hier mal drei Bilder von Top & Bottom , Top und Bottom. Hätte auch noch die .lay Datei, aber ich denke mal, darauf sollte man alles erkennen können?!




Natürlich fehlen noch die ganzen Block-C's, Spannungsregler, µC Beschaltung, Zero-Cross-Schaltung, usw... Aber ich dachte mir, bevor ich mich jetzt stundenlang hinsetzte und dann sowieso wieder alles ändern muss, mach ich erstmal nur das heikelste
Beim µC dachte ich daran, eine AutoMasse Sperrfläche einzubauen, damit er nicht so direkt an der dreckigen Spannung sitzt!? Die beiden Pads links unten sind VCC & GND, die 3 Pads links oben sind für den Motor. Die restlichen Anschlüsse (PWM-IN & UART) kommen wohl auf die rechte Seite der Platine, wo insgesamt die Ganze Steuerelektronik hinsoll. Die Bauteile sind die oben erwähnten. Allerdings habe ich eben die Befürchtung, dass die Leitungen vom Halbbrückentreiber zu den FET's zu lang / verwunden sind, was ja wieder Kapazitäten mit sich bringt.
Ja, wenn ich gleich mal Zeit finde, rechne ich ein paar Beispieldaten durch (allerdings weiß ich ja nicht, wieviel Wärme von der Platine abgestraht wird / werden kann). Die max. 20A sind übrigens nur für die Zukunft, meine gewünschten Motoren (Roxxy BL2824-34) ziehen max. 10A, die reichen momentan dick

Gruß
Chris

[BMS]

Ja, es lässt sich gut erkennen. Das Layout finde ich gar nicht so "böse"
Im frühen Stadium kann man noch wenig Tipps geben. Ich stelle meine Layouts dreimal auf den Kopf, bis sie mir gefallen, weiß nicht wie das bei euch läuft...

Ich bin mir nicht sicher, ob man unter dem TO252-Gehäuse Leiterbahnen durchführen kann.
Normalerweise ist die Rückseite der MOSFETs fast komplett blank und kann zur Wärmeabfuhr genutzt werden. Das Pad am Drain ist normalerweise größer.
Zur Anordnung der Bauteile habe ich noch einen Vorschlag:

          GND
Ausgang MOSFET Treiber
Ausgang MOSFET Treiber µC
Ausgang MOSFET Treiber
          VCC

Eventuell lassen sich dann die Leiterbahnen der Versorgung besser ziehen. Das könntest du ausprobieren.
Grüße, Bernhard