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Demolux(R)

29.11.2022,
16:28
(editiert von Demolux
am 29.11.2022 um 17:05)
 

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem (Elektronik)

Guten Tag Elko-Forum Community,

seit Jahr(zehnt?)en immer wieder Mitleser, nun mit aktivem Problem, bei dem wir uns in der Uni den Kopf zerbrechen... .

Schaltplan angehängt.

Kurz und knackig:
- Mit einem N20 DC Getriebemotor wird ein kleiner Linearantrieb realisiert (ca. 10 mm Hub).
- Angesteuert wird er über einen A4950t (Full-Bridge DMOS PWM Motor Driver): https://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/A4950-Datasheet.ashx
- Die eigentliche SMD-Steuerung wird mit einem ATtiny85 realisiert. Sie sitzt direkt neben dem Motor, die Anschlusskabel zum Motor sind ca. 2 cm lang.
- Insg. 4 Eingänge: GND, 5V Logikspannung, 24V Betriebsspannung und ein Steuerungssignal (High/Low)
- PWM-Steurung dient primär der Möglichkeit, den 12V Motor an 24V (oder anderen Spannungen) zu betreiben, sowie ihn kurzzeitig mit Überspannung zu betreiben (z. B. 18V)

Verhalten:
- Erstmaliges Anschalten oder Steuersignal auf HIGH -> Linearantrieb bewegt sich zum Endstop CUT.
- Endstop CUT erreicht oder Zeitlimit überschritten, Linearantrieb bewegt sich zum Endstop HOME.
- Endstop HOME erreicht, wartet auf neues Steuersignal HIGH.

Problembeschreibung:
Verhalten der Steuerung, erkennbar an den Motorbewegungen, ab einer Betriebsspannung von ca. 13,5 Volt unbestimmt (scheint ab ca. 20V den Motor dauerhaft an und auszuschalten, abwechselnd mit ca. 0,5 Hz. Zwischen ca. 13,5V und 20V funktioniert es sporadisch und hängt sich dann irgendwann mit dem 0,5Hz Fehlerbild auf. Unter 13,5 V Verhalten wie erwartet. Die Leitungslänge (getestet mit den notwendigen 2cm und 100cm) hat keinen nennenswerten Einfluss.

Vermutung:
EMF vom Motor stören die Schaltung, da die Steuerung ohne Motor zuverlässig funktioniert.

Lösung(sversuche):
100nF zwischen Motorpole -> Problem verlagert sich, Verhalten bereits ab ca. 11 Volt unbestimmt, ähnliches Fehlerbild nur mit kaum noch sichtbarer Motorbewegung
12 Volt Betrieb -> Funktioniert - aber wie zuverlässig? Außerdem können wir den Motor dann nicht mehr so flexibel ansteuern hinsichtlich der Spannung.

Ideen? Was haben wir übersehen? Optimierungsvorschläge am Schaltplan? Danke schonmal im Voraus.... das Problem plagt und schon seit Jahren. Bei der bisherigen THT-Steuerung haben wir den Motor einfach ganz weit weg gesetzt, mit ca. 70cm Anschlusskabel. Das klappte zuverlässig, allerdings wurde da z. B. auch ein anderer Motortreiber verwendet. Die Probleme waren sonst aber dieselben. Nun ist das aber keine Option mehr... .

Offroad GTI(R)

29.11.2022,
17:36

@ Demolux

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

Wie ist denn eure Spannungsversorgung für den Motor entstört/gepuffert?
Wie/wo sind die GND-Potentiale der 5V-Logik und der Motorspannung verbunden?

Wie realisiert ihr eine PWM-Steuerung ohne den Strommesswiderstand "RS"?

Pitsch

29.11.2022,
17:44

@ Demolux

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

» - Insg. 4 Eingänge: GND, 5V Logikspannung, 24V Betriebsspannung und ein
» Steuerungssignal (High/Low)
» - PWM-Steurung dient primär der Möglichkeit, den 12V Motor an 24V (oder
» anderen Spannungen) zu betreiben, sowie ihn kurzzeitig mit Überspannung zu
» betreiben (z. B. 18V)
»
» Verhalten:
» - Erstmaliges Anschalten oder Steuersignal auf HIGH -> Linearantrieb bewegt
» sich zum Endstop CUT.
» - Endstop CUT erreicht oder Zeitlimit überschritten, Linearantrieb bewegt
» sich zum Endstop HOME.
» - Endstop HOME erreicht, wartet auf neues Steuersignal HIGH.
»
» Problembeschreibung:
» Verhalten der Steuerung, erkennbar an den Motorbewegungen, ab einer
» Betriebsspannung von ca. 13,5 Volt unbestimmt (scheint ab ca. 20V den Motor
» dauerhaft an und auszuschalten, abwechselnd mit ca. 0,5 Hz. Zwischen ca.
» 13,5V und 20V funktioniert es sporadisch und hängt sich dann irgendwann mit
» dem 0,5Hz Fehlerbild auf. Unter 13,5 V Verhalten wie erwartet. Die
» Leitungslänge (getestet mit den notwendigen 2cm und 100cm) hat keinen
» nennenswerten Einfluss.
»
» Vermutung:
» EMF vom Motor stören die Schaltung, da die Steuerung ohne Motor zuverlässig
» funktioniert.
»
» Lösung(sversuche):
» 100nF zwischen Motorpole -> Problem verlagert sich, Verhalten bereits ab
» ca. 11 Volt unbestimmt, ähnliches Fehlerbild nur mit kaum noch sichtbarer
» Motorbewegung
» 12 Volt Betrieb -> Funktioniert - aber wie zuverlässig? Außerdem können wir
» den Motor dann nicht mehr so flexibel ansteuern hinsichtlich der Spannung.
»
» Ideen? Was haben wir übersehen? Optimierungsvorschläge am Schaltplan? Danke
» schonmal im Voraus.... das Problem plagt und schon seit Jahren. Bei der
» bisherigen THT-Steuerung haben wir den Motor einfach ganz weit weg gesetzt,
» mit ca. 70cm Anschlusskabel. Das klappte zuverlässig, allerdings wurde da
» z. B. auch ein anderer Motortreiber verwendet. Die Probleme waren sonst
» aber dieselben. Nun ist das aber keine Option mehr... .
»
»

Hallo Demolux

Ich vermute mal, dass das PWM Signal, über die Triggerflanken hinausläuft. Und zwar im High und im Low zustand. Somit beginnt der Motor zu Steppern, was sich wie ein Aus- und Einschalten bemerkbar macht.
Versuche mal die PWM-Trägerfrequenz etwas zu reduzieren und schau was passiert.
Vielleicht sind es auch Störsignale (vom Motor z.B) die das Trägersignal der PWM aus dem Tackt bringen.

Mit freundlichen Grüssen! Pitsch

Demolux(R)

29.11.2022,
18:01
(editiert von Demolux
am 29.11.2022 um 18:03)


@ Offroad GTI

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

» Wie ist denn eure Spannungsversorgung für den Motor entstört/gepuffert?
Aktuell noch Betrieb am Labornetzteil daher noch gar nicht. Allerdings kann das natürlich trotz Labornetzteil ein Problem sein oder? Bei langen Leitungen und den dünnen Steckbrettlitzen die wir nutzen, daran haben wir noch nicht gedacht. Aber das würde sich doch dann nicht so äußern? Egal, zum Ausschließen ist es uns allemal Wert das nach Vorschlag Seite 7 im A4950 Datenblatt zu puffern.

» Wie/wo sind die GND-Potentiale der 5V-Logik und der Motorspannung verbunden?
Auf dem Testboard (Steckbrett mit DC-DC-Wandler) off-PCB und auf der SMD-Platine selbst rückseitig mit einem Plane-GND, gesamtes Layer ist also Ground.

» Wie realisiert ihr eine PWM-Steuerung ohne den Strommesswiderstand "RS"?
Lt. obigem A4950 Datenblatt im Vorschlag Seite 7 kann an LSS z. B. für eine Begrenzung auf 2A ein 0.25 Ohm Strommesswiderstand "RS" hin, aber darauf haben wir verzichtet, da wir den Strom nicht begrenzen wollen. Der Motor braucht ohnehin nur 300 mA (12V). Nach dem wir das hier gefunden haben https://hackaday.io/project/12444-a-bridge haben wir da keine Probleme gesehen. Ich wüsste jetzt nicht welchen Einfluss das auf das Fehlerbild hätte - aber vll. sollte man das aus genau dem Grund tun. Bei einer Begrenzung auf 800 mA (Überspannungen müssen ja auch supported werden) bräuchten wir 0,625 Ohm.

-> Wir machen im nächsten Test den Strommesswiderstand hin und puffern die Eingangsspannung direkt an der PCB.

EDIT:
-> Außerdem variieren wir die Trägerfrequenz. Und hoffen in dem Sinne dass unser ISP-Header funktioniert...

Danke für die Fragen und Hinweise!

bigdie(R)

29.11.2022,
18:03

@ Demolux

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

Direkt am Pin 5 vom Treiber würde ich einen Elko 100µ setzen und einen Kero 100n

Demolux(R)

29.11.2022,
18:08

@ bigdie

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

» Direkt am Pin 5 vom Treiber würde ich einen Elko 100µ setzen und einen Kero
» 100n
Danke! Dann haben wir ja was zu tun die Woche.

gast

29.11.2022,
18:22

@ Demolux

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

» Auf dem Testboard (Steckbrett
oh je
gebrauchtes Steckbrett oh je oh je
» mit DC-DC-Wandler) off-PCB und auf der
» SMD-Platine selbst rückseitig mit einem Plane-GND, gesamtes Layer ist also
» Ground.

Offroad GTI(R)

29.11.2022,
18:38

@ Demolux

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

» » Wie ist denn eure Spannungsversorgung für den Motor entstört/gepuffert?
» Aktuell noch Betrieb am Labornetzteil daher noch gar nicht. Allerdings kann
» das natürlich trotz Labornetzteil ein Problem sein oder? Bei langen
» Leitungen und den dünnen Steckbrettlitzen die wir nutzen, daran haben wir
» noch nicht gedacht. Aber das würde sich doch dann nicht so äußern? Egal,
» zum Ausschließen ist es uns allemal Wert das nach Vorschlag Seite 7 im
» A4950 Datenblatt zu puffern.

» » Wie/wo sind die GND-Potentiale der 5V-Logik und der Motorspannung
» verbunden?
» Auf dem Testboard (Steckbrett mit DC-DC-Wandler) off-PCB und auf der
» SMD-Platine selbst rückseitig mit einem Plane-GND, gesamtes Layer ist also
» Ground.
Ohje wurde ja schon gesagt.
So ein fliegender Aufbau mit Steckbrettern ist halt großer Mist.
Dort etwas optimieren zu wollen ist schwierig.
Leiterplatten kosten heute doch kein Geld mehr. Ihr könnt ja eine Leiterplatte entwerfen, wo ihr die Module auflöten könnt. Da kann dann auch gut die korrekte GND-Verbindung und Pufferung der Versorgungsspannung beachtet werden.

Demolux(R)

29.11.2022,
20:48
(editiert von Demolux
am 29.11.2022 um 20:55)


@ Offroad GTI

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

» Ohje wurde ja schon gesagt.
» So ein fliegender Aufbau mit Steckbrettern ist halt großer Mist.
» Dort etwas optimieren zu wollen ist schwierig.
» Leiterplatten kosten heute doch kein Geld mehr. Ihr könnt ja eine
» Leiterplatte entwerfen, wo ihr die Module auflöten könnt. Da kann dann auch
» gut die korrekte GND-Verbindung und Pufferung der Versorgungsspannung
» beachtet werden.

Kam vielleicht falsch rüber:

Das Steckbrett trägt lediglich einen DC-DC-Wandler für die 5V Spannung und dient als "Buchse" für die Kabel, .ie zur eigentlichen Steuerung führen. Mit dem Steckbrett geben wir z. B. das HIGH/LOW Signal, einfach durch Umstecken.
Die eigentliche Steuerung ist eine fertige SMD-Platine. Hier ein Bild damit es da keine Missverständnisse gibt.

Die rechten beiden kleinen Platinen mit Motoren sind jeweils ein Prototyp (vorne noch selber geätzt und per Hand gelötet, hinten dann professionell und mit SMD-Ofen, beide zeigen das gleiche Verhalten).


https://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20221129204824.jpeg

EDIT: Wenn wir gerade dabei sind, hier gleich noch die pcb-Bilder:





Altgeselle(R)

E-Mail

29.11.2022,
23:51

@ Demolux

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

» » Ohje wurde ja schon gesagt.
» » So ein fliegender Aufbau mit Steckbrettern ist halt großer Mist.
» » Dort etwas optimieren zu wollen ist schwierig.
» » Leiterplatten kosten heute doch kein Geld mehr. Ihr könnt ja eine
» » Leiterplatte entwerfen, wo ihr die Module auflöten könnt. Da kann dann
» auch
» » gut die korrekte GND-Verbindung und Pufferung der Versorgungsspannung
» » beachtet werden.
»
» Kam vielleicht falsch rüber:
»
» Das Steckbrett trägt lediglich einen DC-DC-Wandler für die 5V Spannung und
» dient als "Buchse" für die Kabel, .ie zur eigentlichen Steuerung führen.
» Mit dem Steckbrett geben wir z. B. das HIGH/LOW Signal, einfach durch
» Umstecken.
» Die eigentliche Steuerung ist eine fertige SMD-Platine. Hier ein Bild damit
» es da keine Missverständnisse gibt.
»
» Die rechten beiden kleinen Platinen mit Motoren sind jeweils ein Prototyp
» (vorne noch selber geätzt und per Hand gelötet, hinten dann professionell
» und mit SMD-Ofen, beide zeigen das gleiche Verhalten).
»
»
» https://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20221129204824.jpeg
»
» EDIT: Wenn wir gerade dabei sind, hier gleich noch die pcb-Bilder:
»
»
»
»
»
»

Vermutung: kapazitive Einkopplung auf SW1 und SW2. Versuche es mit
externen niederohmigen Pullups (1K). Evenuell wird auch die Reset-Leitung
gestört, die ist ziemlich lang.

Grüße
Altgeselle

Offroad GTI(R)

30.11.2022,
06:46

@ Demolux

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

» Das Steckbrett trägt lediglich einen DC-DC-Wandler für die 5V Spannung und
» dient als "Buchse" für die Kabel, .ie zur eigentlichen Steuerung führen.
» Mit dem Steckbrett geben wir z. B. das HIGH/LOW Signal, einfach durch
» Umstecken.
» Die eigentliche Steuerung ist eine fertige SMD-Platine. Hier ein Bild damit
» es da keine Missverständnisse gibt.
Zeig doch mal ein Bild des gesamten Versuchsaufbaus.

Demolux(R)

04.12.2022,
23:00
(editiert von Demolux
am 04.12.2022 um 23:04)


@ Altgeselle

N20 DC-Motor mit H-Bridge und PWM-Ansteuerung -> EMF Problem

@Alle

Also wir haben letzte Woche und das WE damit verbracht, das Problem endlich zu lösen.
Die Herangehensweise war etwas ungewöhnlich:

1. Zum Sicherstellen, dass die Steuerung ohne Motor aber mit einer Last wirklich funktioniert, wurden statt des Motors zwei kurze LED Streifen an den Motorausgang des Treibers angeschlossen (eingestellt auf 12V via PWM von 24V). Die LED Streifen wurden gegenseitig verpolt, sodass je nach Richtung nur einer von beiden leuchtet. -> Steuerung funktioniert auch bei 24V ordnungsgemäß.

2. Nun den Motor drangehängt aber die LEDs drangelassen. Und schon merkt man erstaunliches: Der LED Streifen, der eigentlich aus sein sollte, leuchtet auf ca. 40% Intensität und flackert.
-> Dreht man die Spannung langsam hoch, verändert sich das Flackern periodisch: Es wird schneller, verschwindet dann ganz, kommt dann wieder, wird langsamer, wieder schneller, verschwindet wieder ganz. Das geht immer schneller je höher die Spannung gegen 24V gedreht wird und die LED wird zudem immer heller. Sicher, etwas unorthodox, aber es war sehr interessant das "Störfeuer" des Motors mal so zu visualisieren. Die Steuerung ist wie vorher natürlich ausgestiegen dabei.

3. Nun Schritt für Schritt das gemacht was hier vorgeschlagen wurde, außer das Verändern der Trägerfrequenz. Extern 5V an RESET beispielsweise brachte ein bisschen Verbesserung. Nun ist die Steuerung erst bei 20V ausgestiegen. RESET wurde also wohl beeinflusst. Pull-Ups an den Endstops brachten ebenfalls eine kleine Verbesserung. Keinen Unterschied machte die Pufferung der Motoreingangsspannung.

4. Trotzdem war das Störfeuer wohl zu stark: Wir kommen um eine Entstörung des Motors scheinbar nicht herum. Also mit Keros herumexperimentiert, einer zwischen die Pole, je einer vom Pol zum Gehäuse (mit je 0,1 uF). Der zwischen den Polen sorgte dafür, dass die LED die eigentlich aus sein sollte, tatsächlich aus ging. Allerdings funktionierte die Steuerung damit nur solange der Motor drehte - wenn man mit dem Kondensator starten wollte, ging auch bei stark verringerter Spannung nichts mehr. Wir hatten irgendwo gelesen, dass dieser Zwischenpol-Kondensator bei 0,1 uF bei PWM Ansteuerung Probleme macht und hätten ggf. noch einen kleineren probiert. Aber:

5. Alle Kondensatoren weg, nun wurden Induktivitäten eingebaut (in Reihe je eine an jedem Pol), testweise einfach mal mit 330 uH, Berechnungen dazu waren uns erstmal etwas zu komplex, vielleicht klappt es ja so: Siehe da, Steuerung funktioniert auch bei 24V zuverlässig, LED Streifen der aus sein sollte, ist auch aus. Durch Zufall hatten wir noch 470 uH Induktivitäten in SMD Bauform da und haben das direkt an den Motor gelötet, zusammen mit den drei 0,1 uF SMD-Keros. Dauertestlauf über 24h bei 24V ohne Probleme.

Es wundert mich schon sehr stark, dass man diese Probleme nicht schon längst irgendwo im Web festgehalten hat, speziell zu diesen N20 Motoren, die ja massig in allem möglichen drin sind... . Es gibt auch keine kleine Enstörplatine oder so dazu zu kaufen... . Wir werden jetzt jedenfalls eine entwickeln, die rückseitig auf den Anschlüssen aufgelötet wird.

Danke für den Support! Das wäre von uns aus erstmal gelöst. Wenn noch Fragen sind her damit, wir schauen wieder hier rein.

VG Demolux