H-Brücke mit MOSFET's an FPGA betre iben

- T
- Thomas Müller
  
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vor 18 Jahren

Wed, Aug 10, 2005 9:36 AM

Ich habe folgendes vor:

Entwicklung einer H-Brückenschaltung zur Steuerung von DC-Motoren. Das ganze soll dann über einen FGPA von Xilinx (Spartan-3) mit der nötigen PWM versorgt werden, um die Drehzahl einstellen zu können. Da ich aber leider keinerlei Praxiserfahrung besitze, fällt mir die Auswahl der richtigen MOSFET's schwer. Mir ist klar wie die H-Brücke aufgebaut wird und wie sie funktioniert, aber da gehhört noch viel mehr dazu, wie z.B. Sicherung, Galvanische Trennung, Schutzwiderstände, ....

Hier habe ich mal die Kenngrößen:

- Motoren (Fa. Maxon Motors):

--- Name / Nom. Voltage / starting Current / max. continous Current / Resistance / Inductance

--- RE25 / 42 V / 7940 mA / 800 mA / 5.29 Ohm / 0.55 mH

--- RE24-Max / 42 V / 1300 mA / 273 mA / 32.3 Ohm / 1.45 mH

--- RE13 / 10 V / 127 mA / 101 mA / 78.8 Ohm / 1.6 mH Alle Motoren sollten mit 13V betrieben werden (das ist die Versorgungspannung die ich zur Verfügung habe). Wenn ihr meint, dass das ein schlechte Idee ist, meldet euch bitte.

Wenn ich das noch richtig in Erinnerung habe, dann kann der FPGA an den Ausgängen 3.3V oder 5V ausgeben und kann mit maximal 35mA belastet werden.

Da es sich hierbei um ein Praktikum an der UNI handelt, kann ich warscheinlich keine fertigen Baugruppen a la LM298,... benutzen, denn ich soll das alles selbst machen und ich will ja auch was dabei lernen.

Was ich nun von euch wissen möchte:

Wie kann ich entscheiden welche MOSFET's ich denn für die einzelnen Motoren nehmen kann? Welche Nachteile entstehen, wenn ich die H-Brücke nur mit N-Kanal MOSFET's aufbaue? Wie finde ich den passenden P-MOS zu dem ausgewählten N-MOS Wie kann ich bestimmen welche Widerstände ich am Gate der Transistoren zum Schutz anschließen muss und ob ich die Widerstände der Hi-Side FET's mit Vcc und die der Lo-Side FET's mit GND verbinden muss. Oder dann doch besser alle Gates mit z.B. 10kOhm an GND? Reichen die Freilaufdioden aus, die in den meisten MOSFET's verbaut sind?

Ich habe jetzt schon öfter gesehen, dass bei den Sicherungen ein Kondensator paralell geschaltet ist, braucht man das? Wozu? Wie dimensioniere ich dann den Kondensator?

Wie kann ich den FPGA vor den durch die Bürsten der Motoren auftretenden Spannungsschwingungen schützen? Was muss ich noch beachten, dass der FPGA keinen schaden nimmt?

Wie kann ich denn berechnen mit welcher Grundfrequenz ich die PWM betreiben kann (maximum, minimum)?

Ein ganzer haufen Fragen den ich da habe, aber Ihr müsst ja nicht alle auf einmal beantworten ;)

Gruß Thomas Müller

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- E
- Erik Groß
  
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gepostetes
vor 18 Jahren

Wed, Aug 10, 2005 3:49 PM

Nein der Spartan-3 verträgt nur 3,3V. Genauer gesagt die Vio darf maximal 3,3V betragen und als Eingang (Hochohmig) vertragen die IO's bis zu 4V, glaube ich zumindest. Maximal dürfen 10mA über die Schutzdioden fließen wenn die Spannung am Pin größer als Vio oder kleiner 0V ist, also muss das gegebenenfalls mit einem Wiederstand sicher gestellt werden. Du solltest diesbezüglich mal bei Xilinx die passenden PDFs runterladen und auch lesen, da findest Du dann auch das der Spartan-3 3 verschiedene Spannungen möchte : Vcore = 1,8V ; Vaux = 2,5V ; Vio =

1,5V-3,3V. Wenn möglich solltest Du dich für einen Spartan-2 entscheiden, der braucht Vcore = 2,5V und verträgt als Vio 1,5V - 3,3V und lässt sich etwas leichter "5V tolerant" machen. Mehr als 3,3V liefert Dir jedenfalls kein heutiger FPGA. Für die maximal zulässigen Ströme solltest Du auch noch mal ganz genau in den PDFs nachlesen, da gibts nämlich nicht nur Beschränkungen pro Pin sondern auch pro IO-Bank.

Na beim Urschleim werdet Ihr da wohl auch nicht anfangen müssen, schließlich müsst Ihr das nach dem Studium in der Praxis auch nicht immer. Was nicht heißen soll das ein gutes Maß an theoretischem Wissen schlecht währe.

Also ich hab noch keinen Spartan-2 geschrottet, obwohl der Potentialausgleichsstrom der mal durch meinen Körper in einen Spartan-2 floss schon richtig gekribbelt hat in meinen Händen. War ne dofe Sache wegen nem schlechten, nicht potentialgetrennten, Netzteil das den FPGA versorgt hat. Gewisse Vorsichtsmaßnahmen zum Schutz eines Bauteils, das durchaus mehr als 100Euro (Einzelstückpreise) kostet und dessen auslöten zu einem Abendfüllenden Problem werden kann, solltest Du aber auf jeden Fall treffen. Vor kurzem war hier ein Thread "Interface zur realen Welt", so ähnlich würde ich einen FPGA mit dem Rest einer störintensiven Schaltung verbinden. Zur FPGA-Versorgung, und auch zum IO-Schutz, gibts bei Xilinx einiges an App-Notes.

Ich würde Dir so um 50kHz vorschlagen, da gibts dann keine Geräusche mehr und das ist niedrig genug um problemlos einen Serienwiederstand an den IO-Pins zur Strombegrenzung betreiben zu können ohne das daraus ein zu sehr störender Tiefpass wird. Außerdem bekommst Du für solche Frequenzen leistungsfähige FETs.

Zu den restlichen Fragen kann ich Dir keine Auskunft geben, aber mit den PDFs von Xilinx hast Du erst mal für ne ganze Weile Lesestoff. Entwickle doch erstmal die Logic für den FPGA und dann kannst Du die restliche Schaltung passend drum rum bauen.

Grüße Erik