H-Brücke Quadrantenproblem

[BlueNature]

Hallo!

Ich habe hier ein Phänomen in den Quadranten einer NMOS-Endstufe. Die Drehtung läßt sich nur bei absoluten Stillstand des Motors wechseln. Das hat etwas mit der EMK zu tun am Motor der im Wechsel als Generator eine negative Spannung abgibt. Ich komme dadurch nicht direkt vom I. Quadranten in den III. Quadranten sondern mache ja den Umweg über den IV. Quadranten. Dabei wird ein satter Kurzschluss in der H-Brücke provoziert. Weiß jemand warum das so ist? Ich muß damit ja warten bis der Motor ausgetrudelt ist bis ich in die Gegenrichtung schalten darf was absolut schlecht ist.
Anbei habe ich noch eine Zeichnung gemacht für das Problem zum besseren Verständniss. Ich bremse den Motor über eine Pulsung in Gegenrichtung. Damit schalte ich nur bei Drehrichtungswechsel die Highside-NMOS um und die Lowside-NMOS machen mir meine PWM. Im Fall von PWM=100% ist das PWM mal unwichtig und der Fehler mit dem Einbruch der Spannung tritt auch auf. Was muß man in der Ansteuerung anders machen?

Grüße Wolfgang

[ranke]

Hallo Wolfgang,
ja der Strom, der unmittelbar nach dem Umschalten fließt dürfte ziemlich hoch sein. Schließlich bildet Deine Batterie und der Motor (= hier Generator) einen kurzgeschlossenen Stomkreis mit 2 x 12 V = 24 V Quellenspannung, der Strom wird nur durch die Leitungswiderstände und den Innenwiderstand der Batterie begrenzt.
Ich glaube deshalb auch, daß Dein Diagramm nicht das plötzliche Umschalten zeigt, der Strom müßte dabei gegenüber dem Normalbetrieb erstmal sprunghaft ansteigen (oder wer weiß das besser?).
Abhilfe: vielleicht vor dem Umpolen durch Gegenimpuls erstmal den Motor durch Kurzschließen abbremsen.
Grüße, Uli

[BlueNature]

Die Spannugn wird ja in den Higside-NMOS begrenzt. Die bekommen im Grunde ales ab und haben die größten Ströme zu ertragen. Die halten das auch gemütlich aus (ca. 170A) Durch die Dioden ist meine Spannung auf ca. 12V + 2 x 0,6V begrenzt. Die Versorgung ist ja gut im Innenwiderstand. Von der Hardware die ich vorgeschalten habe lasse ich keine Bremsung in den Loside-NMOS zu. Es ist nur möglich die Paare zu schalten. Der Rest verriegelt sich per Hardware automatisch und codiert nur noch ein PWM in die Lowside-NMOS zu. Die Highside bleiben statisch auf der Richtung.

Ich glaube eher das es irgendwie den V1 offen hält wegen der EMK des Motors der ja recht viel Spannung rückspeist. Da er eigentlich zumachen müßte geht mit die Spannung hoch bis zur Begrenzung über die untere Freilaufdiode. Ich hab schon rumgerechnet und auch gemessen, komm nur nicht ganz dahinter wann der diesen Moment hat. Nach ca. 4ms ist der Reset im kompletten System weil es dann alles durch den Kurzschluss ausgeschaltet hat. Dann trudelt er eben aus weil alles öffnet.

Grüße Wolfgang

[ranke]

Ich glaube nicht, daß der Strom nach Umschalten von Linkslauf auf Rechtslauf über V1 fließt. Die Schaltzeiten des Transistors sollte eigentlich recht kurz sein (Datenblatt), die Spannung über V1 kann ja wegen der Freilaufdioden nicht höher als 13.2V sein.
Ich denke der Strom fließt über +12V - V2 - Motor - V3 - 0V.
Unmittelbar nach dem Umpolen des Motors hat dieser (wenn er vorher im Leerlauf lief) eine EMK von ca. 12V. Diese ist aber nicht der Batteriespannung entgegengerichtet, sondern wirkt in gleicher Richtung!
D.h. der Pluspol der im Motor erzeugten Spannung (EMK) liegt am Minuspol der Batterie, der Minuspol der EMK am Pluspol der Batterie!
Wenn ich davon ausgehe, daß die Motorinduktivität gering ist und der Innenwiderstand des Motors klein, dann bricht Dir kurzzeitig die gesamte Betriebsspannung ein.
Grüße, Uli

[BlueNature]

Ich glaube nicht, daß der Strom nach Umschalten von Linkslauf auf Rechtslauf über V1 fließt. Die Schaltzeiten des Transistors sollte eigentlich recht kurz sein (Datenblatt), die Spannung über V1 kann ja wegen der Freilaufdioden nicht höher als 13.2V sein.
Ich denke der Strom fließt über +12V - V2 - Motor - V3 - 0V.

So denke ich auch. Die Schaltzeiten sind sehr gut am Gate. Die MOSFET's sind auch wirklich gute Teile (IRF1404).

Unmittelbar nach dem Umpolen des Motors hat dieser (wenn er vorher im Leerlauf lief) eine EMK von ca. 12V. Diese ist aber nicht der Batteriespannung entgegengerichtet, sondern wirkt in gleicher Richtung! D.h. der Pluspol der im Motor erzeugten Spannung (EMK) liegt am Minuspol der Batterie, der Minuspol der EMK am Pluspol der Batterie!

Im Leerlauf hat der Motor ja die höchste EMK, das ist mit klar. Wenn ich über V1 und V4 den Stromfluss habe habe ich von links nach Rechts einen Stromfluß durch den Motor. Trenne ich nun den Stromkreis auf habe ich ja einen Strom in der selben Richtung der mir dann aber generatorisch wirkt, also eine Spannung am Motor die negativ wird. Dann ist ja praktisch der linke Pol des Motors Minus und der rechte Plus.
Normal wenn ich nun keinen der MOSFET's mehr schalte wird der Motor daher über die Dioden an V2 und V3 den Motorstrom abbauen. Geht also die Spannung auf maximal 13,2V hoch (begrenzt durch die Schottky-Dioden).
Wenn nun sofort nach dem Öffnen der N-MOS V1 und V4 die N-MOS V2 und V3 schließen ist ja der Motor in verkehrter Stromrichtung geschaltet. Die Spannung ist aber in gleicher Richtung. Was da jetzt passiert? Keine Ahnung...

Wenn ich davon ausgehe, daß die Motorinduktivität gering ist und der Innenwiderstand des Motors klein, dann bricht Dir kurzzeitig die gesamte Betriebsspannung ein.

Naja. Im Test hab ich einen RB35 genommen. Der hat 6000U/min und hab dem auch bei dem Betrieb Massen angesetzt die er beschleungen/bremsen muß. Maximalstrom ist bei dem Motortyp um ca. 1,7 Ampere.

Grüße Wolfgang

[Archi]

Kann es sein, dass du ein Problem mit Shoot-Through beim Umschalten hast? Sprich: kurzzeitig leiten V1 und V3 gleichzeitig, weil Ein- und Ausschalten der Fets nicht gleich lang dauert? Wie steuerst du die Fets denn an, vielleicht löst das das Problem.

CU, Robin

[BlueNature]

Kann es sein, dass du ein Problem mit Shoot-Through beim Umschalten hast? Sprich: kurzzeitig leiten V1 und V3 gleichzeitig, weil Ein- und Ausschalten der Fets nicht gleich lang dauert? Wie steuerst du die Fets denn an, vielleicht löst das das Problem.

Das ansteuern hab ich mit einer eigens dafür entworfenen TTL-Logik gemacht.

V1 = Dir
V2 = /Dir
V3 = /Dir & PWM
V4 = Dir & PWM

Damit müssen diese verbotenen Zustände abgewendet sein. Seltsam ist nur das wenn ich das ohne Motor betreibe keine Probleme auftreten. Nur wenn ich mit Motor fahre. Also "schiebt" da was gegen an den MOSFET's.

Grüße Wolfgang

[Archi]

Naja, Totzeiten sind da keine drin. Normalerweise muss man ein paar Mikrosekunden warten, zwischen dem Ausschalten der High-Side und dem Einschalten der Low-Side und umgekehrt.
Kannst du mir trotzdem mal deine genaue Ansteuerung posten. Immerhin sind in MOSFETs noch ein paar parasitäre Kapazitäten drin, welche bei Spannungswechseln Ladungen verschieben und dabei kann es schon mal vorkommen, das bei ungeeigneter Gate-Beschltung ein Gate einfach aufmacht. Hatte ich auch schon...

CU, Robin

[ranke]

Hallo Wolfgang,
am Wochenende habe ich noch einmal über deine Motorumschaltung nachgedacht.

[ranke]

Hallo Wolfgang,
ich habe am Wochenendenoch einmal über Deine Motorschaltung nachgedacht. Dabei habe ich mir überlegt, was genau passiert, wenn man den Motor umpolt. Dazu habe ich erstmal nur die Batterie und den Motor betrachtet, ohne die ganze H-Brücke. Dazu 2 Skizzen, die jeweils im linken Strang ein Ersatzschaltbild des Motors, im rechten Strang ein Ersatzschaltbild der Batterie darstellen.
Das linke Bild soll den Zustand vor dem Umschalten, das rechte den Zustand nach dem Umschalten zeigen.
Linkes Bild:
Im rechten Strang befindet sich die Batterie, bestehend aus einer Spannungsquelle Ubatt und einem dem Innenwiderstand der Batterie Rbatt.
Im linken Strang befindet sich der Motor, bestehend aus dem ohmschen Wicklungswiderstrand Rmot, der Wicklungsinduktivität Lmot und der Generatorspannung EMK. Die EMK ist proportional zur Drehzahl, das Vorzeichen der EMK ist von der Drehrichtung abhängig und beim normalen Betrieb der Ubatt entgegengesetzt.
Im Leerlauf des Motors ist die EMK fast so hoch wie die Betriebsspannung, die im Stromkreis wirksame Spannung ist Ubatt + EMK und damit ziemlich klein (weil fast gleicher Betrag, aber verschiedenes Vorzeichen). Der Strom, der sich im Stromkreis einstellt ist (Ubatt+EMK)/(Rbatt+Rmot).
Bei Belastung des Motors sinkt die Drehzahl und damit die drehzahlproportionale EMK, der Strom wird dadurch größer.
Wird der Läufer festgehalten ist die EMK=0, der Strom wird nur durch die beiden ohmschen Widerstände begrenzt.
Betrachten wir wieder den Fall des Motorleerlaufs mit Ubatt = -EMK.
Wenn ich jetzt die Batterie umpole, entsteht die Situation wie im rechten Bild. Außer der umgepolten Spannungsquelle hat sich nichts geändert. Es ist aber ersichtlich, daß die EMK und die Ubatt jetzt in Serie geschaltete Spannungsquellen sind, deren Spannung sich addiert. An der EMK hat sich ja noch nichts geändert, weil sich die Motordrehzahl und Drehrichtung noch nicht geändert haben. Der Strom, der im ersten Moment nach der Umpolung durch den Stromkreis fließt, ist genauso groß wie vor dem Umschalten, weil die Induktivität im Stromkreis keine sprunghafte Stromänderung zuläßt. Allerdings fällt jetzt fast die gesamte Spannung (2 x 12V = 24 V) an Lmot ab. Da die Induktivität ziemlich klein ist, wird diese Spannung schnell zusammenbrechen und wir haben einen Stromkreis mit einer Spannung von 24 V an 2 sehr kleinen Widerständen. Der Strom, der dabei fließt, dürfte der von Dir festgestellte "Kurzschluß" sein, die Batteriespannung wird einbrechen (fällt am Rbatt ab), falls Rbatt > Rmot ist sogar eine Spannungsumkehr an den Batteriepolen möglich.
Dieser Zustand ändert sich relativ langsam, indem sich der Läufer des Motors abbremst und schließlich in umgekehrter Drehrichtung beschleunigt.
Ich hoffe, das ganze war irgendwie verständlich und ich hoffe, ich habe keinen Denkfehler drin.
Grüße
Uli