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 EingabewertConrad-MicroOpen-Micro
020usec EIN/ca.20msec AUS20usec EIN/ca.20msec AUS
180usec EIN/ca.20msec AUS80usec EIN/ca.20msec AUS
25020msec EIN/ca. 400usec AUS20msec EIN/ca. 80usec AUS
>250; z.B.25120msec EIN/ca. 320usec AUSDauer EIN
25520msec EIN/ca. 80usec AUSDauer 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
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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