Электромотор с электронным управлением

[Michael]

Переделал я свой стандартный электромотор MotorGuide под электронное управление. Скажу сразу, идея эта не моя и далеко не новая. Еще лет пять-шесть назад слышал о подобных переделках.
В принципе, цель ставилась одна - уменьшить вес аккумулятора. По результатам рыбалок на Sportboat220 и Adventure T270 c загрузкой ~ 130-140 кг пришел к мнению, что батареи емкостью в 45-55 А/ч для одной рыбалки хватит с головой. Это пожалуй главное.
Ниже, немного информации из двух частей – в первой общие сведения, вторая описывает конструктивные особенности мотора.

Часть 1 . Общие сведения
====================

Для лодочных электромоторов, щеточных, управляемых напряжением постоянного тока характерно следующее:

1. Частота вращения мотора линейно зависит от приложенного напряжения. Чем выше напряжение, тем выше частота вращения. (Все до разумного предела, понятно, для 12В моторов - это где-то 13 В)
2. Потребляемый мотором ток зависит от нагрузки и в момент заклинивания ротора (при номинальном напряжении) он будет максимальным. Если взять к примеру мотор с тягой в 30 фунтов, то при напряжении 12 В, без нагрузки (винт крутится в воздухе) он потребляет чуть болше 2 А, а установленный на загруженной лодке, при встречном ветре будет тянуть все 30 А.
3. Смена полярности изменяет направление вращения двигателем.

Это касалось самого мотора. Нам же нужно регулировать напряжения, чтобы изменять частоту вращения мотора и как следствие скорость движения лодки. Эту функцию выполняет регулятор напряжения. Они бывают двух типов:

1. Линейные.
2. Импульсные.

Линейные регуляторы напряжения

Вот здесь - [[Ссылки только членам профсоюза. ] есть интересная статья по испытаниям 30 lb стандартного электромотора. В том моторе установлен линейный регулятор напряжения, как и в любом другом с фиксированной ругулировкой скоростей. Eсли в спецификации на мотор указано количество скоростей, то в таком моторе установлен линейный регулятор напряжения. Схема линейного регулятора простая: последовательно с батареей В включаются резисторы. Переключателем S в зависимости от скорости 1-5 коммутируется нужный резистор. Чем больше номинал резистора, тем меньше скорость: первый самый большой, ну и далее по нисходящей. Пятая скорость коммутируется напрямую.
Что из себя представляют резисторы в современных лодочных электромоторах видно на фотках - несколько "бобинок" трансформаторного провода.
А теперь посчитайте, согласно вышеприведенной статьи какое напряжение падает на резисторах и сколько остается мотору. Ток для разных скоростей, автор привел в таблице (6А, 9А, 12А, 15А, 30А), а напряжение батареи можем принять 12 В, сопротивление обмоток двигателя определить по 5-й скорости. Далее считается мощность и КПД регулятора в целом. У меня получилось КПД регулятора:
1 ск. - 20%
2 ск. - 30,1%
3 ск. - 39,6%
4 ск. - 50 %
5 ск. - 100%

Если есть электромотор под рукой, то можна померять сопротивление в силовой цепи (на клемах подключения к аккумулятору) для различных скоростей. У меня было:
1 ск. - 1,4 Ом
2 ск. - 0,93 Ом
3 ск. - 0,7 Ом
4 ск. - 0,5 Ом
5 ск. - 0,22 Ом
-1 ск. - 0,7Ом
-2 ск. - 0,22 Ом
Здесь, 5ск - сопротивление обмотки мотора по постоянному току.

Резюме:
+ Просто и дешево.
- Моторы с линейными регуляторами имеют низкий КПД. Производители, кстати скромно молчат об этом, но в тоже время рекомендуют использовать для таких моторов аккумулятор емкостью как минимум 105 а/ч.

Импульсные регуляторы напряжения

Если взглянуть на сайты MinnKota, MotorGuide, то в линейке продуктов в основном преобладают моторы с плавной (непрерывной) регулировкой скорости, т.е здесь уже стоят импульсные регуляторы напряжения.
Главным отличием импульсного от линейного регулятора является отсутствие каких либо сопротивлений в силовой цепи протекания тока. Последовательно с батареей включен электронный ключ (это может быть чопер, полумост, мост со всем необходимым обвесом), который коммутирует напряжение на обмотки двигателя в соответствии с управляющим напряжением u(t). В идеале в закрытом состоянии ключ имеет бесконечное сопротивление (не пропускает ток), а в открытом нулевое: на практике это чуть меньше 1 мОм . Как правило управляющее напряжение подается с частотой F = 20...30 кГц. Среднее значение напряжения на обмотках двигателя определяется по формуле
Um = Ub*tp/T.

Um - напряжение на моторе
Ub - напряжение батареи
tp - длительность импульса (время открытого состояния ключа)
T = 1/F - период следования импульсов.

Отношение D = tp/T (duty cycle) принято выражать в процентах.
Итого получаем Um = D*Ub.
То есть все управление сводится к изменению длительности импульса на периоде Т. Отсюда и название PWM (pulse width modulation) или ШИМ (широтно-импульсная модуляция).
Уменьшаем длительность импульса открытия ключа, уменьшается напряжение на обмотках коллектора мотора.

Резюме:
+ Высокий КПД, функциональное масштабирование.
- Стоимость регулятора значительно выше.

[JK]

А схемку можно? Индуктивная нагрузка весьма гиморная вещь, или брать элементы с большим запасом прочности, или тонкая настройка схемы...

[Michael]

Часть 2 . Конструкция мотора
=======================

Внешне, от стандартного электромотора FW30HT есть несколько отличий (по фоткам видно):

1. Встроен энкодер в торец румпеля. Это такая бесконечная крутилка, которая вращается влево, вправо и за оборот выдает определенное количество импульсов. Также энкодер имеет кнопку, при нажатии которой замыкаются два контакта. Назначение его в этой системе – регулировка скорости и электронное включение/отключение мотора.
2. Румпель вместо 8-ми положений (5 вперед, 2 назад, 1 стоп) теперь имеет только 3: F – вперед, S – стоп, R – назад.
3. Установлен символьный ЖКИ индикатор. На индикаторе в режиме движения (ON) отображается:
- Относительная скорость движения лодки в % (она же duty cycle (скважность) или же процент напряжения батареи подаваемое на обмотки мотора ).
- Напряжение батареи.
- Мгновенный ток потребляемый мотором.
- Время работы мотора в формате чч:мм.
В режиме остановки (OFF) на индикаторе отображается:
- Относительная скорость движения лодки в %;
- Напряжение батареи.
- Среднее значение тока.
- Время которое проработал мотор в формате чч:мм:сс.
Время работы мотора обнуляется после снятия клеммы аккумулятора. Скорость регулируется в обоих режимах.
Еще, на индикаторе отображаются аварийные сообщения, типа перегрузка по току, программно установил 20 А. Если мгновенный ток потребляемый двигателем превысит это значение, схема управления автоматически отключит мотор.

Несколько слов по управлению лодкой. Как оказалось очень удобно и, как по мне, такая конструкция регулировки скорости не отвлекает от главного - от РЫБАЛКИ. Все делается одной рукой. Перевел румпель в положение F, большим пальцем нажал кнопку и лодка плавно, но быстро (в смысле без скачков напряжения на обмотки) набирает установленную на индикаторе скорость… Поставил к примеру воблер, идеш на небольшой скорости вдоль свала, по ходу играеш приманкой (на веслах так бы не получилось), а тут поклевка, или зацеп – одним нажатием кнопки лодка остановлена…
Можно и румпелем крутануть в положение стоп (S), мотор здесь уже отключается механически, но кнопкой мне больше нравится. Нужно возобновить движение - опять нажал на кнопку и все повторяется сначала.

Техническая часть
==============

К стандартному обвесу мотора добавил следующее:
1. Плату управление.
2. Индикатор.
3. Энкодер.
4. Силовую плату.

1. Плата управление.
----------------------
Была у меня заводская платка под микроконтроллер, индикатор, клавиатуру и входами для оцифровки 2-х аналоговых сигналов. Индикатор подходящего размера нашел без проблем и по интерфейсу он подошел под микроконтроллер. К разъему клавиатуры подключил энкодер. Завел напряжение аккумулятора и напряжение с датчика тока на АЦП микроконтроллера. Аппаратный PWM у него on board. Во общем ничего особенного, единственное, что питание на плату управления идет своими проводами, т.е от батареи идет 4 провода – тонкие на управление, толстые на силовую плату.

2. Индикатор
-------------
Стандартный 16x2 символов, распаял шлейф с разъемом и подключил к плате управления. Индикатор подбирал максимального размера, чтобы вместился под крышкой мотора. А надо сказать америкосы молодцы, свободного места оставили много. Вырезал в верхней крышке прямоугольное отверствие, закрепил индикатор 4-ми потайвинтами M2 на амортизаторах. Из материала типа оргстекла вырезал выкройку. Нагрел. Придал форму по выпуклости крышки и посадил на клей-герметик. Сверху наклеил пленку.

3. Энкодер
-----------
Энкодер взял на 24 импульса за оборот. Посадил его на небольшую платку, к которой подпаял 5 проводов. Для его установки: снял ручку с румпеля, по центру которой просверлил отверствие по диаметру штока. Укоротил румпель где-то на 5-6 мм. Приложил по центру энкодер, а провода удачно легли в технологические пазы румпеля. Одел сверху ручку румпеля. Получилось плотно и герметично. На шток энкодера одел ручку (серая на фотках).

4. Силовая плата
-----------------
Силовая часть электронного ключа выполнена на N-канальном MOSFET транзисторе. Зарядом емкости затвора и согласованием с управляющими уровнями микроконтроллера занимается специальный драйвер. ЭДС самоиндукции индуктивности двигателя, когда ключ закрыт, гасится диодной сборкой. В силовой цепи установил промышленный датчик тока на эффекте Холла – напряжение которого пропорционально протекающему току. Схему силовой части и одностороннюю печатную плату выложу. В PCADе нарисовал, распечатал на принтере, перенес на 2 мм стеклотекстолит, вытравил хлорным железом за пару минут, залудил, запаял элементы, покрыл лаком. Выполнил необходимые соединения. Даже место посадочное под саморез для этой платы америкосы предусмотрели )

Ну вроде все, …, все что вспомнил.

[Michael]

Допис від LHVR

А схемку можно? Индуктивная нагрузка весьма гиморная вещь, или брать элементы с большим запасом прочности, или тонкая настройка схемы...

Схема силовой части в PCADе 2001 (~65 kB) - [[Ссылки только членам профсоюза. ]
Печатная плата силовой части в PCADе 2001 (~100 kB)- [[Ссылки только членам профсоюза. ]


PS. Индуктивная нагрузка вещь неприятная, и если не принять защитных мер, то будет дым... Применительно к моторам, одни гасят противо ЭДС диодами, другие - открытым переходом MOSFETа... А есть интересное решение, а точнее идея, но реализация возможна только в мостовой схеме управления - энергию запасенную индуктивностью мотора отдавать обратно в аккумулятор.

[aleks-gor]

Michael, снимаю шляпу... И не столько за идею, сколько за реальное воплощение в железе. У многих реализация хороших идей растягивается на время, стремящееся к бесконечности
Единственный вопрос, который у меня возник, - долговечность ЖК индикатора под прямыми лучами летнего солнца. Очень часто дисплеи часов и мобилок, оставленных на солнце, приходили в частичную, а то и в полную негодность.

[Michael]

Допис від aleks-gor

Единственный вопрос, который у меня возник, - долговечность ЖК индикатора под прямыми лучами летнего солнца. Очень часто дисплеи часов и мобилок, оставленных на солнце, приходили в частичную, а то и в полную негодность.

Спасибо, совсем с головы вылетело ... Китайцы пишут на этот индикатор ресурс 50 000 часов при нормальных температурных условиях (~ 25 C), или 240 часов при 70 С. А лучи летнего солнышка в зените вроде как больше могут дать... Да уж, нужно будет чем-то прикрывать индикатор

[megadzilla]

патентуйте, и разрабатывайте комплект для апгрейда. спрос будет ого-го !!!

снимаю шляпу - респект и уважуха соотечественникам с прямыми руками

[dberegovoy]

Примите поздравления, все очень отлично, искренне рад Вашему результату. Скажу откровенно я даже стал подумывать а не оставить ли себе min kota 30 (продаю/продавал за ненадобностью). Вообще было бы не плохо приделать еще узел дистнанционного управления, к примеру поворот мотора организовать на базе мотора с редуктором от тех же слеклоочестителей авто. К сожалению с электроникой у меня не сложилось готов безвозмездно помочь что в моих силах конечно с механической частью проекта (есть ЧПУ фрезер). Посудите сами было бы не плохо иметь беспроводной/проводной пульт управления.

[Michael]

Спасибо, только я ж ничего особого то и не сделал ... просто поставил импульсный регулятор напряжения, максимально простой, и вывел индикацию потребляемого тока и напряжения батареи. Исключительно из интереса, чтобы узнать сколько будет потреблять 200 Вт мотор. Разве, что энкодер в румпеле, то это да - очень удобно... Детальную статистику, зависимость потребляемого тока от скорости движения лодки и скорости ветра(течения) выложу в конце сезона, если получится. А сейчас могу сказать, что для дорожки под воблерами в тихую погоду достаточно 1,8...2,6 А. Можна и быстрее двигаться, но игра уже будет не та - сокращается количество поклевок.
При сильном встречном ветре (на веслах это уже на грани экстрима - волны моют спину), теже условия, это где-то 4,5 ... 5А, плюс еще комфортно - нос поднят и в лодке сухо. Средний ток потребляемый от батареи за рыбалку, в зависимости от погодных условий - 2,5...5 А. Максимальное время работы мотора за рыбалку было чуть больше 3-х часов. В самую ветренную погоду, за рыбалку, удалось разрядить аккумулятор под нагрузкой до 12,2 В.
В принципе цель достигнута - потребление тока вполне приемлимое, ну плюс получил остальные выгоды от электромотора, несзвязанные с этой доработкой.

ЗЫ. Да, забыл сказать - интереса коммерческого в этой теме у меня никакого нет, поскольку вещь материализована, а иначе была бы просто одной из пыльных идей ... у меня по крайней мере так.

---------- Добавлено в 14:21 ---------- Предыдущее сообщение было написано в 14:02 ----------

Допис від dberegovoy

Вообще было бы не плохо приделать еще узел дистнанционного управления, к примеру поворот мотора организовать на базе мотора с редуктором от тех же слеклоочестителей авто. Посудите сами было бы не плохо иметь беспроводной/проводной пульт управления.

Идея хорошая, только по моему, удобства будут проявлятся в лодках где есть много свободного места, на мощных электромоторах или бензиновых с электростартером. А на надувной лодке, даже на 2,70 мне например одному тесновато, румпель под рукой или локтем. Да и при нормальной погоде особо курс корректировать не приходится - руки в основном держат спининг.

[dberegovoy]

Допис від Michael

Идея хорошая, только по моему, удобства будут проявлятся в лодках где есть много свободного места, на мощных электромоторах или бензиновых с электростартером. А на надувной лодке, даже на 2,70 мне например одному тесновато, румпель под рукой или локтем. Да и при нормальной погоде особо курс корректировать не приходится - руки в основном держат спининг.

Да вы правы для небольшого надувасика нет смысла, смысл появляется когда электромотор вторым висит на транце рядом с основным которым управляешь с помощью дистанции. Ваш пост меня заставил вспомнить про свой мотор (мин кота 30), до этого 2 года его на лодку не ставил. Вчера приезжали друзья с Тернополя, катал их по нашим плавням, захватил с собой электромотор и опробовал его на Крыме, по тихой погоде и речкам помельче прикольно – птичек слышно, на Днепре уже и пробовать нечего.

[OlanUA]

С подобным опытом по созданию импульсного управления столкнулся не по желанию, а по необходимости. Началось все с того что загорелся, вторым электромотором, приобрести вот такую пасочку.

Все хорошо только ценна ее в России кусючая. Немного порывшись на ебае был приобритен точно такой же, но Б/У. Не только наши умеют кидать, кидают и амереканцы, пасочка приехала, все отлично, только блок управления не работает, полностью згоревший (как потом выяснилось заводской брак). Быстрый ремонт был невозможен, так как блок был старательно залит смолой и после долгих вечеров с феном и отверткой, на свет таки появилась плата со всеми ее элементами. Недолго изучив конструктив приступил к сборке. Итог - полностью содранн блок управления импульсами, дистанционное управление двигателем. Самое интерестное, то что для того что бы повторить все изделие полностью не хватает толькового эл. двигателя (может кто то посоветует?). Интрестно - ценна проекта по элементной базе, с красивыми коробочками, кнопочками - 400 грн.

[ZEVS]

Всем привет.

Требуется помощь клуба.
Купил электромотор Voyadger 36 и сразу загорелся вопросом переделки на шим.
Открыл его, а там к мотору идет 4 провода (2 толстых и 2 поменше)
Вопрос: может у кого есть схема мотора или кто знает зачем провода меншим сечением используются помогите плиззз.

[Michael]

Допис від ZEVS

...
Купил электромотор Voyadger 36 и сразу загорелся вопросом переделки на шим.
Открыл его, а там к мотору идет 4 провода (2 толстых и 2 поменше)
Вопрос: может у кого есть схема мотора или кто знает зачем провода меншим сечением используются помогите плиззз.

Тонкие идут на "резисторы" - их просто отсоеденить от переключателя заизолировать (можна и обрезать) и забыть, а два тостых идут напрямую на обмотки - от их то и нужно использовать.

[ZEVS]

Допис від Michael

Тонкие идут на "резисторы" - их просто отсоеденить от переключателя заизолировать (можна и обрезать) и забыть, а два тостых идут напрямую на обмотки - от их то и нужно использовать.

Спасибо.

Тогда еще пару вопросов, если не против.

ACS756 не нешел, в ИМРАДЕ есть ACS754LCB-050-PFF PBF подойдет ?
Датчик тока вещь хорошая но дорогая зато можно сделать защиту по току.
В схеме присутствует деталь TVS1 не нашел таковой, может подскажете аналоги ?
Плату все равно придется переразводить. В качестве контроллера планирую использовать ATMEGA8
в ней можно таймеры использовать как шим и ацп есть.

[Michael]

Допис від ZEVS

ACS756 не нешел, в ИМРАДЕ есть ACS754LCB-050-PFF PBF подойдет ?

Подойдет, правда Allegro пишет, чтобы не использовали в новых разработках [[Ссылки только членам профсоюза. ], но то неважно...

Допис від ZEVS

Датчик тока вещь хорошая но дорогая зато можно сделать защиту по току.

Можна было бы сделать на резистивном шунте, но в итоге это обошлося бы значительно дороже и менее точно. А еще можна датчик тока вообще не ставить, а просто ограничить скважность, ... хотя на Десне 70% по течению и 70% против - это совершенно разные токи.

Допис від ZEVS

В схеме присутствует деталь TVS1 не нашел таковой, может подскажете аналоги ?

Это супрессор на 18 В, можна и не ставить (в MOSFETe уже есть), но я на всякий случай перестраховался.

Допис від ZEVS

В качестве контроллера планирую использовать ATMEGA8
в ней можно таймеры использовать как шим и ацп есть.

Можна и ATMEGA8, но для ШИМ "Phase Correct PWM Mode" с частотой 20 кГц и выше понадобится внешний кварц, точно не помню, но где-то от 10 MГц. Но это мелочь... Если не планируется индикация, то можна воспользоваться 8-ми выводной Atiny15 , там есть отдельный PWM генератор на 150 кГц и програмно удобно выбирать требуемую PWM частоту, а ядро запускается от внутреннего RC генератора на 1,6 МГц

[Serbond]

Допис від Michael

Схема силовой части в PCADе 2001 (~65 kB) - [[Ссылки только членам профсоюза. ]
Печатная плата силовой части в PCADе 2001 (~100 kB)- [[Ссылки только членам профсоюза. ]

Выложите пожалуйста кто нибудь схему и печатку в PDF или JPG.
Очень интересно взглянуть!

[Michael]

Силовая часть схемы и разводка платы

[Serbond]

Очень понравилась схема!
Но появилось пару не ясных мне, как любителю вопросов.

1)Объясните пожалуйста, какую функцию выполняют vd1, vd2?
Снизить напряжение на 1,2V?
2)Вы питание драйвера подаёте с платы управления?
Почему нельзя запитать драйвер прямо с силовой платы?
3)Можно ли вместо токовой микросхемы поставить шунт манганиновый?
4)Чем обусловлен выбор транзистора? Он какой то специальный для работы с индуктивной нагрузкой 12-24V?
(что-то такое вроде написано в даташите, но с английским не сложилось)
Или можно поставить IRFZ какой нибудь подходящий по току и напряжению?

[Michael]

Допис від Serbond

1)Объясните пожалуйста, какую функцию выполняют vd1, vd2?
Снизить напряжение на 1,2V?

На плате управления есть еще один диод и суммарное падение получается 1,8 V. Если посмотреть на даташиты мощных MOSFETов разных производителей, то характеристики нормируются при напряжении затвор-исток 10V. Плюс-минус 2...3V на затворе транзистора особой роли не играют - сопротивление открытого канала особо не увеличится и не уменьшится, а драйверу будет легче если напряжение будет меньше.
Мощность расходуемая на заряд-разряд емкости затвора (Cg) определяется по формуле:
Pc = Cg*V*V*F.
F - частота, V - напряжение на затворе;
Мощность ~ напряжению в квадрате: уменьшение V на 16% (с 12V до 10V) уменьшает мощность рассеивания драйвером на 28% - а это уже существенно.

Допис від Serbond

2)Вы питание драйвера подаёте с платы управления?
Почему нельзя запитать драйвер прямо с силовой платы?

Это обычная практика разделять силовые цепи и слаботочные - очень эффективно при мизерных затратах. С аккумуляторных клем идет две пары проводов питания - мотор и управление. Можна ставить дроссель, тоже вариант.

Допис від Serbond

3)Можно ли вместо токовой микросхемы поставить шунт манганиновый?

Можна конечно, если такой есть на руках и устраивает по энергопотерям, термостабильности и есть чем оцифровать с нужным разрешением.

Допис від Serbond

4)Чем обусловлен выбор транзистора? Он какой то специальный для работы с индуктивной нагрузкой 12-24V?
(что-то такое вроде написано в даташите, но с английским не сложилось)
Или можно поставить IRFZ какой нибудь подходящий по току и напряжению?

О это очень хороший транзистор. Я его долго искал, в смысле не знал маркировку. Он как-раз оптимизирован для автомобильного 12V питания и индуктивную нагрузку. И главное корпус ТО-220 - поставил его на небольшом радиаторе. Перед этим был IRF1324 - впаян в плату без радиатора. Не нравился он мне и характеристики и грелся на токах больше 10А из-за своего корпуса . А этот нормально, не греется, жару летнюю выдержал.
Хотя, можете взять какой-нибудь другой, какой понравится.

[Serbond]

Допис від Michael

... А есть интересное решение, а точнее идея, но реализация возможна только в мостовой схеме управления - энергию запасенную индуктивностью мотора отдавать обратно в аккумулятор.

Дайте пожалуйста ссылку, где можно почитать о таком управлении.
А сами не пробовали воплотить эту идею в жизнь?