Hat man sich entschlossen, für seinen Roboter oder andere Konstruktion einen Getriebemotor zu verwenden, so muss man sich Gedanken machen, wie man ihn ansteuert. Gewöhnlich will man die Motoren ja sowohl in Bezug auf Drehrichtung und Geschwindigkeit über eine Programmiersprache steuern. Daher wird in der Regel erst mal ein Controllerboard benötigt. Leider kann man an die wenigsten Controllerboards einen Getriebemotor direkt anschließen, eine der wenigen Ausnahmen ist das RN-Control-Board und das RNBFRA-Board. Bei beiden Boards ist es einfach, dort müssen die Getriebemotoren einfach nur an die Schraubklemmen angeschlossen werden, danach kann man sofort mit der Programmierung loslegen.
Ich möchte hier aber aufzeigen, wie man Motoren auch bei anderen Boards anschließen kann. Die gleiche Technik läßt sich natürlich auch nutzen, um z.B. mehr als zwei Motoren an RN-Control anzuschließen.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Ansteuerung mit Relais
- 2 Ansteuerung mit MOS-FET
- 3 Ansteuerung mit Treiber IC L293 D
- 4 Ansteuerung mit dem Schaltkreis L298
- 5 Ansteuerung mit L6205
- 6 Noch mehr Power gewünscht?
- 7 Endstufen mit I2C-Bus / RS232
- 8 Und nie vergessen Motoren zu entstören
- 9 Siehe auch
- 10 Weblinks
Ansteuerung mit Relais
Die einfachste Methode, um Motoren per Controller anzusteuern, erreicht man durch die Verwendung von Relais. Mit einem Relais, das zwei Umschaltkontakte besitzt, lässt sich über einen einzelnen Controllerport bequem die Drehrichtung wechseln.
Da auch Relais wegen des Strombedarfes nicht direkt vom Controller geschaltet werden können, wurde in dem oberen Beispiel ein Transistor vorangestellt. Die Diode dient nur dazu, die Spannungen, die beim Ausschalten des Relais induziert werden, abzuleiten. Ohne Diode funktioniert das Ganze in der Regel auch, jedoch könnte der Transistor oder sogar der Controller durch die induzierte Spannung beschädigt werden. Die Schaltung ist also in der Lage, die Drehrichtung umzuschalten, jedoch nicht in der Lage, den Motor zu stoppen. Um den Motor ganz auszuschalten, müsste man noch ein weiteres Relais vorsehen, das die gesamte Motorspannung abschaltet. Ein Schaltbild können wir uns ersparen, da das Ganze recht ähnlich aussieht. Der große Nachteil von Relaisschaltungen ist, dass die Geschwindigkeit des Motors nicht geregelt werden kann, zudem haben Relais bei sehr vielen Schaltvorgängen einen gewissen Verschleiß. Vorteil der Schaltung ist jedoch, das man auch sehr große Lasten/Motoren schalten kann.
Ansteuerung mit MOS-FET
Neufassung
| Dieser Artikel ist noch lange nicht vollständig. Der Auto/Initiator hofft das sich weitere User am Ausbau des Artikels beteiligen.
Das Ergänzen ist also ausdrücklich gewünscht! Besonders folgende Dinge würden noch fehlen: Die Neufassung kann im momentanen Stand nur als Anregung verstanden werden. Insbesondere fehlen noch angepasste Schaltpläne. Einige der Anmerkungen aus dem Abschnitt "Kritik an der Schaltung" sind in der Neufassung noch nicht enthalten, die Beschreibung von Verzögerungsgliedern müsste auch eine Erklärung enthalten, welche Verzögerung mit welchen Werten erreicht wird. Wenn die Neufassung komplett fertig ist, sollten die alten Texte weg. |
Grundprinzip
Wesentlich günstiger und auch beliebter ist die Ansteuerung von Motoren mit MOS-FETs. Also Transistoren, die quasi leistungslos nur durch Spannungen geschaltet werden und extrem hohe Ströme verkraften. Zu diesem Thema findet man unzählige Beiträge im Roboternetz.
Die Grundschaltung besteht aus 2 N-Kanal-MOSFET (hier BUZ11) und zwei P-Kanal-MOSFET (hier IRF5305), mit denen die Motoranschlüsse nach GND bzw. UB geschaltet werden. Zusätzlich sind noch 4 Schottky-Dioden (z.B. SB530) erforderlich, um Induktionsströme des Motors abzuleiten. Die Dioden werden in Sperrichtung von den beiden Motoranschlüssen nach GND bzw. UB geschaltet.
Grundsätzlich muss die Beschaltung der Gate-Eingänge so erfolgen, dass zum Starten des Motors die Transistoren einer Diagonale auf "leitend" und die der anderen auf "sperrend" geschaltet werden. Zum Anhalten des Motors werden z.B. die unteren auf leitend und die oberen auf sperrend geschaltet - Der Motor wird dadurch abgebremst. Alternativ kann man auch alle Transistoren auf sperrend schalten, der Motor läuft dann im Leerlauf aus, was allerdings nicht unerhebliche Induktionsströme erzeugt.
Die Transistoren einer Seite dürfen nicht dauerhaft gleichzeitig auf "leitend" geschaltet werden, da dies einen Kurzschluss verursacht.
Hinweis: Zumindestens bei dem Transistor BUZ11 handelt es sich um ein veraltetes Modell. Wenn es auf hohe Leistung ankommt, sollte da ein anderer Transistor gewählt werden.
Elektrische Ansteuerung der Gates
Beim Umschalten der Transistoren entsteht eine erhöhte Verlustleistung - der Widerstand wechselt von geschlossen (sehr großer Widerstand) nach offen (sehr kleiner Widerstand) und umgekehrt.
Zwischen beiden Enden des Schaltvorgangs befindet sich der Transistor in der "Widerstandsphase" (weder ganz leitend, noch ganz offen), die eine erhebliche Verlustleistung und damit Erwärmung mit sich bringt.
Deshalb sollte der Schaltvorgang - insbesondere wenn für eine PWM-Gegelung sehr oft geschaltet werden soll - möglichst schnell erfolgen. Da zum Umschalten die durch den Aufbau des MOSFETs bedingte Gatekapazität umgeladen werden muss, ist hierzu (sehr kurzzeitig) ein hoher Stromfluss nötig.
Schaltung direkt am Port
Eine Ansteuerung unmittelbar über den Ausgang eines Mikrocontrollers (oder eines TTL-IC) ist schon wegen der benötigten Spannungen nicht möglich.
Bei den N-FET könnte man sog. "Logik-MOSFET" nehmen, die bereits bei 5V ausreichend leitet.
Bei den P-MOSFET bemisst sich die Schaltspannung gegen UB, mit einem 5V Port und UB=12V würde also zwischen -12V und -7V umgeschaltet, was einen P-MOSFET erfordern würde, der bereits bei -7V sperrt.
Dass ein Portpin nur einen geringen Stromfluss (~20mA) zulässt, ist ein weiteres Problem und verhindert einen Schaltvorgang mit idealer steiler Flanke. Allerdings ist die Schaltungsvariante mit einem Transistor in diesem Punkt keinesfalls besser, wenn die Gatekapazität durch den PullUp-Widerstand umgeladen werden muss.
Schaltung mit einem Transistor
Eine einfache Steuerschaltung besteht aus einem Transistor-Schalter und einem Pull-Up-Widerstand. Als Schalter hab ich 1/7 eines ULN2003 IC verwendet, als PullUp 2200 Ohm. Ein diskreter Aufbau mit 1 Transistor und 2 Widerständen ist aber auch nicht komplizierter.
Der Vorteil liegt in der Einfachheit, der Nachteil liegt darin, dass die Schaltung nicht sonderlich schnell vonstatten geht: Für die Schaltung des FET muss die Gate-Kapazität transferiert werden, was insbesondere beim Wechsel von 0V nach UB einen Moment dauert, da die Ladung durch den Widerstand hindurch muss.
Ein kleinerer Widerstand könnte hier helfen, verursacht allerdings einen nicht unerheblichen Stromfluss im geschalteten Zustand (zulässige Verlustleistung beachten).
Schaltung mit zwei Transistoren
Eine bessere Ansteuerung sollte sich ergeben, wenn man zwei Transistoren zur Gate-Ansteuerung verwendet: Einer schaltet gegen 0V, der andere Gegen UC. So kann man erreichen, dass in beide Richtungen rasch umgeschaltet werden kann.
Integrierte Gate-Treiber
Statt der Beschaltung mit zwei Transistoren kann man auch einen integrierten MOSFET-Treiber verwenden. Mit derartige IC sind darauf ausgelegt, kurzfristig den für eine Umschaltung benötigten hohen Stromfluss zu ermöglichen.
Es gibt auch Treiber-IC, die zur Ansteuerung der oberen Transistoren eine Spannung oberhalb von UB erzeugen. Mit solchen Highside-Treibern kann die H-Brücke auch aus 4 N-Kanal-Transistoren gebaut werden, was den Vorteil hat, dass N-Kanal-FET mit geringerem Schaltwiderstand zu bekommen sind.
Logische Ansteuerung der Gates
Nach der elektrischen Ansteuerung ist die logische Ansteuerung durch den Mikrocontroller zu überlegen.
softwaremäßige Ansteuerung
Die einfachste Lösung besteht darin, die Schalter der 4 Gates mit 4 Pins des Controllers zu verbinden. Die korrekte Ansteuerung muss dann durch die Software garantiert werden. Eine Fehlschaltung der Software z.B. bei einem Absturz kann allerdings zur Zerstörung der Schaltung führen, wenn durch das schließen beider Transistoren einer Seite ein Kurzschluss erzeugt wird. Falls vorhanden brennt die Sicherung durch - ist keine Sicherung vorhanden, brennt was anderes durch.
Einfache Ansteuerung
Etwas sicherer ist es, die Schaltung so aufzubauen, dass ein Kurzschluss nicht dauerhaft geschaltet werden kann.
Hierzu habe ich die Schaltung so aufgebaut, dass die Gates einer Seite jeweils gemeinsam geschaltet werden.
Bei einer Gate-Spannung von 0V schließt der N-MOSFET (UGS=0V), der P-MOSFET öffnet bei dieser Gate-Spannung, da hier UGS=-UB ist.
Bei einer Gate-Spannung von UB verhält es sich genau umgekehrt: Der N-MOSFET öffnet (UGS=UB) und der P-MOSFET schließt (UGS=0V)
Diese einfache Ansteuerung benötigt lediglich zwei Transsitorschalter und auch nur 2 Port-Pins, hat jedoch einen Nachteil: Es kann nicht garantiert werden, dass beim Umschalten zunächst der eine Transistor geschlossen bevor der andere geöffnet wird. Da der BUZ11 deutlich langsamer als der IRF5305 ist, kommt es mindestens beim Schließen des BUZ11 zu einer Stromspitze. Die Verwendung eines schnelleren N-FET dürfte das Problem verringern.
Die Stromspitze selbst liegt noch im Rahmen der Spezifikationen der Transistoren. Sofern ein Messwiderstand von z.B. 0,1 Ohm da ist oder die Spannungsquelle einen vergleichbaren Innenwiderstand hat fließt ein Strom von knapp 70A, die Transistoren sind jeweils für Spitzen von über 100A spezifiziert.
Allerdings hat die Stromspitze drei Auswirkungen:
- Die Versorgungsspannung bricht kurzzeitig zusammen
- Die Transistoren erwärmen sich
- Es kann an einem Messwiderstand zu einer Spannungsspitze kommen
Die Erwärmung des Transistors ist solange kein Problem, wie nur selten umgeschaltet wird. Bei einer Regelung per PWM könnten sich die kleinen Energiemengen zu einem relevanten Problem addieren.
Die Störung der Versorgungsspannung kann sich auf den Mikrocontroller auswirken, vorsichtshalber habe ich dem Spannungswandler eine kleine Schottky-Diode (SB140) vorgeschaltet, um ein Entladen des Stützkondensators zu verhindern.
Als Vorsichtsmaßnahme habe ich den Messport des Controllers mit einem Widerstand und einer Z5.1 Diode abgesichert.
Bei Leerlauf-Schaltvorgängen im Abstand von 1/15 Sekunden habe ich keine Erwärmung der Transistoren feststellen können, es wurden auch keine zusätzlichen Kühlkörper verwendet.
Alte Schaltungsbeschreibung
Achtung! Die Schaltung ist so nicht zu verwenden! Siehe unter Kritik an der Schaltung
Wesentlich günstiger und auch beliebter ist die Ansteuerung von Motoren mit MOS-FETs. Also Transistoren, die quasi leistungslos nur durch Spannungen geschaltet werden und extrem hohe Ströme verkraften. Zu diesem Thema findet man unzählige Beiträge im Roboternetz. Eine der interessantesten Schaltungen, die im Roboternetz vorgestellt wurde, dürfte diese sein:
Anmerkung: Den 74HC26N gibts wohl nicht , nur die TTL-Version 74LS26, die HC-Mos-Version lautet 74HC03.
Eine sogenannte H-Brücke, die nur aus zwei MOSFETSs und einem Logik-IC besteht. Mit zwei Controllerports kann diese Schaltung sowohl Geschwindigkeit als auch Drehrichtung regeln. Für die Geschwindigkeit ist ein sogenannter PWM-Port notwendig. Also ein Port, der durch ein gepulstes Signal den Motor etlichemal innerhalb einer Sekunde ein- und ausschaltet und somit quasi die Leistung regelt (siehe PWM). Die Schaltung ist so konstruiert, dass immer nur zwei Transistoren durchschalten. Auf diese Weise fließt einmal der Strom von links oben nach rechts unten und einmal von rechts oben nach links unten, der Motor wird also ähnlich wie bei der Relaisschaltung umgepolt. Bei niedriger PWM_Frequenz sollte die Schaltung durchaus für einige Ampere geeignet sein, wobei ca. 8 bis 13V ideal sein sollten.
Das Logic-IC wurde durch 3x BC547 Transitoren ersetzt.
Kritik an der Schaltung
Diese Schaltung wird im Forum von mehreren Leuten, u.A. Ratber, shaun, massiv kritisiert, z.B. hier: http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=33067&sid=892e80c6cd2d003292e607bcd7a7123a .
Ich habe leider nicht das Wissen eine bessere Lösung zu liefern. Das Problem sind die Querströme: Im Umschaltmoment sind highside und lowside switch für kurze Zeit beide leitend. Das entspricht einem Kurzschluss der Versorgungsleitung bei jedem Umschalten mit allen damit verbundenen Problemen (Erwärmung, Schwingung, Sicherungen, Reset). Aus diesem Grund sind NAND-Gatter nicht geeignet!
Zum Umschalten muss man
- den bisher leitenden Mosfet ausschalten,
- dann etwas warten,
- und schließlich den nächsten Mosfet schließen.
Dies kann man erreichen, indem man den Einschaltmoment
- durch RC-Glieder verzögert und
- den Ausschaltmoment durch Dioden beschleunigt.
Die entstehenden Schaltungen sind komplex, benötigen viele Bauteile und sind fehleranfällig.
Am sinnvollsten sind integrierte Mosfet-Treiber. Diese haben oft eine einstellbare Tot-Zeit (Dead-Time), können hohe Leistungen zum Umladen der Gatekapazität liefern und beachten andere Effekte wie Propagation-Time, Veränderung des Source Potentials beim Highside-switch, etc.
Erklärung von shaun:
die gezeigte Schaltung taugt auch nur als Prinzipschaltung bedingt, da man einen variierenden Aufwand in eine sichere Verriegelung investieren müsste. Bei fixer und nicht zu hoher Betriebsspannung könnte man mit RD-Kombinationen in den Gateleitungen das Ausschalten beschleunigen und das Einschalten verzögern, so dass die Querleitung wegfällt. Allerdings bewirkt diese simple R-Cg-Verzögerung größere Schaltverluste.
Setzt man die Vezögerung vor dedizierte Treiber, müssen diese wiederum leistungsfähig genug zum Umladen der Gates sein und bis an die Versorgung heranreichen, weshalb man an diesem Punkt überlegen sollte, ob 95% duty cycle nicht auch reichen würden (Anmerkung: Bezug auf bootstrapping?) und man integrierte Treiber für reine N-Kanal-Bestückung einsetzen sollte - spart dann wieder etwas Verluste am Highside-Switch, weil N-Kanäler gleicher Generation und Leistungsklasse einen niedrigeren Rds(on) als ihre P-Pendants haben.
| Dieser Artikel ist noch lange nicht vollständig. Der Auto/Initiator hofft das sich weitere User am Ausbau des Artikels beteiligen.
Das Ergänzen ist also ausdrücklich gewünscht! Besonders folgende Dinge würden noch fehlen: Eine vernünftige diskrete Ansteuerung für eine H-Brücke. Korrektur auf Rechtschreibfehler, Zeichensetzung, Schreibstil, Fachausdrücke. Gibt's denn keinen der etwas verbessern möchte? |
Ansteuerung mit Treiber IC L293 D
Dies ist ohne Zweifel die am häufigsten genutzte Ansteuerung bei Roboter-Bastlern: Man nimmt einfach das IC L293D, denn darin sind sogar zwei H-Brücken enthalten. Also mit einem IC lassen sich ohne weiteres externe Bauteile gleich zwei Motoren ansteuern. Zwar nur bis ca. 600mA, aber das reicht oft schon für kleinere bis mittlere Roboteranwendungen aus.
Wie aus dem Schaltbild zu ersehen ist, werden für die Ansteuerung jedes Motors 3 Ports benötigt. Die Enable-Leitung führt man oft auf einen PWM-Port welcher wie bei der MOS-FET Schaltung oben die Geschwindigkeit regelt. Die beiden anderen Ports geben die Drehrichtung an. Immer wenn die Ports unterschiedliche Polarität haben dreht der Motor in eine bestimmte Richtung, je nachdem wo Low und High anliegt. Das Besondere ist, dass wenn an beiden Ports der gleiche Pegel anliegt, also zweimal Low oder High, dann wird nämlich der Motor kurzgeschlossen - das fungiert als Bremse. Das Bremsen kann bei Robotern durchaus nützlich sein. Zudem ist bei schnellen Richtungswechseln immer zu empfehlen zuerst kurz zu bremsen, um nicht den Motor oder Motortreiber zu stark zu belasten.
Ansteuerung mit dem Schaltkreis L298
Der Schaltkreis L298 ist quasi der große Bruder des L293D. Er beinhaltet auch zwei komplette H-Brücken, kann also auch zwei Motoren ansteuern. Die Pinbelegung ist ebenfalls dem L293D sehr ähnlich, jedoch verfügt er über eine andere Bauform:
Der wichtigste Unterschied besteht jedoch darin, dass jede H-Brücke bei L298 bis zu 2A belastet werden kann. Damit lassen sich also schon wesentlich größere Motoren ansteuern. Ein weiterer Vorzug sind die sogenannten SENSE-Ausgänge, über die der komplette Strom fließt. Oft wird hier ein Hochlastwiderstand angeschlossen, um aus der abfallenden Spannung den genauen Strom berechnen zu können. Dies machen sich Steuerungen wie RN-Motor oder aber andere Schrittmotoransteuerungen zunutze, um den Strom genau zu regeln. Benötigt man keine Strommessung, so müssen die Sense-Ausgänge immer direkt mit GND verbunden werden.
Ein weiteres Schaltbild gibt es hier [1]
Ansteuerung mit L6205
Der Schaltkreis L6205 stellt eine etwas modernere Alternative zur L298 Ansteuerung dar. Die Ansteuerung ist praktisch identisch, der Schaltungsaufbau in etwa gleich. Beim L6205 sind keine Freilaufdioden mehr notwendig, dafür ist ein Kondensator und zwei Dioden für die interne Spannungserzeugung notwendig. Ein großer Vorteil ist auch das kein extra Kühlkörper mehr notwendig ist. Viele integrierte Schutzfunktionen im L6205 sorgen dafür das der Chip nicht so einfach zerstört werden kann. In der Praxis sind die angegeben 2,8A jedoch mit Vorsicht zu geniesen. Bei Testlayouts erwärmten sich die IC´s bereits bei 2A Dauerstrom (PWM) oft so stark das die automatische Temperaturabschaltung reagierte, somit wird man vermutlich ohne Kühlung oder großes Kühllayout auf er Platine auch nicht mehr als beim L298 erreichen.
Noch mehr Power gewünscht?
Obwohl der L298 schon einiges abdeckt, so kommt er spätestens bei den Scheibenwischermotoren langsam an seine Grenzen. Bei starker Belastung können solche Motoren kurzzeitig bis ca. 10 A und mehr ziehen. Für solch starke Motoren gibt es jetzt einen ganz interessanten Motorchip aus dem KFZ-Bereich: vnh3sp (Datenblatt im Roboternetz Download-Bereich). Mit ihm lassen sich sogar recht große Motoren ansteuern; vorausgesetzt, man kühlt ihn entsprechend, so verträgt der Chip bis zu 30A. Aber selbst ohne Kühlung bietet er bedeutet mehr Leistung als der L298. Das Schöne, die Ansteuerung ist kaum anders als beim L298 und L293D.
Kleiner Nachteil: Da es ein SMD-Chip mit 1mm Kontaktabstand ist, muss man schon eine geeignete Platine (spezielles Layout mit Kühlflächen) und etwas Löterfahrung besitzen. Inzwischen gibt es aber schon verschiedene RN-Projekte mit dem Chip (RN-Power, RN-Mini H-Bridge), Platinen und Chip können über den Robotikhardware.de-Platinenservice bezogen werden.
Alternativ zum SMD-Chip VNH3SP30 gibt es noch die Alternative VNH2SP30. Dieser Chip erlaubt zwar nur Motorspannungen zwischen 6 und 16 Volt, jedoch hat er einen wesentlich geringeren Innenwiderstand und wird deshalb nur etwa halb so warm wie der VNH3SP30.
Aus diesem Grund eignet er sich auch ideal für kleine Doppelmotorsteuerungen.
Natürlich gibt's auch hierfür ein Projekt und eine Bauanleitung, siehe RN-VNH2Dualmotor
Das Schöne ist, dass es dieses RN-Projekt jetzt auch auch als Fertigmodul gibt!
Endstufen mit I2C-Bus / RS232
Verwendet man eine der oben vorgestellten H-Bridges, so wird immer vorausgesetzt das ein PWM-Signal und mehrere Ports zur Ansteuerung bereitstehen. Ist dies nicht der Fall weil diese vielleicht schon belegt sind, so lassen sich Endstufen durch einen zusätzlichen Microcontroller auch um beliebige Schnittstellen erweitern. Insbesondere über I2C lassen sich dadurch mehrere Motorboards über einen einzigen Bus ansteuern. Ein Beispiel ist der programmierte Controller MOTCTRL, der speziell für diese Aufgabe gedacht ist. Die Grundscháltung sieht man in der rechten Skizze.
![[1]](http://www.roboternetz.de/bilder/schaltung298getriebe.gif){kind=link}
Und nie vergessen Motoren zu entstören
Das Entstören dient dazu, das sogenannte "Bürstenfeuer" zu verhindern, wodurch Störungen hervorgerufen werden könnten. Und so wirds gemacht:
Siehe auch
Weblinks
