Anwenderprojekte mit der Open-Micro, Open-Mini, Open-Midi und Open-Macro

Projekt "Akku-Rasenmäher-Gleichstrom-Motoranlaufschaltung" mit der Open-Micro

Im Mai 2009 trat ein Defekt der Ansteuerschaltung meines 15 Jahre alten Akku Rasenmähers auf. Leider konnte dieses Ersatzteil nicht mehr geliefert werden. Hätte man es noch liefern können, dann wäre der Preis dieses Ersatzteils bei ca. EUR 250.00 gelegen. Da ich ja schon einige Projekte mit der Open-Micro gemacht hatte, war es nahe liegend diese dafür einzusetzen. Während die Original Ansteuerschaltung für den Rasenmäher ca. 300 Bauelemente hat, benötigt man mit der Open-Micro nicht einmal 30 Bauelemente.

Mit meiner Akku Rasenmäher Gleichstrom-Motoranlaufschaltung erzielt man einen kontrollierten Hochlauf eines Gleichstrommotors. Gleichstrommotoren darf man beim Einschalten nicht direkt an die volle Betriebsspannung anschließen, da kurz nach dem Einschalten sehr hohe Einschaltströme fließen, die zu einer Zerstörung der MOS-Fets führen könnten.

Dazu etwas Theorie:
In der Anwendung hier haben wir eine Akkuspannung von 24V aus 2 St. 12V Blei-Gel Akkus von je 7Ah Kapazität. Der Gleichstrommotor hat eine Motorinduktivität L von ca. 0,016mH. Der Stromanstieg zum Einschaltzeitpunkt eines Feldeffekt Transistors, wenn also die volle Betriebsspannung von 24V an den Gleichstrommotor angelegt wird, lässt sich nach folgender Formel abschätzen:

U = 24 V
L = 0,016 mH; Für 1 Henry =1 H gilt die Definition 1H = 1Vs/A

dI/dt = U/L = 24/0,016 (V/mH) = 1500 (V/mH) = 1,5 x10^6 (V/H) = 1,5 x 10^6 (V*A/Vs) = 1,5 x 10^6 (A/s)

dI/dt = 1,5*10^6 (A/s) = 1,5 (A/us);

d.h. also 20 usec nach dem Einschaltzeitpunkt fließt bereits ein Strom von 30A oder falls man eine Impulslänge von 100usec hätte, könnte bereits ein Strom von 150A fließen. Jeder kann sich leicht vorstellen, was passiert, wenn man die Batteriespannung direkt an die Motoranschlüsse anklemmt, dann funkt es ganz schön zum Anklemmzeitpunkt. Vor allem dann, wenn das Schneidmesser montiert ist und die ruhende Masse des Messers erst auf Drehzahl gebracht werden muss. Würde man mittels eines Feldeffekt nun voll einschalten, also die Batteriespannung voll an die Motoranschlüsse führen, dann würde es einen kurzen Knall geben, verbunden mit einer kleinen Rauchwolke und alle Fets sind explodiert durch die extreme thermische Belastung auf Grund der hohen Einschaltströme und der hohen Einschaltleistung.

Die Open-Micro sorgt nun mit relativ wenig zusätzlichem Schaltungsaufwand für einen kontrollierten Drehzahl-Hochlauf des Gleichstrommotors.

Hier noch einige Daten zu der PWM (Puls-Weiten-Modulation) bei der Conrad Micro und der OMICRO bzw. deren Unterschiede:

z.B. an Pin 6 DAC2 bei Conrad MICRO oder pwm2 bei der OMICRO (nach PWM Tool von Rene Stadler) können folgende Daten gemessen werden:

DAC2 bzw. pwm2 Eingabewert	Conrad-Micro	Open-Micro
0	20usec EIN/ca.20msec AUS	20usec EIN/ca.20msec AUS
1	80usec EIN/ca.20msec AUS	80usec EIN/ca.20msec AUS
250	20msec EIN/ca. 400usec AUS	20msec EIN/ca. 80usec AUS
>250; z.B.251	20msec EIN/ca. 320usec AUS	Dauer EIN
255	20msec EIN/ca. 80usec AUS	Dauer EIN

Ab einem Übergabewert an den DAC2 oder pwm2 >250 ist also die Open-Micro permanent auf EIN geschaltet, es gibt also keinen Abschaltimpuls mehr, während die Conrad-Micro noch Abschaltimpulse sendet. Für die Anwendung ist insgesamt das Verhalten der Open-Micro von Vorteil in diesem Zustand. Fehlen nämlich die Abschaltimpulse im Takte der 50Hz/20 msec Periodenzeit, so entsteht in den Feldeffekttransistoren durch die fehlenden EIN/AUS Flanken auch keine zusätzliche Verlustleitung, sodass insgesamt die Feldeffekttransistoren kühler bleiben und einen geringeren Kühlkörper benötigen.

Sowohl die Conrad-Micro als auch die Open-Micro haben beim Eingabewert = 0 bereits einen Impuls von 20usec. Für eine Motoransteuerung ist dies jedoch störend, deshalb wurde in meiner Schaltung ein extra Schaltungsteil eingebaut, der dafür sorgt, dass eine kontrollierte Freigabe der Fets erfolgt. Port1/Pin7 der Micros wird dazu auf Low geschaltet und dann wird mittels T2 und T1 die Fet Ansteuerschaltung auf 12V gelegt. Die PWM Impulse kommen an das Gate der Fets also erst, nachdem die Ansteuerschaltung auf 12V liegt.

Mittels der MICROs ist jedoch die Einschaltimpulslänge am Anfang mit 20usec so kurz, sodass der Motor Zeit bekommt, langsam auf Drehzahl zu kommen. Die Open-Micro sorgt mit dem Hochrampen des PWM Signals von 0...255 dafür, dass die Einschaltimpulse im Takte von 20msec//50Hz stetig länger werden, bis der Motor die max. Drehzahl erreicht hat und voll eingeschaltet wird. Während des Hochlaufs und auch während des voll eingeschalteten Betriebes wird stets die Akkuspannung überprüft, um bei evt. Akku-Unterspannung schnell abzuschalten.

Übersicht - Funktionsumfang

Die Schaltung ist für Gleichstrommotoren ausgelegt, um einen kontrollierten Hochlauf eines Motors zu ermöglichen.
Beim Einschalten des Motors werden max. 30 Versuche durchgeführt, um den Motor auf Drehzahl zu bringen. Wird während dieser 30 Versuche der Mittelwert / bzw. der aktuelle Wert der Akkuspannung unterschritten, dann wird abgeschaltet. Beim Einschalten und Hochfahren treten trotz der Micros noch rel. hohe Spannungseinbrüche der Spannung auf, bedingt durch Innenwiderstände der Akkus und Zuleitungswiderstände von den Akkus zum Motor, deshalb muss die Abschaltschwelle tiefer ausgelegt werden als im voll eingeschalteten Betrieb. Während des Hochlaufs wird stets geprüft, ob die Akkuspannung stark einbricht, da z.B. der Akku bereits entladen ist oder weil der Motor während des Hochlauf blockiert ist ( z.B. wenn das rotierende Messer durch einen Stein blockiert wird), wodurch der Strom sehr stark ansteigt und die Akkuspannung zusammenbricht. Falls die Akkuspannung während des Hochlaufs zu stark einbricht, wird der Hochlauf abgebrochen und abgeschaltet.
Während des voll eingeschalteten Betriebes wird ebenfalls stets der Mittelwert / bzw. der aktuelle Wert der Akkuspannung überprüft. Beide Werte sind nun aber höher gewählt als in der Einschaltphase. Kann sich das rotierende Messer des Rasenmähers frei bewegen und würde der Mittelwert der Akkuspannung unter die Abschaltschwelle kommen, weil z.B. die Akkuzellen weitgehend entladen sind, dann wird abgeschaltet. Würde aber das rotierende Messer durch z.B. einen Stein kurzfristig blockiert werden, dann muss sofort abgeschaltet werden, diese Funktion übernimmt die Schnellabschaltung.

Auf der Projektseite stehen auch die Schaltpläne, die Bauteileliste und alles andere zum Download bereit. Grundsätzlich lässt sich die Schaltung für den Anlauf beliebiger Gleichstrommotoren einsetzen.

Josef Fenk

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