Controlo motor DC de 24V/20Amp com PWM e Mosfet

[Crazyaboutmachines]

Muito obrigado pelas correcções! Já li por alto a lista de erros e realmente há muita coisa por corrigir. O artigo vou deixa-lo assim e vamos aplicar as tuas correcções nos novos circuitos, sei que entretanto vão surgir imensas duvidas mas mais tardar nas ferias de verão volto a documentar tudo, tal como fiz para este primeiro ano.
Realmente há muita coisa por fazer.

P.S. mais logo comento com a mesma numeração os erros que apontaste.

[Crazyaboutmachines]

0) O cabo i2c da driftrike é em V? A que e que te referes com um cabo em V?

1) Sim há junções sem ligação nos vários esquemas pois muita coisa não chegou a ser implementada (sensor de velocidade, XBee etc)

2) Eu pus lá um díodo qualquer e entretanto não atualizei. Convém que seja um Shotky por ser mais rápido? Também tenho de confirmar quanta corrente aguenta o díodo.


3) Na placa de potência, 2014:

3.1) Na prática medimos a corrente na bateria tal como no esquema, eu enganei-me a escrever.

3.2) Tenho de estudar isto melhor, tens alguma bibliografia em especial? Eu agora ando a estudar o livro de um professor meu: “Eletrónica Industrial, Semicondutores e Conversores de Potência, Jose Fernando Alves da Silva”.

3.3) Tenho de estudar isto melhor, mas basicamente a indutância só é problemática se usar a frequência errada certo (a de ressonância)? Eu tinha percebido que junto com os condensadores ajudava a eliminar o ruido na fonte (baterias).


4) Na placa do microcontrolador, 2014:

4.1) Sim eu reparei nisso na altura não sei porque e que não consertei essa parte do esquemático.

4.2) Nice eu desde que copiei essa parte dos ingleses nunca olhei para ela ao pormenor, mas muito obrigado pela dica! Provavelmente já me safaste mais uma possível dor de cabeça a causa de uma falha que bem provavelmente ia acontecer.

4.3) Sim 5A realmente é absurdo, na prática acho que pus la um de 2A mas vou tratar dos pormenores do esquemático e se calhar ate por um de 1A pelo menos na fase de testes.

4.4) Tenho também de olhar para isso na altura com mais calma.

4.5) Em princípio vamos arranjar maneira física/pelo conector destes não poderem ser trocados, mas caso exista a possibilidade de erro será uma boa opção a considerar.

5) Na placa do volante, 2014:

5.1) Tens razão.

5.2) Vou alertar quem esta a tratar disso.

5.3) Vou alertar quem esta a tratar disso.

5.4) XD tinha mais de 1m e sim dava muitos problemas, no início funcionava bem mas quando se tocava a buzina ou se acelerava ficava louco (conseguimos atenuar o problema com um pequeno condensador mas nada milagroso, mas mais tarde ou mais cedo ele acabava por ficar descontrolado).

[Njay]

0) O cabo i2c da driftrike é em V? A que e que te referes com um cabo em V?

Ou em Y, como quiseres chamar. O bus "sai" do RasPI dividindo-se aí mesmo em 2 indo uma ponta para cada controlador.

2) Eu pus lá um díodo qualquer e entretanto não atualizei. Convém que seja um Shotky por ser mais rápido? Também tenho de confirmar quanta corrente aguenta o díodo.

Não precisa de ser um Schottky (no teu controlador o "díodo" de re-circulação não é Schotky ), mas precisa de levar com bastantes A. Podes usar um FET como no controlador. Se fores ver specs de díodos, os que aguentam mais corrente e que se encontram facilmente no mercado são os díodos parasitas dos FET, por isso estes são usados como díodos.

3.1) Na prática medimos a corrente na bateria tal como no esquema, eu enganei-me a escrever.

Pronto, então é assim: tu queres medir a corrente pelo menos é no motor. É que a corrente no motor pode ser bem maior do que a bateria, e depois tás a fritar os FETs e só sabes quando soltarem o fumo mágico. Com 20A no motor podes ter só 3 ou 4 na bateria. Entendo que queiras monitorar o sumo que sai (ou entra) da bateria, mas na minha opinião não deverias deixar de medir a do motor, e limitá-la (terminar a parte ON do ciclo activo antes do tempo, para a corrente no motor não subir mais). É que ainda por cima estás a usar rectificação assíncrona, se não limitas a corrente decentemente os FETs de cima têm maior probabilidade de queimar. Por falar nisso devias fazer rectificação síncrona, a diferença na temperatura dos FETs de cima é BRU-TAL(mente mais baixa).

3.2) Tenho de estudar isto melhor, tens alguma bibliografia em especial? Eu agora ando a estudar o livro de um professor meu: “Eletrónica Industrial, Semicondutores e Conversores de Potência, Jose Fernando Alves da Silva”.

Nunca li um livro sobre isso, mas há algumas coisas na net, app notes, literatura sobre power stage design. Também podes ler o tópico do Power Stage do Lebowski no endless-sphere.com, já deixei lá para trás um link. Mas basicamente queres um layout em que a malha FETs - Condensadores_DC_link tenha uma indutância parasita o mais baixa possível. É para isso que em sistemas de muita potência se usam buses laminados, o "suprasumo" da baixa indutância. Para teres um enquadramento, 10nH contam (também podes reduzir os transientes baixando a velocidade de comutação dos FETs, consequentemente baixando a eficiência, é um trade-off). Há imensa discussão e layouts por exemplo no endless-sphere.com, vê as threads do zombies, arlo1, lebowski (no sub-fórum "motor technology").

3.3) Tenho de estudar isto melhor, mas basicamente a indutância só é problemática se usar a frequência errada certo (a de ressonância)? Eu tinha percebido que junto com os condensadores ajudava a eliminar o ruido na fonte (baterias).

Logo à partida essa indutância deve ser baixa para dar pouco trabalho aos condensadores. Os electrolíticos têm uma ESR grande, e com correntes sempre a circular (maior indutância na malha da bateria, maiores as correntes no cap) eles aquecem mais e o seu tempo de vida é reduzido.
Se os condensadores forem bons, minimiza-se o ruído que possa ir para o lado da bateria. Se a frequência de ressonância da indutância da malha da bateria com os caps DC-link estiver próxima (não e preciso ser igual, começas a ver efeitos " muito" antes de lá chegares) da de PWM, aí há esse efeito "amplificador" da oscilação. Convém ter uma noção desse valor no teu sistema, para que não caias lá perto acidentalmente ao experimentar frequências de PWM. É fácil ver isso em simulação, posso arranjar-te uns ficheiros de LTspice se precisares.

5.4) XD tinha mais de 1m e sim dava muitos problemas, no início funcionava bem mas quando se tocava a buzina ou se acelerava ficava louco (conseguimos atenuar o problema com um pequeno condensador mas nada milagroso, mas mais tarde ou mais cedo ele acabava por ficar descontrolado).

Com 1m até fico espantando que funcione alguma coisa (só se tem interface série, não olhei bem, assumi que era paralela e agora não me lembro). Pelos vistos o problema que tinham era EMI e nem eram as reflexões no cabo. Se não houver possibilidade de aproximar até "1 palmo", eu metia um micro a controlar o LCD e aceitar comandos através de um bus série mais apropriado, por exemplo o i2c já que vai lá estar. Embora não seja perfeito, a spec do i2c exige slew rate control (e o ATmega fá-lo) e não há tanto stress com reflexões, ainda para mais se usarem um esquema como tenho da diffTrike (ethernet + isolador), que foi pensado mesmo para evitar "todo" o tipo de interferências.

[Njay]

A linha de cima é pino configurado para i2c a ir de 1 para 0, num ATmega8.
A linha de baixo é um pino que não está configurado como i2c, tb a ir de 1 para 0, num AVR tb (ATtiny26).

[Crazyaboutmachines]

2) Tenho de me informar melhor pois se arranjar um schotky para a mesma amperagem, mesmo que seja um pouco mais caro em princípio como tem uma menor queda de tensão dissiparia menos energia, e sendo mais rápido penso que deve evitar melhor os picos de tensão.

3.1) Apesar de estarmos a medir a corrente na bateria sinceramente não me lembrei dessa característica do Buck. Mesmo assim por razões de simplicidade acho que preferia medir a corrente apenas de um dos lados e determinar aproximadamente a outra em função do duty cycle.
P.S. Com retificação assíncrona referes-te a uma espécie de meia ponte em que se mete o MOS de cima a conduzir controladamente em vez do díodo certo? Se for isso por agora penso que não vou ir por ai pela complexidade acho que não vai compensar muito.
Quanto a “ (terminar a parte ON do ciclo ativo antes do tempo, para a corrente no motor não subir mais) ” em princípio o CI IR2125 deverá fazer isso (através do sinal CS), o sensor de corrente é mais para datalogging e para limitar as curvas de aceleração.

3.2) Ok obrigado pelas referências! Isto esta a ser quase uma “tese/dissertação” para nós x).

3.3) Ok, vou ter isso em consideração.
Ok Nice, sim desta vez em vez de esse cabo comprido vamos ter apenas comunicações I2C de trás para a frente e em princípio o mesmo Arduíno que tem o shield do XBee+SDCard que recebe os dados via I2C que esta la ao pé tratará do display.

Não imaginava que os protocolos de comunicação também tinham isso do slew rate em conta ainda bem que isso vem implementado.
O teu sistema da drift trike parece fixe, se durante as experiencias continuarmos a ter problemas de interferência de trás para a frente do carro vamos pensar num sistema do género.
Assim que tivermos esquemáticos ponho aqui para darem uma olhada.

[dropes]

https://github.com/vnevoa/DiffTrike/blob/MarkIV_RasPi_NJAY/Electronics/PowerBridge/hw/bridge-ctrller-addon-schematics.pdf
Na prática usámos cabos ethernet básicos, que já têm vários pares entrançados. Não foi o que fizémos mas podes meter umas fichas ethernet e fica tudo fácil de montar e desmontar (não sei se há algum problema com vibração forte, mas no vosso caso a estrada deve ser "lisa").

eu não recomendaria isso... em ligação nenhuma mesmo, RJ45 é para ficar muito quietinho

[senso]

A ficha no lado do cabo tem retenção, a ficha que fica na placa tem contactos com mola, é uma ficha bastante boa para o uso que é, bem pior era pinheaders..

[Njay]

2) Tenho de me informar melhor pois se arranjar um schotky para a mesma amperagem, mesmo que seja um pouco mais caro em princípio como tem uma menor queda de tensão dissiparia menos energia, e sendo mais rápido penso que deve evitar melhor os picos de tensão.

Não sei se tens que te preocupar muito com isso, pois no plano B o ligar e desligar do motor é pouco frequente quando comparado com os muitos milhares de vezes por segundo no plano A.

Mesmo assim por razões de simplicidade acho que preferia medir a corrente apenas de um dos lados e determinar aproximadamente a outra em função do duty cycle.
P.S. Com retificação assíncrona referes-te a uma espécie de meia ponte em que se mete o MOS de cima a conduzir controladamente em vez do díodo certo? Se for isso por agora penso que não vou ir por ai pela complexidade acho que não vai compensar muito.

Sim, ligas o FET para a corrente circular por ele em vez de o fazer pelo diodo. Eu acho que compensa e muito, mas é fácil fazer umas contas por alto. Em assíncrono, se tiveres um ciclo activo de 50%, o díodo (FET de cima) e o FET de baixo têm ambos a mesma corrente a circular 50% do tempo. Se o motor tiver 20A aprox. constantes (na zona de boa eficência do teu motor, com uma freq. PWM que dê num ripple baixo de corrente), no caso dos FETs do teu controlador actual (@80ºC: Rds(on)~17mOhm, Vfw(10A)~0.65V) e ainda assumindo que dividem bem a corrente entre si, um FET de cima dissipa 10A x 0.65 V x 50% = 3.25W e um de baixo 10A^2 x 0.017 x 50% = 0.85W. No total tens: assíncrono = (3.25 + 0.85) x 2 = 8.2W; síncrono = (0.85 + 0.85) x 2 = 3.4W. Para ciclos activos e/ou temperaturas mais baixos a diferença é maior. Os controladores da DiffTrike foram desenhados para e começaram por ser assíncronos, mas na última versão (a da Maker Faire) mudei a estratégia de controlo para síncrono (o hw sempre permitiu controlo individual dos FETs) e a diferença no calor dissipado é abismal.
A propósito, os vossos FETs são para 100V, o que é "um abuso" num sistema de 24V nominais; há FETs para 40 ou 55V, que têm características muito melhores.

Quanto a “ (terminar a parte ON do ciclo ativo antes do tempo, para a corrente no motor não subir mais) ” em princípio o CI IR2125 deverá fazer isso (através do sinal CS), o sensor de corrente é mais para datalogging e para limitar as curvas de aceleração.

A protecção "desaturation detection and shutdown" é uma protecção "de último recurso" para eventos esporádicos ou "terminais", como um dos FET ou a saída entrar em curto, e normalmente só dispara em valores de corrente muito alta.

3.2) Ok obrigado pelas referências! Isto esta a ser quase uma “tese/dissertação” para nós x).

Esta área é fascinante !

Ok Nice, sim desta vez em vez de esse cabo comprido vamos ter apenas comunicações I2C de trás para a frente e em princípio o mesmo Arduíno que tem o shield do XBee+SDCard que recebe os dados via I2C que esta la ao pé tratará do display.

Boa.

O teu sistema da drift trike parece fixe, se durante as experiencias continuarmos a ter problemas de interferência de trás para a frente do carro vamos pensar num sistema do género.

Eu se fosse a ti não pensava 2 vezes, cabos entrançados (anti-EMI in/out) independentes (sinal e gnd para SDA e SCL, anti-crosstalk) e isolador galvânico i2c nos slaves. No minimo dos minimos isolador galvânico; se não fizeres isto vai ser um pesadelo com as linhas GND. Na diffTrike (é diff, não drift usei um chip isolador i2c da Analog Devices ADuM1250 (nem vale a pena tentares fazer à pata com isoladores ópticos, é um "pesadelo", há ANs que explicam isso bem se tiveres curiosidade) que é carote (5 ou 6€ cada na mouser), mas entretanto já vi que a Silliconix tem similar (com o mesmo pinout e tudo!) bastante mais barato. De qualquer forma vale a pena. Atenção que há chips isoladores e chips isoladores i2c, tem mesmo que ser um para i2c.

Assim que tivermos esquemáticos ponho aqui para darem uma olhada.

Vê lá é se arranjas maneira da malta dar uma voltinha

[Njay]

Quanto à ficha, também há uns "adaptadores" para fichas em cabos ethernet já existentes e que servem para robustez contra vibração e ficarem à prova de água. Em último caso soldem tudo, embora eu aconselhe ter fichas pelo menos num dos lados, para poderem retirar facilmente para reparação ou afins (ou mesmo nos 2, se der trabalho tirar o cabo do veiculo). Devem ter em conta a modularização e a facilidade com que tiram e metem peças, isso é muito importante em qualquer tipo de projecto experimental (Crazy, e não penses que lá por teres fichas polarizadas te safas a trocar uma polaridade; alguém tem que soldar os cabos a essas fichas e haverá muita oportunidade para enganos ).

Na DiffTrike soldámos o cabo no lado da "consola" e metemos fichas no lado dos slaves (controladores dos motores), que por acaso são quase header pins, hehehe, mas são pinos com "latch" (aquelas fichas brancas). O piso na feira não era propriamente liso mas até agora não deu problemas, o que também não quer dizer que ainda não venha a dar.

[dropes]

A ficha no lado do cabo tem retenção, a ficha que fica na placa tem contactos com mola, é uma ficha bastante boa para o uso que é, bem pior era pinheaders..

Sim, tem retenção que funciona algumas vezes até se partir, os contactos de mola também são interessantes quando não entra poeira ou os terminais se dobram, outro pormenor é o cravamento da própria ficha, não é preciso muito para que façam mau contacto.
Para uso doméstico até prefiro esse tipo de ligação ao wifi, em escritórios também usávamos esse tipo de fichas com router e companhia, mas também me lembro as vezes que substitui os cabos...
Pinheaders não é ligação que se aceite a não ser para emparelhar placas e com parafusos.
Há muito tipo de ficha a preços baixos e de confiança, até uma DB9 seria melhor.

[samc]

Não sei como vocês estão a nível de orçamento, porque se puderem gastar alguns euros em conectores, a TE connectivity tem vários modelos muito profissionais para aplicações em automóveis
http://pt.mouser.com/teconnectors/
Não é pela inexistência de parafusos que um conector não vai aguentar as vibrações e ser resistente à poeira - mas essa vantagem de serem conectores rápidos de utilizar vem com a desvantagem do preço (ainda são bem caros na mauser)
Os pin headers como já foi dito não são a opção ideal, por algum motivo são evitados na eletrônica dos auto rádios que estão em constante vibração
De resto continuem com o bom trabalho e a comenta lo aqui, já aprendi bastantes coisas sobre eletrônica de potência ao ver a vossa documentação

[Crazyaboutmachines]

Não sei se tens que te preocupar muito com isso, pois no plano B o ligar e desligar do motor é pouco frequente quando comparado com os muitos milhares de vezes por segundo no plano A.

Ah esquece pois é tens razão, estava eu a escrever com o buck na cabeça sry.

Sim, ligas o FET para a corrente circular por ele em vez de o fazer pelo diodo. Eu acho que compensa e muito, mas é fácil fazer umas contas por alto. Em assíncrono, se tiveres um ciclo activo de 50%, o díodo (FET de cima) e o FET de baixo têm ambos a mesma corrente a circular 50% do tempo. Se o motor tiver 20A aprox. constantes (na zona de boa eficência do teu motor, com uma freq. PWM que dê num ripple baixo de corrente), no caso dos FETs do teu controlador actual (@80ºC: Rds(on)~17mOhm, Vfw(10A)~0.65V) e ainda assumindo que dividem bem a corrente entre si, um FET de cima dissipa 10A x 0.65 V x 50% = 3.25W e um de baixo 10A^2 x 0.017 x 50% = 0.85W. No total tens: assíncrono = (3.25 + 0.85) x 2 = 8.2W; síncrono = (0.85 + 0.85) x 2 = 3.4W. Para ciclos activos e/ou temperaturas mais baixos a diferença é maior. Os controladores da DiffTrike foram desenhados para e começaram por ser assíncronos, mas na última versão (a da Maker Faire) mudei a estratégia de controlo para síncrono (o hw sempre permitiu controlo individual dos FETs) e a diferença no calor dissipado é abismal.
A propósito, os vossos FETs são para 100V, o que é "um abuso" num sistema de 24V nominais; há FETs para 40 ou 55V, que têm características muito melhores.

Ok vou estudar melhor essa possibilidade, também vou então procurar uns MOS melhores.

A protecção "desaturation detection and shutdown" é uma protecção "de último recurso" para eventos esporádicos ou "terminais", como um dos FET ou a saída entrar em curto, e normalmente só dispara em valores de corrente muito alta.

Pois tens razão realmente a proteção do CI é mais para caso eventuais/muito curtos.

Esta área é fascinante !

Pois, também gosto muito desta area da Electrónica apesar de me dar muitas dores de cabeça xD

Eu se fosse a ti não pensava 2 vezes, cabos entrançados (anti-EMI in/out) independentes (sinal e gnd para SDA e SCL, anti-crosstalk) e isolador galvânico i2c nos slaves. No minimo dos minimos isolador galvânico; se não fizeres isto vai ser um pesadelo com as linhas GND. Na diffTrike (é diff, não drift usei um chip isolador i2c da Analog Devices ADuM1250 (nem vale a pena tentares fazer à pata com isoladores ópticos, é um "pesadelo", há ANs que explicam isso bem se tiveres curiosidade) que é carote (5 ou 6€ cada na mouser), mas entretanto já vi que a Silliconix tem similar (com o mesmo pinout e tudo!) bastante mais barato. De qualquer forma vale a pena. Atenção que há chips isoladores e chips isoladores i2c, tem mesmo que ser um para i2c.

Ok temos de ver isso, mas também existe ainda a possibilidade de o conversor passar para a frente do carro (mais perto das baterias) (visto teres dito que convinha diminuir a indutância de entrada do conversor).

Vê lá é se arranjas maneira da malta dar uma voltinha

Yh Penso que por volta do fim do semestre o carro estará a andar (com ou sem a nossa electrónica, pois o pessoal de mecânica esta com pressa e decidiram que vão comprar um controlador de este género enquanto a nossa não funcionar: http://kellycontroller.com/kdcc-series-dcdc-converter-48v-to-12v-400w-35a-p-1161.html).
(não prometo nada mas com toda a ajuda que já nos deram vou ver se isso acontece).

Obrigado dropes e sam pelas dicas nos conectores, é bom saber que a documentação esta a ser útil a ambos os lados

[senso]

Isso é um regulador dc-dc e não um driver de motor.

[Njay]

Esta área é fascinante !

Pois, também gosto muito desta area da Electrónica apesar de me dar muitas dores de cabeça xD

Pffff, se fosse fácil ...

Eu se fosse a ti não pensava 2 vezes, cabos entrançados (anti-EMI in/out) independentes (sinal e gnd para SDA e SCL, anti-crosstalk) e isolador galvânico i2c nos slaves. No minimo dos minimos isolador galvânico; se não fizeres isto vai ser um pesadelo com as linhas GND. Na diffTrike (é diff, não drift usei um chip isolador i2c da Analog Devices ADuM1250 (nem vale a pena tentares fazer à pata com isoladores ópticos, é um "pesadelo", há ANs que explicam isso bem se tiveres curiosidade) que é carote (5 ou 6€ cada na mouser), mas entretanto já vi que a Silliconix tem similar (com o mesmo pinout e tudo!) bastante mais barato. De qualquer forma vale a pena. Atenção que há chips isoladores e chips isoladores i2c, tem mesmo que ser um para i2c.

Ok temos de ver isso, mas também existe ainda a possibilidade de o conversor passar para a frente do carro (mais perto das baterias) (visto teres dito que convinha diminuir a indutância de entrada do conversor).

Uma coisa não tem a ver com a outra. Sem isolamento há muito lixo que passa para trás para o controlador principal, crias ground loops, ...
Sorry enganei-me, era Sllicon Labs e não Silliconix, este (nunca testei; o da AD posso dizer-te que funciona muito bem):
http://pt.mouser.com/ProductDetail/Silicon-Labs/Si8602AC-B-IS/?qs=sGAEpiMZZMvNQHCitdfR%252bGNfS7JsAUZ%2f

Vê lá é se arranjas maneira da malta dar uma voltinha

Yh Penso que por volta do fim do semestre o carro estará a andar (com ou sem a nossa electrónica, pois o pessoal de mecânica esta com pressa e decidiram que vão comprar um controlador de este género enquanto a nossa não funcionar: http://kellycontroller.com/kdcc-series-dcdc-converter-48v-to-12v-400w-35a-p-1161.html).
(não prometo nada mas com toda a ajuda que já nos deram vou ver se isso acontece).

Fair enough

[Crazyaboutmachines]

Pessoal não pensem que me esqueci da promessa de que ia mostrar o carro por esta altura mas afinal o pessoal de mecânica que estava com presa na altura agora esta atrasada e ainda não temos carro a andar (ainda esta longe disso).
Quanto a electrónica tivemos o patrocínio de uma empresa Finlandesa que nos ofereceu um conversor bastante jeitoso e estamos já a construir algum cableameneto básico que fará o carro andar e estar conforme os regulamentos da competição.
Em Setembro continuaremos em força com os sensores e transmissão de informação para que o piloto+equipa possa tomar decisões em função da carga da bateria.