Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W

ghost666 12 Apr 2019 12:51 8874 23
  • Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W
    Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W
    Autor opisywanego poniżej modułu właśnie pracuje nad przerobieniem swojego roweru na napęd elektryczny. Zgromadził już odpowiedni silnik (silnik DC pochodzący z mechanizmu drzwi przesuwnych) oraz pakiet baterii o napięciu 84 V, pasującym do silnika.

    Kolejnym elementem, koniecznym do sterowania obrotami silnika, jest kontroler. Ogranicza on ilość energii trafiającej do silnika, by sterować jego prędkością obrotową. Niestety większość kontrolerów, dostępnych na rynku nie może pracować przy tak wysokim napięciu. Dlatego też autor konstrukcji zdecydował się na zaprojektowanie i budowę własnego kontrolera PWM, który mógłby współpracować z silnikiem o wyższym napięciu.



    Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W
    Krok 1: Potrzebne elementy i narzędzia

    Do realizacji tego projektu potrzebne będą podstawowe narzędzia elektroniczne, takie jak:

    * Lutownica
    * Odsysacz do cyny
    * Małe kombinerki
    * Obcinaczki boczne.

    Dokumentacja płytki drukowanej oraz lista potrzebnych elementów może zostać odnaleziona tutaj.

    Krok 2: Projektowanie kontrolera

    Ponieważ staramy się kontrolować prędkość obrotową silnika prądu stałego, możemy użyć dwóch technologii: konwertera (przetwornicy) typu buck, który obniży napięcie zasilające uzwojenie silnika albo sterowanie PWM (modulacja szerokości impulsu). Budowa własnej przetwornicy jest dosyć skomplikowana, więc autor zdecydował się na modulację PWM. Metoda ta jest stosunkowo prosta, wystarczy kontrolować z wysoką częstotliwością prędkość, z jaką bateria jest łączona i rozłączana z silnikiem. Aby zmienić prędkość, zmienia się czas połączenia przełącznika pomiędzy obciążeniem - silnikiem - a ogniwem.

    Przełączania napięcia nie można zrealizować z wykorzystaniem przełącznika mechanicznego - żaden z nich nie mógłby być poddawany tak dużym i ciągłym obciążeniom, więc odpowiednim wyborem dla takich zastosowań jest tranzystor MOSFET z kanałem typu N. Konieczne jest dobranie odpowiedniego modelu do naszych wymagań - częstotliwości przełączania, napięcia pracy i przepływającego prądu.

    Do sterowania tranzystorami w systemie potrzebny jest nam sygnał PWM. Generować będziemy go w systemie z wykorzystaniem klasycznego układu 555. Jest to prosty, uniwersalny timer, który pozwala na budowę wielu urządzeń, między innymi właśnie sterowanego potencjometrem generatora przebiegu PWM. W układzie takim częstotliwość przełączania jest stała, a zmiana pozycji potencjometru zmienia wypełnienie przebiegu.

    Układ NE555 zasilany może być napięciem stałym do 15 V. Nie można zasilić go bezpośrednio z ogniw obecnych w systemie. Dlatego też autor dodał moduł zasilacza impulsowego, opartego o układ scalony LM5008. Jest to przetwornica typu buck, która obniża w systemie napięcie z 84 V do 10 V, które wykorzystywane jest do zasilania timera 555 oraz wentylatora, chłodzącego tranzystory.

    Autor, z uwagi na duży prąd płynący w systemie, wykorzystał cztery tranzystory MOSFET IRFPC60LC połączone ze sobą równolegle. Każdy z elementów może pracować z napięciem Vds do 600 V i prądem drenu do 16 A (w temperaturze pokojowej). Połączone cztery takie tranzystory osiągają 64 A prądu sterownika, co przy napięciu zasilania 84 V daje ponad 5 kW - dużo więcej, niż potrzebne jest do sterowania silnikiem w tym rowerze (ok 2000 W).

    Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W
    Krok 3: Projektowanie PCB

    Po ukończeniu schematu urządzenia, przystąpić można do projektowania jego PCB. Zaprojektowanie dedykowanej płytki drukowanej dla urządzenia pomoże nam nie tylko w estetyczny i kompaktowy sposób połączyć ze sobą wszystkie elementy, ale pozwoli także na wykorzystanie tego modułu PWM w innych projektach DIY, nie tylko takich z silnikami prądu stałego. Modulacja PWM idealnie nadaje się na przykład do sterowania grzałkami.

    Pomysł zaprojektowania płytki drukowanej może wydawać się wymagającym wielu wysiłków, ale warto mieć swoje własne płytki drukowane. Mając to na uwadze, autor zaprojektował płytkę drukowaną dla modułu kontrolera prędkości.

    Podczas projektowania PCB jest wiele zasad, o których musimy pamiętać (napisano o tym na Elektrodzie wiele - chętnie wskażę gdzie - przyp.red.). W przypadku tak nieskomplikowanego urządzenia, najważniejsze o czym musimy pamiętać, to zapewnienie odpowiedniej szerokości ścieżek prądowych. Wysoki prąd, jaki płynąć ma przez tranzystory, do silnika, płynąć będzie także przez laminat, dlatego też musimy zadbać, aby miał którędy.

    Na PCB autor dodał również otwory montażowe, które ułatwią instalację modułu w gotowym rowerze, a także miejsce na zainstalowanie radiatora i wentylatora, które będą chłodziły pracujące tranzystory MOSFET.

    Krok 4: Zamawianie PCB

    Unikalna dla naszego projektu płytka, to chyba najtańszy z dedykowanych elementów, jaki można sobie wyobrazić. Nie trzeba zamawiać go w hurcie, ani ponosić wysokich kosztów oprzyrządowania. Po zakończeniu projektu wystarczy wygenerować pliki z dokumentacją (najczęściej w formacie Gerber) i wysłać je do wybranego przez nas zakładu.

    Obecnie na rynku jest wiele zakładów - w Polsce i za granicą - specjalizujących się w niskoseryjnej i prototypowej produkcji płytek drukowanych dla hobbystów i profesjonalistów.

    Tutaj znajdziemy zestawienie dziesięciu zakładów produkujących w Chinach płytki drukowane. Realizację naszego projektu zlecić możemy w każdej z tych firm. Jest też szereg firm w Polsce, które zajmują się takimi krótkimi seriami.

    Krok 5: Montaż PCB

    Po otrzymaniu płytki drukowanej z zakładu produkcyjnego możemy przystąpić do montażu. Elementy jakie znajdują się w BoMie możemy przygotować sobie zawczasu.

    Aby ułatwić sobie montaż, musimy zacząć od najmniejszego elementu na PCB.W naszym przypadku jest to konwerter LM5008 oraz komponenty SMD. Po wlutowaniu drobnych elementów dyskretnych i scalonej przetwornicy LM5008, możemy wlutować większą cewkę zasilacza i zacząć lutować większe elementy. Finalnie zainstalować powinniśmy elementy przewlekane - timer 555, a potem tranzystory mocy.

    Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W
    Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W
    Krok 6: Instalacja systemu chłodzenia

    Przy tak ogromnej ilości mocy, z jaką do czynienia mamy w budowanym sterowniku, wydzielać będzie się sporo ciepła. Głównie grzać będą się tranzystory MOSFET, dlatego też musimy zapewnić im odpowiednie chłodzenie. Jest to realizowane z pomocą radiatora z wentylatorem, który zamocowany jest na tranzystorach moc w układzie.

    Po zainstalowaniu radiatora, układ jest gotowy do działania.

    Krok 7: Testowanie kontrolera

    Aby przetestować kontroler, użyjemy zestawu ogniw o napięciu nominalnym 84 V, który zbudowaliśmy dla naszego roweru elektrycznego. Sterownik jest tymczasowo podłączony do akumulatora i silnika, który jest przymocowany do roweru, tak aby napędzać tylne koło.

    Kiedy przełączyłem przełącznik, sterownik dostaje zasilanie - zasilany jest wentylator nadmuchujący powietrze na radiator tranzystorów MOSFET. Obracając potencjometr zgodnie z ruchem wskazówek zegara, silnik powinien zacząć się stopniowo obracać i zwiększać prędkość proporcjonalną do obrotu pokrętła.

    Krok 8: Gotowy układ

    Na tym etapie sterownik prędkości silnika DC jest gotowy i spełnia wszystkie oczekiwania dotyczące działania. Kontroler działa z łatwością z baterią 84 V i płynnie kontroluje prędkość silnika.

    Aby przetestować ten sterownik prędkości na realnym obciążeniu, musimy zakończyć budowę roweru i zamontować wszystko na swoim miejscu. Tak więc informację na temat wydajności przy obciążeniu dostępne będą dopiero w przyszłości, gdy powstanie cały rower.

    Źródło: https://www.instructables.com/id/DIY-PWM-SPEED-CONTROLLER/

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10259 posts with rating 8532, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • MetalWorkMetalWork
  • #2
    User removed account
    User removed account  
  • #3
    ArturAVS
    Moderator of HydePark/Cars
    ghost666 wrote:
    Metoda ta jest stosunkowo prosta, wystarczy kontrolować z wysoką częstotliwością prędkość, z jaką bateria jest łączona i rozłączana z silnikiem

    PWM nie polega na regulacji częstotliwości, tylko stosunku czasu włączenia do wyłączenia.
  • #4
    krisRaba
    Level 30  
    Nie dziwię się, że tranzystory tak mu się grzeją, skoro steruje wszystkie naraz z NE555 przez rezystor 1k ;) Pewnie bramki dłuuugo się przeładowują... niby to jakieś Ultra Low Gate Charge, ale takie sterowanie to błąd. Ma jeszcze 1k do masy, więc dodatkowo tworzy się dzielnik, stąd jeśli NE555 zasilane z 10V, to na bramce po dzielniku ma max 5V.. na tranzystorze, który ma Vgsthmax=4V ;) A niby chce wycisnąć z niego jak najwięcej...
    https://www.vishay.com/docs/91244/91244.pdf - Fig.3 ;)
  • #5
    lodzik1990
    Level 18  
    Napięcie dla wentylatora i ne555 można było pozyskać z kilku połączonych ze sobą szeregowo akumulatorków - wystarczy wyciągnąć odczep z szeregu,a tak autor musi zbijać napięcie z 84V do 15V.
  • #6
    krisRaba
    Level 30  
    Ok, widzę, że z rezystorami eksperymentował ;) Na filmiku na schemacie jest 1k i 1k, w materiałach pod linkiem 1k i 3k... Trochę lepiej z uwagi na Vgsth, ale i tak ten 1k szału nie robi ;)
  • MetalWorkMetalWork
  • #7
    Janusz_kk
    Level 29  
    555 ma max prąd 150mA, przy 10V i powiedzmy 100mA mozna dać 100om i wtedy nawet tego wentylatorka nie będzie potrzebował.
  • #8
    radiosimon
    Level 28  
    I wszystkie prądy bramek x4 bo połączył mosfety jak leci równolegle.
    Mi tam brakuje uczciwej diody na wyjściu zabezpieczającej przed szpilami. Już widzę jak układ będzie dostawał "w plecy" przy dużym obciążeniu. No chyba, że to zadanie dla 1N4007 przy złączu XT2 ;)
  • #9
    krisRaba
    Level 30  
    No ogólnie coś mu tam dzwoniło, ale nie wiedział w którym kościele ;) Układ "działa", więc pewnie nie wgłębiał się dalej. Ale ogólnie wykonując kilka poprawek, można doprowadzić to do ładu i używać ;)
    Ogólnie opis taki mało techniczny, bardziej filmikowo-bajerancki.
  • #10
    pawelr98
    Level 39  
    A ja zrobiłem taki kontroler na TL494.

    Drobna modyfikacja to pin DTC podciągnięty pod -250mV wygenerowane z akumulatora pomocniczego (zasila oświetlenie) za pomocą rezystora i diody schottkiego(stały spadek niezależnie od napięcia baterii). Dzięki temu sygnał PWM można regulować w pełnym zakresie.

    Wyjście TL494 odwracające (emitery tranzystorów do masy) i BD139/140 jako driver do bramek.

    Zapytacie czemu TL494 a nie NE555 ?

    W TL494 można bez problemu robić sterowanie sygnałem napięciowym podawanym na pin feedback.
    Prawie każda manetka dostępna na rynku daje sygnał napięciowy 0-5V.

    Dlatego projekty wykorzystujące potencjometr są po prostu bezużyteczne, no chyba że mamy zamocowany potencjometr na kierownicy. Miałem tak swego czasu(zanim przerobiłem sterownik z NE555 na TL494) i nie polecam, mało wygodne.
  • #11
    paluszasty
    Level 25  
    Ja widzę jeszcze jeden problem z tranzystorami. Trzymają się do radiatora tylko na paście. Wg mnie bezwzględnie należy je na sztywno przymocować do radiatora. Np dając na płytce PCG otwory pod śrubę M3 z łbem walcowym i gniazdem sześciokątnym. Wtedy można to ładnie do radiatora przykręcić.
  • #12
    mick
    Level 15  
    Z tego co widzę to te duże kondensatory są włączone równolegle do silnika, ciekawy ten układ. Do tego te sterowanie bez drivera przez spory opornik. Natomiast wygląd na zdjęciach całkiem...całkiem.
  • #13
    krisRaba
    Level 30  
    No takie czasy, że przede wszystkim ma wyglądać :-/

    Co do kondensatorów.. Ponieważ schemat był chyba przygotowany na konkurs "jak nie rysować schematów", to ciężko to potwierdzić. Niezły bajzel.
    Swoją drogą tłumacz nie zamieścił schematu. W źródle jest.
  • #14
    mick
    Level 15  
    Kondensatory są włączone równolegle do silnika bo to zauważyłem na płytce, a potem po żmudnej analizie schematu utwierdziłem się, że rzeczywiście tak jest. Ten prototyp moim zdaniem jest źle skonstruowany.
    Na filmie wlutowuje tranzystory IRFP4768, a nie IRFPC60LC.
  • #15
    Janusz_kk
    Level 29  
    Faktycznie, teraz dopiero zobaczyłem schemat :( kompletna beznadzieja, a kondesatory na wyjściu powinny być
    w szereg z opornikiem, jego brak to poważny błąd bo w ten sposób są przeciążane tranzystory.

    Dodano po 2 [minuty]:

    radiosimon wrote:
    I wszystkie prądy bramek x4 bo połączył mosfety jak leci równolegle.

    Nie, x1 bo wystarczy jeden opór na wszystkie tranzystory, bramki i tak mają połączone razem.
  • #16
    ArturAVS
    Moderator of HydePark/Cars
    Janusz_kk wrote:
    Nie, x1 bo wystarczy jeden opór na wszystkie tranzystory, bramki i tak mają połączone razem.

    Czyli pojemność bramek się sumuje, a wtedy trzeba więcej prądu....
  • #17
    krzysiek_krm
    Level 39  
    Janusz_kk wrote:
    bramki i tak mają połączone razem.

    To akurat jest dość poważny błąd konstrukcyjny.
  • #18
    mick
    Level 15  
    Kondensatory mają być na zasilaniu, mają zapobiec tętnieniom prądu przy szybkim przełączaniu tranzystorów, a co za tym idzie przepięciom, ale przy takim sterowaniu bramkami to tu szybkiego przełączania nie ma :)
  • #19
    Janusz_kk
    Level 29  
    arturavs wrote:
    Czyli pojemność bramek się sumuje, a wtedy trzeba więcej prądu....

    Teraz ma tam chyba 1k i jakoś działa, jak da 100om (jak juz liczyłem wcześśniej)
    to będzie to bezpieczny prąd dla 555 a prędkość załączania wzrośnie i straty znacznie spadną

    krzysiek_krm wrote:
    To akurat jest dość poważny błąd konstrukcyjny.
    .
    Bez przesady, to nie tranzystory biopolarne, tutaj mamy sterowanie głównie napięciowe,
    poza tym rozrzut parametrów współczesnych tranzystorów jest znacznie mniejszy niż kiedyś.
  • #20
    krzysiek_krm
    Level 39  
    Janusz_kk wrote:
    Bez przesady, to nie tranzystory biopolarne, tutaj mamy sterowanie głównie napięciowe,
    poza tym rozrzut parametrów współczesnych tranzystorów jest znacznie mniejszy niż kiedyś.

    Otóż nic właśnie, rzuć okiem na jakieś opracowanie pod tytułem "mosfet / igbt paralleling" i dowiesz się, że takie proste równoległe połączenia uwielbiają oscylować, czasami na bardzo dużych częstotliwościach.
    Generalnie należy separować bramki za pomocą oddzielnych rezystorów, które wprowadzają straty i "psują" potencjalne obwody rezonansowe.
    Niektórzy projektanci idą krok dalej i zmniejszają te rezystancje w bramkach ale dodają szeregowo perełki ferrytowe, które wprowadzają stratność na większych częstotliwościach.
  • #21
    UCY74164
    Level 3  
    arturavs wrote:
    ghost666 wrote:
    Metoda ta jest stosunkowo prosta, wystarczy kontrolować z wysoką częstotliwością prędkość, z jaką bateria jest łączona i rozłączana z silnikiem

    PWM nie polega na regulacji częstotliwości, tylko stosunku czasu włączenia do wyłączenia.


    Tak sobie myślę, że obydwaj Panowie mogą być w błędzie. Dlaczego.... Bo ważne jest czym ten PWM będzie sterował. Od tego zależy dobór częstotliwość PWM.

    Przykład. Elektrozawór do pełnego otwarcia potrzebuje O,5s . Czy będzie róznica jak wysteruje go częstotliwością 1Hz lub 1KHz? Naprawę częstotliwość nie ma znaczenia?

    Myślę, że stetownie układami mechanicznymi wymaga dynamicznej zmiany częstotliwość PWM w celu minimalizacji strat i rezonansów (lub nawet celowego ich wykorzystywania).
  • #22
    ukixx
    Level 21  
    UCY74164 wrote:

    Tak sobie myślę, że obydwaj Panowie mogą być w błędzie. Dlaczego.... Bo ważne jest czym ten PWM będzie sterował. Od tego zależy dobór częstotliwość PWM.

    Przykład. Elektrozawór do pełnego otwarcia potrzebuje O,5s . Czy będzie róznica jak wysteruje go częstotliwością 1Hz lub 1KHz? Naprawę częstotliwość nie ma znaczenia?

    Z częstotliwością PWM jest tak, że im jest niższa tym są większe tętnienia prądu, a im wyższa tym większe straty na przełączaniu tranzystorów.

    A co do projektu to autorem jest kompletny matoł amator nie mający żadnego pojęcia o elektronice. Zamiast dać elektrolity na zasilaniu sterownika to są równolegle do silnika czyli na wyjściu PWM, efekt - dołączanie rozładowanych kondensatorów bezpośrednio do baterii ok 2000 razy na sekundę, długo tak nie pociągną. Kondensatorów przy silniku nie powinno być wcale albo między nimi a sterownikiem powinien być dławik.

    Wybór tranzystorów też porażka, przy zasilaniu rzędu 90V tranzystory na 600V o wysokiej rezystancji kanału to kompletne nieporozumienie, jeżeli napięcie zasilania wynosi nie więcej jak 84V to mosfety na 100V spokojnie wystarczą.

    Zasilanie NE555 z 10V (napięcie na wyjściu mniejsze o ok 0.7V) i stosowanie dodatkowo dzielnika na jego wyjściu powoduje że na bramkę trafia niewiele ponad 4V (1k+1k) lub ok 7V (1k+3k), jest to stanowczo za mało. Napięcie na bramce powinno wynosić minimum 10V.

    Zwykłe diody 1N4007 w układzie pracującym na częstotliwości rzędu 2kHz to również jakieś nieporozumienie. Przy potencjometrze powinny być 1N4148 a diody zwrotne przy silniku co najmniej szybkie UF5402 (FR302) a najlepiej schottky.

    Jedyne co jest na plus to ładnie wykonana i zaprojektowana płytka, chociaż przy tylu błędach w projekcie jest kompletnie bezużyteczna i nadaje się co najwyżej do oprawienia w ramkę i powieszenia na ścianie. :lol:

    lodzik1990 wrote:
    Napięcie dla wentylatora i ne555 można było pozyskać z kilku połączonych ze sobą szeregowo akumulatorków - wystarczy wyciągnąć odczep z szeregu,a tak autor musi zbijać napięcie z 84V do 15V.

    Jasne że prościej, tylko zastanów się jak później naładować taką baterię. Sterownik z wentylatorem pobiera ciągle ok 100mA prądu, także po kilku godzinach pracy ta część ogniw będzie kompletnie wyczerpana podczas gdy reszta może być całkowicie naładowana.
  • #23
    jvoytech
    Level 1  
    Witam,

    W ramach ćwiczeń w rysowaniu schematów w KiCad sporadycznie biorę na ruszt te "trudne w czytaniu" i sobie je rysuje tak, żeby się je dobrze czytało. Oto moja "ulepszona" wersja źle zaprojektowanego (jak ktoś już poprzednio zaznaczył) obwodu:
    Kontroler obrotów PWM o mocy do 2000 W

    Myślę, że może to trochę zmniejszyć ból głowy osób, które będą próbować analizować to co jest w filmiku. :D
  • #24
    krisRaba
    Level 30  
    No! Dużo lepiej narysowany ten niepoprawny schemat ;)
    Ten z filmiku to naprawdę masakra... może autor chciał celowo tak to zagmatwać, żeby nie dało się zrozumieć co tam nawyrabiał :lol:

    PS. Przyślę do Ciebie kolegę :lol: Czasami nie mam już siły tłumaczyć czemu znowu coś mi się nie podoba w jego schematach :lol: Bo jak tłumaczę, to wydaje mi się, że absolutnie nie widzi w tym problemu ;) Może nie wygląda to tak jak w filmiku (dzięki Bogu), ale niektóre rzeczy wyglądają pokrętnie, bo tak się wkleiły, tak to było ułożone gdzie indziej itp. a że tutaj jest zupełnie nielogicznie względem reszty... ;) Dobra.. koniec narzekania ;)

    Dodano po 17 [minuty]:

    PS2. Nie wiem na jakim jesteś etapie i w jakim wieku, ale to dobre ćwiczenie, więc nie przestawaj, szczególnie jeśli to ma jakoś kreować Twoją przyszłość w zawodzie. Gdybyś przyszedł na rozmowę i pokazał kilka przypadków "before" i "after", to u mnie masz duży bonus za zrozumienie tematu i umiejętność odwikłania takich absurdów, jednocześnie porządkując je funkcjonalnie tak, że widać na pierwszy rzut oka co to robi.
    Przy bardziej zakręconych przypadkach (bo ten powyższy nie jest jakiś szczególnie złożony) nie bój się natomiast pisać po schematach, wstawiać wykresy istotnych zależności, grupować i etykietować...
    To bardzo pomaga jeśli bierze go potem do ręki ktoś, kto nie siedzi obok Ciebie, a musi to zrozumieć bez dopowiedzeń i np. zrobić PCB, albo odświeżyć konstrukcję. Wracając do czegoś po kilku latach też dobrze wiedzieć co było liczone i dlaczego, który element był istotny itp.
    Ostatnio np. miałem taki przypadek, że musiałem zmodyfikować jeden projekt po bardzo długim czasie. Ponieważ na schemacie zrobiłem sobie "ekstrakt" z różnych informacji, kilka wzorów co od czego zależy itp., to zmiana poszła gładko. Bez tego byłby powrót do kart katalogowych i zastanawianie się jak to w ogóle działało ;)