Ontwerpen van vermogensversterkers voor elektromotoren (24V ,110VDC, 220V)

Goedemiddag allen,

Ik heb een vraag omtrent het ontwerpen van DC motor controllers m.b.v. een microcontroller.

Allereerst wat over mijn achtergrond, aangezien dit mijn eerste post is, zodat jullie een klein beetje weten wat ik wel- en niet kan.

Vorig jaar ben ik afgestudeerd aan de Hogeschool Utrecht, opleiding Electrical Engineering, nu bezig met een master Electrical Engineering.

Affijn, nu ben ik mijzelf meer aan het verdiepen (vooral lekker hobbyen) in het aansturen van wat zwaardere verbruikers, voornamelijk elektromotoren.

Nu loop ik tegen een aantal zaken aan, met name op het gebied van hardware dat benodigd is om het vermogensgedeelte te regelen. Ik kom er langzaam maar zeker achter dat vermogenselektronica eigenlijk geen onderdeel is in mijn vorige en huidige opleiding, waardoor ik veel kennis mis rondom het ontwerpen van versterkersschakelingen van tussen de 1 en 10A, zowel DC als AC. Voor nu wil ik mij focussen op DC motoren.

Zoals je kunt raden, wil ik meer kennis opdoen omtrent het ontwerpen van vermogensversterkers binnen de aandrijftechniek. Natuurlijk kan ik een motortje laten draaien met een PWM signaal en een mosfet, maar alle motordrivers die ik zie in allerlei producten (scootmobiels, robotarmen, aandrijfbanden etc.) bestaan uit veel meer componenten dan alleen een FET en een paar weerstanden.

Mijn vraag: hoe kan ik het beste praktische (en bijbehorende theoretische) kennis opdoen op het gebied van vermogenselektronica? Voor nu ben ik bezig met het ontwerpen van een versterker van een PWM signaal (gegenereert door microchip uC) voor een 110VDC motor, welke ongeveer 4A trekt. Waar oh oh waar moet ik beginnen?

Je ziet tegenwoordig steeds meer BLDC motoren. En een goede aansturen doet ook aan "regenerative braking". De uiteindelijke aansturing gaat dan met Mosfets of met IGBT's.

En terugmelding naar de aansturing is dan een toerental sensor, temperatuur sensor en stroom sensor.

Volgens mij is er op het internet wel veel te vinden met deze zoektermen.

De term "vermogens-versterker" ben ik nog niet tegengekomen rond de aansturing van motoren. Daar ga je weinig mee vinden.

PS De aansturing van een motor in bijv een Tesla is uiteindelijk ook niet meer dan een 6-tal IGBT's. Maar dan gaat het wel over 400kW op 500VDC, dus rond 800A max. Dan wil je wel heel zeker weten dat alles goed blijft gaan.

[Bericht gewijzigd door deKees op (19%)]

Je doet een Master? Think big. Ga een keuzevak over power electronics volgen zou ik zeggen. Desnoods bij een andere TU. Grijp de kans die je nu hebt.

Hallo, welkom op dit forum! Zomaar wat losse ideetjes:

* volg dit forum, en ook de rubriek "vraag en aanbod"; er passeren wel eens vragen inzake aandrijftechniek, bv. het automatiseren van veevoer en de toevoer/distributie daarvan;
* zet een advertentie "aangeboden": student(e)/stagiaire beschikbaar voor klussen inzake electro-aandrijftechniek;
* let op correcte terminologie: inderdaad niet "versterker", wel "motorregelaar";
* denk bij al uw ontwerpen en projecten aan het mogelijk falen: als men een motor aanstuurt "totdat de eindloopschakelaar triggert" en die eindloopschakelaar gaat defect, dan komt er ellende van. In dit geval is het simpel: men stuurt de motor "totdat de eindloopschakelaar triggert, met een max. van 2 minuten".

Sukses gewenst!

Op 9 mei 2023 15:33:14 schreef deKees:
Je ziet tegenwoordig steeds meer BLDC motoren.
...
PS De aansturing van een motor in bijv een Tesla is uiteindelijk ook niet meer dan een 6-tal IGBT's. Maar dan gaat het wel over 400kW op 500VDC, dus rond 800A max. Dan wil je wel heel zeker weten dat alles goed blijft gaan.

De meeste grotere synchroonmotoren zijn AC motoren met permanentmagneten (ook bij Tesla dus) of steeds vaker Synchrone reluctantiemotoren, al dan niet met hulpmagneten.
BLDC is volgens mij meer voor de kleinere motoren.

Industriële servo's zijn tegenwoordig altijd AC motoren en de oude vertrouwde AC inductiemotor gaat het afleggen tegen de reluctantiemotor.

@GJ_: BLDC en PMSM (permanent magnet synchronous motor) zijn ongeveer hetzelfde; het verschil zit in manier van wikkelen en daarmee de vorm van de tegen-EMK (trapezoide versus ongeveer sinusvormig), maar de termen worden door elkaar gebruikt, en voor de aansturing maakt het ook niet zoveel uit.

@kojazz: ik had ooit een collega met een universitaire opleiding electrical engineering, met een major in power electronics, en die had na zijn opleiding nog nooit een echte MOSFET gezien.

@TS: eigenlijk zijn de meeste motordrives in de basis vrij eenvoudig; je hebt 2 (voor DC motoren) of 3 (voor BLDC/PMSM/AC motoren) halve bruggen, die op de juiste manier aangestuurd moeten worden.

Het eenvoudigste is om te beginnen met bestaande hardware, en daar de aansturing bij de maken, maar je kunt het natuurlijk ook zelf bouwen. Zorg in ieder geval dat je altijd de stroom door de motorfasen kunt meten, dat heb je echt nodig voor een goede besturing.

De kennis die je het hardst nodig gaat hebben, is control systems.

De kennis die je het hardst nodig gaat hebben, is control systems.

Sorry, hoor, maar is die term "control systems" niet heel erg breed? Dat kan alles omvatten, van de kamertermostaat van de C.V. tot en met de vluchtbesturingscomputer van een ruimtetuig.

Maar ik ben het wel met u eens: een motor aansturen is op zich niet zo lastig, de hele uitdaging zit inderdaad in het regelen van die aansturing.

Op 9 mei 2023 16:03:42 schreef kojazz:
Je doet een Master? Think big. Ga een keuzevak over power electronics volgen zou ik zeggen. Desnoods bij een andere TU. Grijp de kans die je nu hebt.

Daar had ik ook al aan gedacht, dat is echter nog niet makkelijk gedaan..
Bovendien is dat heel veel theorie, en ik wil juist de kennis uit de praktijk halen. De theorie erachter heb ik denk ik ook redelijk onder de knie.

Waar ik meer naar op zoek ben is voorbeelden uit de praktijk waar toelichting bij gegeven wordt over bijvoorbeeld componentkeuze. Zo kan ik me herinneren dat ik hier wel is wat heb voorbij zien komen over een 110V motorregelaar voor een scootmobiel oid.

De berekeningen van de fets e.d. snap ik wel, maar vooral het verzinnen van de schakeling eromheen en het oplossen van problemen die bijvoorbeeld komen kijken wanneer je een PWM signaal gebruikt om een FET te schakelen.

Op 9 mei 2023 17:39:41 schreef SparkyGSX:

Het eenvoudigste is om te beginnen met bestaande hardware, en daar de aansturing bij de maken, maar je kunt het natuurlijk ook zelf bouwen. Zorg in ieder geval dat je altijd de stroom door de motorfasen kunt meten, dat heb je echt nodig voor een goede besturing.

De kennis die je het hardst nodig gaat hebben, is control systems.

ik wil voor nu mijn gebied vooral beperken tot gelijkstroommotoren, dat lijkt mij de mooiste (en eenvoudigste) instapper.

Is dat wel zo? Een BLDC is eigenlijk ook maar een draaistroommotor, en is op de koop toe nog met handen en voeten gebonden aan de stuurelektronica. Zeker niet eenvoudiger dan een driefase wisselstroommotor.

Je kunt ook op zoek naar datasheets van motor driver chips.
Daar zit meer in dan je ooit zelf kunt bedenken.

Zie bijv https://www.st.com/resource/en/datasheet/vnh7070as.pdf

Microchip heeft ook wel wat pdf's die interessant kunnen zijn.
Dit onder meer:
https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/00905B.pdf
https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/chapter%205.pdf
https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/00000893B.pdf
https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00696a.pdf

Op 9 mei 2023 18:28:40 schreef Paulinha_B:
Sorry, hoor, maar is die term "control systems" niet heel erg breed? Dat kan alles omvatten, van de kamertermostaat van de C.V. tot en met de vluchtbesturingscomputer van een ruimtetuig.

Op een universiteit is "control systems" gewoon een vak dat je kunt volgen. Wat je daarvan nodig hebt, is het begrip van processen, stabiliteit, demping, fase marges, etc.

Voor nu ben ik bezig met het ontwerpen van een versterker van een PWM signaal (gegenereert door microchip uC) voor een 110VDC motor, welke ongeveer 4A trekt. Waar oh oh waar moet ik beginnen?

Hoewel het technisch denk ik wel onder de naam versterker valt noemen we dit eigenlijk nooit zo.

Vanuit de microcontroller komt er dan een PWM signaal dat soms direct een fet aanstuurt en soms zit daar een fgate-driver tussen. Dus iov versterker is het bij motoren vaak een of andere driver schakeling. Doet in p[principe hetzelfde als een versterker maar het heet anders.

een PWM signaal en een mosfet, maar alle motordrivers die ik zie in allerlei producten (scootmobiels, robotarmen, aandrijfbanden etc.) bestaan uit veel meer componenten dan alleen een FET en een paar weerstanden.

In een lasapparaat werkt het wel precies op die manier, maar daar draait de motor maar 1 kant op. Een scootmobiel wil toch ook achteruit kunnen en dan heb je minimaal 4 fets in een h-brug nodig.

Daarnaast zijn er ook vrijloop diodes nodig om de fets te beschermen en veel capaciteit in de vorm van condensatoren om inductie pieken uit de motor tijden het afremmen op te vangen. En bij gebruik van een microcontroller de nodig filteringen op de signalen van en naar de uC en voor de voeding.

Wat ik eigenlijk wilt zeggen een simpel schakeling word al snel wat complexer omdat je de boel ook heel wilt houden en er niet dat microcontroller in war raakt en continu reset door allerlei storingen

Op 11 mei 2023 13:04:48 schreef SparkyGSX:
[...]Op een universiteit is "control systems" gewoon een vak dat je kunt volgen. Wat je daarvan nodig hebt, is het begrip van processen, stabiliteit, demping, fase marges, etc.

Ah, dankje. In mijn (primitieve en ouderwetse) wereld heet dat "meet- en regeltechniek" :)

Op 9 mei 2023 15:06:48 schreef Vrijmakerrr:
Affijn, nu ben ik mijzelf meer aan het verdiepen (vooral lekker hobbyen) in het aansturen van wat zwaardere verbruikers, voornamelijk elektromotoren.

Hier een paar voorbeelden.

Kijk op blz-90.

https://www.circuitsonline.net/artikelen/view/46

https://www.circuitsonline.net/schakelingen/159/modelbouw/1q-motorrege…

https://www.circuitsonline.net/artikelen/view/41/5

Als je vragen hebt mag je me ook een mail sturen, adres staat bij mijn gegevens.

@Lambiek: ga je nu serieus voorstellen dat iemand een dergelijk control system gaat maken in Profilab Expert? Daar heb je echt hele korte cyclustijden voor nodig (in de ordegrootte 1-10ms) die je echt niet gaat halen over USB, en daarbij moet het een real-time systeem zijn, waardoor windows sowieso keihard afvalt. De standaard Linux kernel is ook niet echt geschikt, omdat ook die geen reactietijden kan garanderen.

Dit soort systemen maak je met microcontrollers, FPGAs, of andere embedded systemen met een real-time OS, of helemaal zonder OS op bare metal.

Op 11 mei 2023 23:54:04 schreef SparkyGSX:
ga je nu serieus voorstellen dat iemand een dergelijk control system gaat maken in Profilab Expert?

Nee joh, het gaat alleen om het schema wat op blz. 90 staat. Daar stuur ik 180VDC motoren mee aan. Hij vroeg om schema's toch.

Dit soort systemen maak je met microcontrollers, FPGAs, of andere embedded systemen met een real-time OS, of helemaal zonder OS op bare metal.

Dat is mij bekend. :)

De TS wil feeling opdoen met de praktijk. Misschien is het een idee om op marktplaats naar gebruikte / defecte e-steps, e-bikes, invaliden karretjes, hooverboards en dat soort materiaal te gaan kijken, en daarmee te experimenteren.

Op 12 mei 2023 11:21:10 schreef Lambiek:
Nee joh, het gaat alleen om het schema wat op blz. 90 staat. Daar stuur ik 180VDC motoren mee aan. Hij vroeg om schema's toch.

Mijn fout! Ik had de referentie naar blz. 90 gemist. Ik snapte het al niet; we hebben weliswaar een andere voorkeur voor het type microcontroller, maar jij gebruikt ze ook volop.

Op 12 mei 2023 14:48:08 schreef SparkyGSX:
Mijn fout! Ik had de referentie naar blz. 90 gemist. Ik snapte het al niet; we hebben weliswaar een andere voorkeur voor het type microcontroller, maar jij gebruikt ze ook volop.

Maakt niet uit. :)

Maar aan de andere kant kan het ook prima via Profilab. Maar dan gebruik je Profilab als MMI en de controller handelt het dan af.

Hier een voorbeeld met een frequentie regelaar.

https://www.youtube.com/watch?v=_L4_cu7U0Pk&pp=ygURaGFycnkgdmFuIHp…

Had een klein spelfoutje gemaakt, moet uiteraard BRAKE zijn. |:(