500W-Bürstenmotoren: Entwicklung einer H-Brücke 30V / 75A.

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Original von IBF
Nur aus Neugierde: Was sind das für Schraubklemmen, die Du benutzt?

Die Schraubklemmen mit den 6mm²-Drähten sowie die BleiGel-Akkus stammen aus einem Elektroroller, der auf meiner Schlachtbank gelandet ist. Dort kamen 70A Dauerstrom zum Fließen, sollte daher für meine Zwecke erstmal ausreichend sein.
OK, chinesische Schraubklemmen :(, daher wohl auch etwas filmreifer Qualm zum Ende der Testreihe...

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Original von IBF
Hab' ich das richtig verstanden: Du greifst die ganze Power über Krokoklemmen ab?

Nee, mit den Krokoklemmen hatte ich erste Versuche gemacht; da waren die Ströme noch moderat...
Die Klemmen sind übrigens nicht die schludrig gecrimpten Schwachstrom-Billigteile, sondern mit 1,5mm² verstärkt. Jede einzelne Klemme hielt in einem vor einigen Monaten durchgeführten 1kWh-Akku-Entladetest 22A für ca. 50Min. aus; impulsbelastungsmäßig ist also mehr drin. Bei Überlastung erwärmt sich der Draht stärker als die Klemmstelle, der Übergangswiderstand ist also nicht so groß, wie es den Anschein hat. Zudem achte ich stets auf festen Sitz!
Also nicht irritieren lassen: wenn ich zu der Schaltlitze noch Krokoklemmen parallel auflege, dann weil die Schaltlitze an ihre Grenze kam und schnell etwas Unterstützung brauchte...

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Original von IBF
Und die 6qmm müssen die 500A verkraften?

Ja, dass müssen sie bedauerlicherweise verkraften. Aber im (überwachten) Test für wenige s und auch nicht mit voller PWM-Aussteuerung, sondern für 25µS...! Danach ist für 225µs Ruhe und da haben die Drähte etwas Zeit, die Verluste wegzuintegrieren...
Als die Ströme dann immer größer wurden habe ich natürlich 6mm²-Schaltlitze fest verlötet, erkennbar an dem roten Draht, welcher aus der Stromzange kommend UNTER der LP verschwindet. Übrigens setze ich im Bereich der kochendheißen Halogenlampen ausschließlich Silikonlitze ein, kurzzeitig bis + 250 °C belastbar...!

Und - wer hätte das gedacht - es steht bei mir für die Dauer der Tests sogar ein Feuerlöscher bereit!!!!

Aber entscheidend ist doch: MIR IST NOCH NICHTS AN HALBLEITERN VERSTORBEN... :]

Wenn jetzt ein wenig Litze wegkokelt, die Isolierung der Litze/Krokoklemmen oder der chinesische Qualitäts-Akkupol wegdampfen - so what? Hauptsache die H-Brücke hält, oder? Den Rest kann ich jederzeit verstärken. Dicke Drähte habe ich noch genug, wenn es sein muß dann lege ich auch mehrere 6mm²-Litzen parallel auf.

Ich bin jetzt auch "erst" bei 80A Dauerstrom, die > 500A waren Kurzschlußströme im µs-Bereich. Aber immerhin nachgewiesene, repetierende Strangströme und keine Ausgleichsströme in einen Kondensator, o.ä. Ein Kurzschlußstrom ist natürlich immer eine gute Simulation für einen Stall- bzw. Blockadestrom, letztlich aber m.E. ein wichtiger Test für die Strombegrenzung / Kurzschlußfestigkeit der H-Brücke.
500A Dauerstrom sind mit einem MOSFET natürlich schwerlich möglich, der Hersteller (IR) gibt für den von mir favorisierten Power-HEXFET IRFP4368 max. 195A an... Schon dieser Wert ist recht sportlich und ich würde die dicksten Drähte spendieren, wenn meine H-Brücke diesen Dauerstrom 5 Min. lang liefern könnte...

Bis dahin ist's noch ein weiter Weg. Für mein Bot-Projekt ist die H-Brücke an einem 500W-Motor wohl völlig ausreichend, ja sogar schon fast überdimensioniert.

Gegenwärtig bin ich am überlegen, wie ich die Strombegrenzung "intelligenter" auslegen könnte, um z.B. einen nötigen Anlaufstrom von 200A liefern zu können. Es ist klar, dass dieser Strom nur zeitlich begrenzt fließen darf, denn 200A sind dauerhaft! für nur einen MOSFET ein ganz schöner Schuh.
Folglich können die 200A nur bis zu einem bestimmten PWM-Modulationsgrad fließen, z.B. bis 50%. Für diese Zeit könnte ich die Strombegrenzung SW-mäßig austasten, zumindest solange kein "echter" Kurzschlußstrom fließt. Da ich die Strombegrenzung HW-mäßig aufgebaut habe (zu hoher Strom schaltet direkt MOSFET-Treiber ab) müßte ich das über den µC regeln: zu hoher Strom lößt einen IRQ aus, der IRQ prüft KK-Temp, PWM-Mod. und gegenwärtige Stromhöhe und "verzögert" die Strombegrenzung (z.B. nach einer noch zu eroierenden Belastungstabelle) und damit auch die "sofortige" MOSFET-Abschaltung.

Das war es, was ich weiter oben als den "Betrieb an thermischer Lastkennlinie" bezeichnete, da dieser Strombegrenzungs-Kompromis natürlich nur solange funktioniert, bis am MOSFET-KK eine Temp. von > 95°C erreicht wurde.

Einen Vorschlag habe ich noch: für den Moment der hohen (Motor-)Anlaufströme könnte ich auch über einen µC-Portausgang i.V.m. einem nachgeschalteten Transistor das Widerstandsverhältnis des ÜS-Komperators ändern, um so zeitlich begrenzt einen höheren Strom einzuprägen.
Derzeit begrenze ich auf 81A Dauerstrom, dies ist der kleinste Abregelwert (bis 125A sind direkt einstellbar), wobei für 10% der PWM - also 25µs bei 4kHz - bereits jetzt kurzfristig bis zu 180A möglich und zulässig sind.
So läuft es derzeit auch OHNE Probleme.
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Original von IBF
Mein Haus- und Hof-MOSFET ist mit 120A angegeben. Aber sobald da mal mehr als 30A fließen, "knackt" das Gehäuse schon ein bißchen und leichte Rauchfahnen steigen an den dünnen Anschlussdrähten hoch. Deshalb habe ich bei den neuen Fahrtreglern mit Halbbrücke grundsätzlich einen 1.5qmm-Draht parallel zum Anschlusspin hochgezogen. Sorgt für zulässige Stromdichten im Anschlusspin des MOSFET und für eine leichte Wärmeabfuhr im Anschlussbereich.

Die Daten aus den Specs der Hersteller werden möglicherweise bei denen im Labor und 25°C erreichbar sein, die Realität im eigenen Layout sieht bei 90°C und den durch hohen Strömen verursachten Störungen meist völlig anders aus.
Beispiel: mein MOSFET wird mit einem (einmaligen) Pulsstrom von 1280A angegeben sowie einer "Maximum Power Dissipation" von sage und schreibe 520W...
Ich bin zufrieden wenn ich 25W vom FET herunter bekomme und setze als max. Dauer-Ptot 30W an.
Der heißeste Punkt ist unter Voll-Last ohnehin nicht mehr der Siliciumchip sondern, lt. Aussage einer Application-Note vom Hersteller, der Bereich der Bonddrähte. Der heißeste Punkt außerhalb des FET's dürfte das Sourcebeinchen sein, direkt unterhalt vom Gehäuse. Ein Temp.-Sensor sollte idealerweise hier angebracht sein und das Layout in diesem Bereich über möglichst viel Kupfer zur Kühlung verfügen.

Selbst die für meinen FET angegebenen 195A Dauerstrom erscheinen für Bot-Schaukämpfe wenig praktikabel, da dieser Strom - wenn er mit einem spezifischen Layout überhaupt erzielbar wäre - nur die ersten Sek. zur Verfügung stünde. Mit zunehmender FET-Erwärmung müßte dieser Strom aufgrund des Deratings kontinuierlich begrenzt werden - bei 95°C KK-Temp. auf gerade mal noch 110A - oder der FET schwenkt die weiße Fahne.

Ich setze daher 40...50% der Hersteller-Specs an und bin hoffentlich (noch) im grünen Bereich. Ich kalkuliere auch nie mit dem 25°C-RSon, sondern gleich mit dem für 120°C; alles andere wäre m.E. Schönrechnerei.
Natürlich ist aus Anwendersicht der Wunsch verständlich, Strom "ohne Ende" zur Verfügung zu haben. Und auch die Hersteller von Halbleitern und Vollbrücken locken mit Traumwerten, welche oftmals in der Praxis "nicht ganz" zu erreichen sind...

Zumindest für meine kleine Bot-Projektarbeit lautet die Losung: Mission completed.

Mit Fertigstellung der zweiten H-Brücke (sowie Erstellung eines kleinen Videos zur Glaubhaftmachung) dürfte ich wohl einer den wenigen Roboteers hier im Forum sein, der sowohl die Mechanik wie auch die Leistungs- und Steuerungselektronik komplett selbst entworfen und erfolgreich aufgebaut hat...

IBF, eine Frage noch: hast Du Erfahrung mit dem Lackieren von Leiterplatten? Ich möchte die MOSFET-LP gern per Spraydose in einen Schutzlack hüllen. Lötseite komplett und Bestückungsseite so bis 5mm Höhe. Da die MOSFET-Treiber gesockelt sind habe ich mir gedacht, diese an jedem Beinchen mit einem Lötpunkt zu versehen, damit der Lack nicht IN den Sockelkontakt eindringen kann.
Nachteil: im Falle einer Reparatur muß man - besonders auf der Lötseite - die Lackschicht wieder irgendwie entfernen, damit Lötstellen nicht durch Lackreste verunreinigt werden. Sollte zudem ein Treiber defekt sein, müßte der Austausch-Treiber etwas umständlich in den IC-Sockel gequält werden, da hier mit Lötrückständen zu rechnen ist...

Gibt es hierzu irgendwelche Erfahrungswerte und/oder Empfehlungen?
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Original von Lars
Mit Fertigstellung der zweiten H-Brücke (sowie Erstellung eines kleinen Videos zur Glaubhaftmachung) dürfte ich wohl einer den wenigen Roboteers hier im Forum sein, der sowohl die Mechanik wie auch die Leistungs- und Steuerungselektronik komplett selbst entworfen und erfolgreich aufgebaut hat... 8).

Heureka! ...es ist vollbracht!

------------> Update: Seit Feb. ist nun auch die zweite H-Brücke aufgebaut und erfolgreich getestet. Bedauerlicherweise hatte ich Probs das zugehörige Video hochzuladen, nun aber gelang mir auch diese Hürde noch...

Beispielfoto vom Aufbau der 2.LP Bestückungsseite, Lochraster-LP wird mittels Parallelzwingen fixiert um Verformung während Lötvorgang zu vermeiden. Der massebehaftete Puffer-Kondi (22mF/50V) wurde mittels Schraube u. KaBi (Kabelbinder) fixiert um ein Abscheren zu vermeiden. Erkennbar auch der 2.Masseanschluß am rechten Rand der bereits fertigen LP zur Entlastung des Massestrangs und Erhöhung der Messgenauigkeit des ACS709-Stromsensors (= Widerstandsminimierung Last <--> Quelle):

Beispielfoto der Lötseite, gut erkennbar die regelmäßig von mir verwendete 3-fache Kupferdraht-Verstärkung im Hochstrombereich:

Hier noch ein Foto vom Prüfaufbau. Je ein Kanal vom Speicher-Oszi wurde an den Treiber-IN-Eingang der jeweils ersten Halbbrücke aufgelegt. Ein L-Signal (Low-Pegel, 0V) am Bildschirm des Oszi bedeutet, dass der L-FET aktiv ist und beim H-Signal (5V) entsprechend der H-FET. Sehr gut ist dies im nachfolgenden Video zu beobachten: Beim Rotieren sind BEIDE Ansteuersignale sichtbar, wobei deutlich zu erkennen ist, dass ich die PWM-Ansteuersignale um 180° phasenversetzt realisiert habe, wodurch es zu einer Entlastung auf den Versorgungsleitungen kommt bei gleichzeitiger Minimierung der schädlichen Einflüsse durch Leitungsinduktivitäten in der Hochstrom-Anlaufphase:

Mit Indienststellung der zweiten Vollbrücke mußte auch die SW auf dem ATMEL-Controller weiterentwickelt werden. Bislang lief auf dem Controller lediglich eine tastengesteuerte PWM-Belastungsrampe für die grundlegenden Hochstromtests der ersten Brücke (s. Fotobericht oben). Um jedoch 2 Motoren entsprechend steuern zu können, habe ich der Einfachheit halber auf eine 2,4GHz-Pistolenfernsteuerung zurückgegriffen. Pistolen-FBs sind kostengünstig und deren Puls-Pausenprotokoll ist ja (fast) Standard und recht gut dokumentiert - dachte ich jedenfalls...X(
Nach etwa 12 Arbeitsstunden gab es sogar erste ernstzunehmende Ergebnisse am Speicher-Oszi (Entwicklungsphase zunächst ohne Mot.), die Signale von dem kleinen 2-Kanal-Empfänger lösten regelmäßig Interrupts aus, worauf entsprechend reagiert wurde. AAABER...: es gab ständig irgendwelche "Ausreißer" bzw. Störungen, welche zu unterschiedlicher Fehlerwirkung führten. Ich habe weitere mühevolle 4 Tage Softwareentwicklungsarbeit benötigt, um die Signalverarbeitung nachhaltig zu entstören (u.a.: Aufbau eines gültige-Werte-Fensters, 10er-Ringspeicher mit Mittelwertbildung, Verwerfen bei grober Werteabweichung/Wertesprung, Nullpunkthysterese, ms-Timeout, usw.).
Danach erst habe ich die Motoren aufgelegt. Und die Arbeit hat sich doch noch gelohnt: Beide Motoren laufen jetzt störungsfrei und sogar mit einem Failsafe (FB ausgeschaltet/Signalverlust = Motoren innert 500ms stromlos) und - zu meinem Erstaunen; ich habe es mehrfach gegengetestet - auch dann, wenn WLAN und Mikrowelle auf gleicher Wellenlänge vollste Dienste leisten...

Allerdings möchte ich für meinen Bot eine intelligente Kreuzknüppelsteuerung mit Totmannschaltung und leistungsstarkem 868MHz-Funkmodul aufbauen, diese Pistolenfernsteuerungen sind m.E. nur China-Spielzeug ohne Funktionsgarantie und mit lausiger Reichweite - und daher für einen 80kg-Bot außerhalb befriedeter Grundstücksgrenzen gänzlich untragbar. Na, schau'n mer mal.

Video-Link zum FB-Funktionstest: Motoransteuerung mittels H-Brücke
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Original von IBF
Hättest Du eine Möglichkeit, die Motoren während dem aktiven Betrieb mechanisch zu belasten? Das ändert dann nämlich rapide die Belastung für den Fahrtregler.

Aber natürlich. Nur so kann ich doch feststellen ob mein Eigenbau-Regler auch was taugt, oder?
Für mein eQuad_2009-Projekt hatte ich dazu eine chinesische 2kW-Qualitätsbohrmaschine auf die Welle meines 700W-BLDC-Motors gespannt. Da habe ich 2 Gänge und somit versch. Belastungsvarianzen. Im 1.Gang läßt sich das Futter - Dank chinesischer Qualitätszutaten - kaum von Hand durchdrehen! Dies entspricht zwar nicht dem Stallmoment im eQuad mit seinem 2kW-BLDC-Motor, aber immerhin lag ich bei 75% des im Labortest verwendeten 700W-Motors (übrigens Fa. MOOG, Made in USA). Dazu findet sich auch ein Video auf meinem YT-Kanal BerlinTec:

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Original von IBF
Wie sieht das mit dem 80kg-Bot aus? Schon irgendwelche Pläne oder gar angefangen? Nachdem Dein Fahrtregler mit den drei Baugruppen ziemlich viel Platz einnimmt, wird wohl der Bot um den Fahrtregler herum gebaut werden müssen.

Ähemm, der Bot ist doch schon fertig (s. Fotobericht weiter oben).8)
Durch das hohe Eigengewicht habe ich auch gleich das Belastungsszenario für Mot. u. Regler (zur Not kommt der Bot für den Stallstrom-Abregeltest vor eine Wand). Was jetzt noch fehlt ist der (unmittelbar bevorstehende) Einbau der 3 LP in den Bot. Der Platz dafür ist IM Bot vorhanden, entgegen meiner ersten Überlegung alles nach oben auf's Dach zu versetzen. Dabei verzichte ich bei den Reglern auf ein schützendes Gehäuse, was auch der Grund dafür ist, die Regler-LP irgendwie mit einem Schutzlack zu versehen. Ich hatte schlußendlich für die dezentrale 3LP-Lösung votiert, so wie wir es hier vor einiger Zeit besprochen hatten...;)

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Original von IBF
Im September ist MMMV16 in Bochum. Kommst Du mit Deinem Fahrtregler oder gar mit dem Bot vorbei?

Nee, vermutlich nich. Habe ja "nur" einen leichten Bot aufgebaut, als Erprobungsträger und für Tierbeobachtungen. Nach Einbau der LP werde ich ein weiteres Video von der Gesamtfunktionalität erstellen.

Was mich jetzt noch irritiert ist die Sache mit den 868MHz. Dazu werde ich zeitnah ein neues Thema in dem entspr. Unterforum anstoßen, vielleicht können wir dort die FB-Thematik ausführlich explorieren.