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

[Crazyaboutmachines]

Sim, desculpem a imagem do circuito de potencia estava ainda meio incompleto mas a ideia era pedir uma opinião mais virada para a disposição dos componentes.

Já fiz parte da placa de controlo (regulador+breaduino+interface serial) funcionam exepto interface serial, não estou a encontrar problemas nas ligações e começo a suspeitar se o problema e do cabo usb-serial ou das configurações pois também não estou a conseguir programar o meu antigo breaduino que costumava funcionar (mas ainda hoje com sorte vou ter a oportunidade de experimentar com outro cabo/pc).

NJay estavas a disser para tentar com que a parte de potência não parecesse uma ponte H por motivos visuais/pedagógicos ou por alguma razão pratica? Vou desenhar mais um layout alternativo e logo ponho na drop junto com fotos do que tenho feito.

[dropes]

Estive a ver os transístores IGBTs e pensei que fossem bem mais caros, por pouco mais de 1 euro já se encontra de 300V 50A na Mouser:
http://pt.mouser.com/Search/Refine.aspx?N=18338102
A gate suporta sinais TTL e em PWM está controlada a velocidade.

Para inverter a direcção sugeria uma relé, um pouco mais cara mas encontra-se.

[senso]

RageBridge do charles(http://www.etotheipiplusone.net/)
Tem lá os ficheiros todos e o BOM, tem mosfets gigantes, controlo/limite de corrente integrado para não rebentar com nada, para além de que ele tambem a tem á venda pronta a usar com uma base em aluminio e tudo.

[Crazyaboutmachines]

A placa de controlo já esta funcional:) afinal era o conversor usb-serial que estava estragado.

Agora “só” falta fazer a placa de potência mas ainda estou indeciso entre dois layouts principais, se alguém me pode dar a sua opinião fundamentadamente entre a "opcao1" "opcao2"
 (https://www.dropbox.com/sh/olpzd87qx4yut9p/AABYeVxUD55pmNiW05s80K49a/Constru%C3%A7%C3%A3o%20eletronica/Potencia)
agradecia muito.

 Amanha já devo começar a soldar.

[Njay]

Visuais e pedagógicos sim. Há "standards", de jure ou de facto, e quando as coisas saiem dos standards tornam-se "menos reconhecíveis". A dificuldade em seguir o circuito é maior, a atenção é menor, ...

Ambos os layouts são maus, mas tudo depende da velocidade a que queres comutar os MOSFETs e/ou da margem de tensão dos FETs face à da bateria. Comutar mais depressa é melhor para a eficiência, menos aquecimento, mas tendo em conta que não vais fazer rectificação sincrona, deve ser irrelevante, os 2 MOSFETs de cima ("díodo") vão aquecer bem mais que os de baixo.

Algumas dicas para melhorar o layout. Neste tipo de aplicação o power entra na board e passa pelos pinos do cap antes de seguir para os FETs (ou para onde quer que seja), e segue para lá pelo caminho mais curto e largo possível (mais curto possível MESMO), e melhor ainda se todo esse caminho for "laminado" (pcb dupla face, positivo num lado e negativo noutro, em toda a área das "pistas"). Uma das funções do condensador é reduzir os (indesejáveis) efeitos da inductância da ligação bateria <-> FETs (no veiculo, se tiveres que escolher entre cabos compridos para a bateria ou para o motor, escolhe para o motor). Entre o condensador e os FETs ainda há alguma inductância, para a reduzir a distância deve ser curta, com "pistas" largas e "laminado".

Normalmente leva mais um(s) condensador(es) na alimentação "em cima" dos FETs, condensadores mais pequenos, pois só têm que lidar com a inductância condensador-grande <-> FETs. Mais mais uma vez, quanto mais lenta a comutação, menor o problema (qdo digo comutação refiro-me ao tON/tOFF dos FETs, não à frequência de PWM).
Questionário rápdo: se a ligação controlador <-> bateria de 24V for equivalente a um inductor de 1uH, estiverem 25A a vir da bateria e os FETs cortarem a corrente desligando em 1us, que tensão se atinge no rail B+ do controlador?

Os comprimentos dos caminhos de potência devem ser simétricos, no layout da opção 1 isso parece-me bem, a forma como fizeste os paralelos, na source o fet 1 tá mais perto, no dreno tá o fet 2 mais perto, isto torna igual o caminho para cada FET.

[Crazyaboutmachines]

A resposta ao questionário rápido é 49 V? Realmente não e brincadeira.

Entretanto já me decidi pelo layout a fazer fiz umas alterações com alguma das vossas opiniões etc e já o estive a construir.

Pus fotos da parte de potencia já feita na dropbox (junto com desenho do layout) caso alguém queira dar uma olhada e por acaso encontre algum erro fatal (pistas por cortar etc), isto porque apesar de ter revisto a veroboard varias vezes e possível que me esteja a escapar alguma coisa básica.

Escolhi o layout com os mosfets em linha (com algumas modificações) porque para alem da razão que o NJay mencionou reparei que apesar de ser menos simetrico visualmente o caminho que a corrente faz pelos pares de mosfets chega a ser mais simétrica (ver imagens na drop(layouts antigos)https://www.dropbox.com/sh/olpzd87qx4yut9p/AABYeVxUD55pmNiW05s80K49a/Constru%C3%A7%C3%A3o%20eletronica/Potencia).

Agora falta fazer as ligações entre ambas as placas.

[dropes]

   Acho que tens as gates desligadas nos transístores de cima.

Um conselho, eagle.
Então fazes tudo à mão e estás à espera que dê para ver se tem erros através de fotos...
Isso assim não vai funcionar. 

[Njay]

Yap, 49V, portanto já percebes o problema de andar a comutar correntes "altas".

Tás a desenhar os caminhos da corrente, boa, só assim é que um gajo percebe o que acontece.

Continuas a ter o condensador demasiado "longe". Ele tem que fazer decouple à bateria, só que tens um fio compridissimo a ligar o cap+ ao B+; esse fio vai actuar como uma inductância que separa o condensador do nó no topo (dreno dos FETs de cima) e quando cortares a corrente da bateria (desligando os FETs de baixo) a inductância (que ainda por cima é grande porque tens lá L4! é para quê, L4???) vai fazer subir a tensão no tal ponto dos drenos e o condensador vai estar demasiado longe para absorver essa subida (inductância = resistência para sinais rápidos). Para fios "não juntinhos" podes contar com ~10nH/cm de inductância. As regras são as mesmas do "decoupling", o cond. deve ser o mais possível "em cima dos pinos de alimentação", exactamente por causa da inductância parasita (o próprio cond. já tem ESL e ESR que chegue).

Para o teste da parte de potência recomendo o "double pulse". Começas por meter uns óculos de segurança e usar o tal relé de que te falei para carregar o cond. do controlador (lentamente com uma fonte com limitação de corrente) e desligas o relé. O cond. agora tem a tensão de alimentação para a ponte; assim a energia é limitada, caso algo corra mal. Fazes um programita para o micro dar apenas 2 pulsos, isto é, ligar os FETs de baixo 2 vezes. A 1ª vez é para fazer crescer a corrente no motor até ao valor de corrente que queres testar (que deve ser a corrente de pico que queres para o controlador), uma curtíssima pausa (1 periodo de PWM), e depois o 2º pulso é então um teste de comutação. Dessa forma podes verificar, de uma maneira controlada, os picos de tensão que tens nos FETs, experimentando vários valores de resistências de gate até chegares a um equilibrio decente entre tempo de comutação curto e transientes baixos. O tamanho do 1º impulso tem que ser calculado de acordo com B+ e a inductância do motor (não esquecer a bobina), ou começa com um valor mto conservador e vai aumentando até a corrente chegar ao valor que queres.
Como este teste é curto e espaçado no tempo não precisas de meter já os dissipadores. Mete um botão no micro a dar a ordem para fazer o double pulse. Deves encontrar cenas na net sobre este método.

Ahh! Parece-me que falta aí uma cena bué importante, resistências gate-fonte nos FETs de baixo, para garantir qe estão desligados se não estiverem a ser "driven".

[Crazyaboutmachines]

Obrigado Dropes já confirmei e eles estão ligadas, realmente e meio complicado ver num desenho, depois se isto funcionar vou ver se passo o layout para software.

NJay obrigado também pela ajuda, não sei como percebes tanto disto mas depois disto acabar tens de me dar mais referencias : P

Quanto ao condensador eu percebo, a questão e que agora para alterar a posição dos componentes é complicado pois já soldei tudo (ver pasta “fotos” na drop) (mas também naquele layout base não estava a ver maneira de encurtar o caminho muito mais). Também não sei o que esta la a fazer L4 se queremos pouca indutância bateria-controlador mas e o que os ingleses têm no esquema..

Quanto a essa experiencia poderia continuaria a alimentar a parte de controlo normalmente com as baterias certo? A única diferença seria cortar o B+ a parte de potência apenas carregando o condensador? (Eu terei de carregar o condensador com as baterias+ uma resistência pois não tenho fonte de corrente nem aceso a uma).

Por ultimo quanto a resistência gate-source dos MOS inferiores é estranho pois os ingleses não a têm (se calhar já esta implementado no driver IR2125), mas já agora que valor recomendariam aprox? Tem de ser alto relativamente a resistência driver-gate certo? Mas quanto 1k? 22k?

[Njay]

Sim claro, podes carregar o cond. com uma resistência (depois terás que fazer um circuito ou um esquema de pré-carga). Não te esqueças que depois ele fica carregado

Ya, a parte de controlo continua a ser alimentada normalmente, só precisas de controlar à parte a secção de potência. Normalmente será a secção de controlo a dar a ordem final para activar o relé, e ela poderá também tratar de fazer a ré-carga. Também convém meteres já um fusível.

Eu pessoalmente quero a resistência gate-source lá sempre e junto ao FET; não sei qual é o comportamento do driver quando não tem power, mas de qualquer forma, ainda há componentes entre o driver e o FET, portanto é melhor garantir uma R junto ao FET. Eu uso 10K - 22K .

Nunca vi L4 em nenhum circuito. Génio ou azelhice dos ingleses? Não sei. Sei que L4, depois de estar carregada com Ion, não vai gostar que lhe cortem a refeição, certo? Compara com L5 (e o motor), em que Ion e Ioff passam lá - o que fazem dela uma inductância feliz

Este doc curto tem umas luzes sobre double pulse testing:
http://www.athenaenergycorp.com/wp-content/uploads/2012/11/double-pulse-testing.pdf

Com esse layout e o cond tão longe, começa o teste bem devagarinho, tipo com uma resistência de gate de 560 - 1000 Ohm (FETs de baixo). Era muitas vezes preferível o power entrar directo ao condensador e depois teres linhas mais compridas para o resto do circuito como ao contrário como tens. Como tens, o nó A vê a inductância de todo o loop da bateria (+ L4); se o power fosse 1º ao cond., o cond. desacopolava essa inductância e a inductância que o nó A via já era apenas a do loop cond - FETs (a que marquei a amarelo), portanto muito mais baixa.

Fica atento à temperatura dos FETs, o teste é curto mas convém verificar sempre após cada teste. Não me lembro de ver serem usados FETs como diodos. Há aqui um "caveats" que é o "matching" deles; se a curva I-V de ambos for muito deslocada, há um que acaba por fazer o grosso do trabalho e ser mais stressado que o outro. Esse deverá aquecer (ainda) mais. Normalmente devem estar bem acopolados térmicamente, de forma a que se um é mais stressado, esse aquece mais, e força o outro a aquecer mais também, o que faz com que o outro conduza mais, resultando numa tentativa de re-equilibrio do trabalho.

p.s. Achas que percebo muito? lol... devias ver um profissional!

[dropes]

Questionário rápdo: se a ligação controlador <-> bateria de 24V for equivalente a um inductor de 1uH, estiverem 25A a vir da bateria e os FETs cortarem a corrente desligando em 1us, que tensão se atinge no rail B+ do controlador?

Como é que chegaram ao valor de 49V?
Peço desculpa por ter mencionado as gates em aberto, já me tinham respondido que estavam a fazer de díodos rápidos,  como não estou habituado a ver nessa configuração, esbarro-me.
De qualquer forma, quando andava a testar pontes com 4 mosfets TO220, se ultrapassasse os 3A já começavam a aquecer, agora 20A 

[Njay]

Tens bué espaço entre os FETs, *bué* espaço mesmo. Em qualquer controlador destes eles estão todos coladinhos uns aos outros, exactamente para reduzir ao máximo as inductâncias parasitas. Eventos como a Irr (diode reverse recovery current) podem meter transientes de centenas de A a circular pelos FETs + condensador mesmo que a corrente de pico no motor do teu controlador sejam só 10A, sendo que para manter isso sob controle tens que ligar os FETs de baixo "devagarinho".

[Njay]

Se tiveres 25A de corrente vinda da bateria de 24V a atravessar a inductância, quando cortas a corrente a bobina tenta manter essa corrente a fluir e *no mesmo sentido*, daí que ela transforma-se numa fonte de corrente e gera tensão ela própria para forçar essa corrente a circular. Para tempos curtos face à constante de tempo da bobina + resistência-no-seu-caminho ("LR", naquela equação exponencial tipica da "carga/descarga" de uma bobina), pode usar-se a equação diferencial que é linear: v = L x di/dt . Isto quer dizer que, *do ponto de vista da bobina*, ela gera uma tensão que é a sua inductância multiplicada pela variação da corrente por unidade de tempo. Neste caso, há uma variação de 25A em 1us e o valor da inductância é 1uH. Daí que a tensão gerada é 1uH x 25A / 1us o que dá 25V. Como a bobina está em série com os 24V da bateria, as tensões somam-se e o resultado é 49V.

É fácil fazer um ficheiro LTspice para simular esse caso, ver em anexo.

[dropes]

Obrigado pela explicação Njay, nunca chegaria lá e é mais uma coisa que se aprende. 
Fiz a simulação no LTspice e confirmou ser esse valor, costumo usar o Multisim e não abre bem esse tipo de ficheiros, já tinha tentado antes fazer essa simulação e o valor andava muito longe dos 49V, devo ter metido os pés pelas mãos...

[Crazyaboutmachines]

Pessoal o controlador funcionou!!!! : D
Hoje testamos ele com PWM de 25kHz (apenas porque não soube mudar o código do Arduíno, e não queria mesmo adiar o teste).
O teste foi sem carga ou seja motor em vazio por isso não consumiu muita corrente mas já foi um bom começo.
Eu vou ter de fazer uma pausa nisto por causa de uns exames da faculdade mas se estes correrem bem depois no fim da próxima semana volto a isto em força para fazer mais testes sobre cargas e mais altas amperagens etc e porei aqui informação, mais uma vez muitíssimo obrigado pela vossa ajuda desde a comunicação usb-serial ate as indutâncias ajudaram-me aqui no fórum em muita coisa.