Attuatore argano elettrico/verricello 12V

[GiovanniG1]

Ciao a tutti, un mio amico mi chiede un consiglio, ragionando sulla fattibilità prima di ogni progettazione e mi sorgono alcuni dubbi, vorrei interpellare la vostra esperienza e chiedere un'opinione.

Per motivi di spazio ha bisogno di sollevare un armadio e di calarlo 1 volta al giorno, non è particolarmente pesante, viciamo che col contenuto può aggirarsi sui 150kg, pensava di utilizzare un verricello. Per motivi di spazio, e di rumorosità preferisce un 12V piuttosto di quelli 220, avrebbe poi necessità di realizzare i due fine corsa e magari rallentare la corsa in prossimità degli estremi (soprattutto l'appoggio), it telecomando in dotazione ha principalmente 2 problemi, quello di dover tener premuto il bottone fino al raggiungimento della posizione e quello, credo di indovinare, della durata dei contatti del relè della centralina, che visto le correnti in gioco e il carico prettamente induttivo, non tarderanno a deteriorarsi. Oltre a questo c'è anche un problema di alimentazione, questi verricelli assorbono anche 100A sotto sforzo, ora con un peso simile dovremmo essere lontani, ma comunque un 30 Amper io li considererei.. a un alimentatore di questa portata non è semplice da trovare, comunque a dei prezzi convenienti; a questo punto si potrebbe optare per una batteria d'auto cstatnemente collegata ad un caricabatterie che la mantenga suil 13,5v max.

 

Bene, supponenedo questo sistema, come posso lavorare in PWM per il soft-start e end? Il carico induttivo con queste correnti potrebbe generare controtensioni importanti, forse la cosa è risolvibile utilizzando frequenze PWM più elevate (quanto mi consigliate? Bisogna stare attenti alla possibile risonanza) o con dei condensatori in parallelo opportuni (che mitighino la componente induttiva, e che non la facciano risonare). La capacità calcolabile facilmente? Meglio anche usare diodi shotty in parallelo? In teorica con i condensatori non servono.
Oltre a questo c'è da porre attenzione ai mosfet, due relè statici SSR per DC da 40A in parallelo potrebbero andare bene? O c'è il rischio che un mosfet si carichi iù dell'altro andando in crisi? In teoria il calore prodotto dalla corrente passante sul SSR più "conduttivo" dovrebbe aumentare la temperatura di giunzione, aumentandone la resistenza Drain-Source, facendo intervenire maggiormente l'altro SSR. In teoria quindi il parallelo va bene.. e rimane la questione di lavorare in PWM con queste correnti in gioco su avvolgimenti del motore..

 

Se dovessi risultare non lontano dalla soluzione, il resto sarebbe semplice, un controllore che controlli i finecorsa (magari delle fotocellule) che una volta intervenuti fanno rallentare in PWM il motore. Il verso di rotazione lo cambio con un relè, che i inverta in uscita il + e il -, per poi  attivare il PWM. Opportuno anche un rilevatore di corrente, che se fosse troppa (guasto) dovrebbe bloccare il processo.

 

Grazie per il consiglio

Modificato: 28 gennaio 2023 da GiovanniG1

[Livio Orsini]

Per prima cosa è necessario che il motore sia dotato di un freno meccanico di emergenza.

Poi è necessario avere una retroazione di velocità per evitare che, specialmente in discesa, il carico "scappi".

Ultimo, ma non ultimo, è indispensabile che ci sia un sistema di frenatura durante la discesa, ovvero un resistore che dissipi l'energia generata dal motore che lavora come freno, a meno di usare un riduttore meccanico non reversibile.

 

Il pilotaggio del motore deve avvenire tramite un ponte ad "H" in modo da poterlo pilotare in entrambe le direzioni.

 

Consiglio finale: Usa un verricello già pronto completo di controllo. Ci sono i verricelli che vengono montati sulle auto o sui carelli portabarche che hanno gia tutto iònecessario e, soprattutto, sono collaudati e sicuri.

In caso di guasto, uncarico sospeso di 150kg può fare danni notevoli a cose e, soprattutto, a persone.

 

 

[Livio Orsini]

Fermo restando le criticità che ho elencato in precedenza ti consiglio di leggere questa discussione, dove trovi un regolatore per motore cc realizzato da Mirko Ceronti.

[GiovanniG1]

Grazie mille Livio, come prima cosa assicuro che si tratta di un verricello pronto, testato, collaudato e sicuro, non c'è pericolo di danno alle persone.
Si tratta di un motore che fa girare una vite senza fine. la quale muove un ingranaggio, è impossivile che esistano pericoli.

Detto questo, mi concentrerei prettamente sulla parte elettronica che va adeguatamente progettata, ho letto diverse pagine di quel topic ma non trovo le informazioni precise che vado cercando:

Trattandosi di un motore 12v di notevole potenza, capace di raggiungere gli 80 A a carico massimo (coem ho detto, io credo di aggirarmi sui 20, cnsiderando il peso da sollevare), che controindicazioni posso ottenere?

Un alto levello di induttaza, che generà extratensioni negative, è pericoloso per lavorarci col PWM? Escludo il pilotaggio in classe A! Ci metto un diodo shotty? Che frequenza dovrei usare per minimizzare l'inconveniente? Molto alta? Per esempio 50KHz? Ci metto un condensatore poliestere in parallelo per smorzare la risonanza? E se invece sbaglio capacità e la accentuo?

Sono domande prettamente tecniche con le quali ho bisogno di confrontarmi con voi. Grazie mille per l'aiuto!

PS: per invertire il senso di marcia uso un relè a doppio scambio per invertire i poli di uscita, che aziono quando il mosfet è interdetto, in modo da evitare sfiammate e altri problemi)

Modificato: 2 febbraio 2023 da GiovanniG1

[Livio Orsini]

Comincia con il leggere la discussione che ti ho linkato, i problemi son sempre quelli al limite ci sarà da sostituire il mosfet ed il drive.

[GiovanniG1]

Me la sono riletta tutta, a parte un post in cui si parla di "fischio" e l'utente che dice di aver cambiato la frequenza dell'NE da 1KHz a 15, non trovo nulla che approfondisca le tematiche che cerco:

- Frequenza ottimale di PWM considerando la forte componente induttiva.
- Se serve compensare l'induttanza con un condensatore, se questo va correttamente dimensionato per evitare pericolose risonanze, e per, viceversa, attutire la risonanza degli avvolgimenti.
- Se seve un diodo shotty in parallelo per evitare sovratensioni negative allo stacco del mosfet.

Il circuito discusso è, secondo me, facilmente riassumibile con un microcontrollore+Mosfet, e si può anche associare un sensore di corrente continua per controllare l'assorbimento, ma se parliamo solo di start/stop.. non dovrebbe essere necessario, visto che si può creare un software adatto a da accelerare il motore dolcemente in qualche secondo.

C'è qualcuno che ha specifica esperienza in questo campo? Grazie mille
Forse dovrò simulare con Protel e cercare di saltarne fuori da solo, ma mi sembra una tematica piuttosto frequente al giorno d'oggi (controllare motori CC con microcontrollore), per questo provo a chiedere

Modificato: 5 febbraio 2023 da GiovanniG1

[Livio Orsini]

2 ore fa, GiovanniG1 ha scritto:

Frequenza ottimale di PWM considerando la forte componente induttiva.

 

Più è alta la componente induttiva, più si può scendere con la frequenza base o portante di PWM.

Ai primordi, quando le freqeunze base erano nell'intono di 1kHz, con i motori a magneti permanenti si dovavano porre in serie degli induttori, proprio per alzare il valore induttivo.

Questo è facile da conmprendere se si pensa che lo scopo è quello di avere la corrente tendente al continuo.

Se tu osservi la forma d'onda sull'armatura del motore con un oscilloscopio, vedrai una tensione impulsiva.

Però se osservi la corrente con una sonda adeguata, vedrai una base continua con sovrapposto un ripple triangolare. Maggiore è la frequenza e maggiore è il valore di induttanza di armatura, minore sarà il ripple. La corrente va osservata tramite una sonda di corrente sensibile alla corrente continua. Osservarla su un resistore di shunt è....una fesseria, perchè sul resistore non vedi la corrente ma la tebsione. (c'è stato un furbone che ha anche presentato gli oscillogrammi per sostenere la sua tesi.)

Mettere un condensatore in parallelo al motore serve, tuttalpiù, a ridurre i disturbi dovuti allo scintillio delle spazzole; in compenso rallenta la risposta del sistema e non da miglioramenti sulla forma della corrente.

In genere, con motori industriali a magneti permanenti, oggi si lavora con freqeunza base tra 5kHz e 8kHz, qualche volta, per certe applicazionio si superano i 10kHz.

 

2 ore fa, GiovanniG1 ha scritto:

Se seve un diodo shotty in parallelo per evitare sovratensioni negative allo stacco del mosfet.

 

Questa domanda non dovevi nemmeno farla.🙂

Se non usi un transistor (BJT, MOSFET, IGBT) che preveda già internamente il diodo di ricircolo lo devi mettere esternamente. Io, comunque li prevedo sempre.

 

 

2 ore fa, GiovanniG1 ha scritto:

si può anche associare un sensore di corrente continua per controllare l'assorbimento, ma se parliamo solo di start/stop.. non dovrebbe essere necessario, visto che si può creare un software adatto a da accelerare il motore dolcemente in qualche secondo.

 

Non è questione di rampe di accelerazione. L'assorbimento di un motore cc è direttamente proporzionale alla coppia che deve erogare, ovvero alla forza richiesta dal carico. Il controllo delimite di corrente deve essere sempre fatto, e deve anche essere velocissimo nel suo intervento, per 2 motivi:

1. Evitare sovraccarichi al motore.
2. Proteggere i semiconduttori da sovracorrenti e cortocircuiti. Questa è la ragione prima che giustifica un buin controllo di corrente.

2 ore fa, GiovanniG1 ha scritto:

C'è qualcuno che ha specifica esperienza in questo campo?

 

Cosa vuoi sapere? Il mio primo chopper per pilotare motori cc risale addirittura al 1975, erano da poco usciti transistori adatti ad un costo decente.

 

Che micro pensi di usare?

Devi fare molta attenzione, ma veramente molta, sia al layout del cs, sia alle alimentazioni e ralivi filtraggi, perchè questi drive hanno al brutta abitudine di generare disturbi veramente pesanti.

 

Il circuito proposto da Mirko oltre 10 anni fa, oltre ad illustrare bene i vari blocchi ed il corretto pilotaggio del MOSFET, ha il grandissimo pregio di avere una grandissima immunità ai disturbi.

Modificato: 5 febbraio 2023 da Livio Orsini

[GiovanniG1]

Grazie Livio per la tua risposta, sei l'unico che se l'è sentita questo è un tema abbastanza arduo, però mi aspettavo che fosse più conosciuto e dibattuto visto che siamo ormai in piena evoluzione auto elettriche, e il pilotaggio di motori in pwm con correnti importanti è diventato molto diffusom dovrebbero anche esserci integrati che si occupano di gestire da soli un motore, controllare la corrente, eventualmente variare pure la frequenza PWM rispetto alla velocità del motore, per ottimizzare il rendimento e ridurr ei problemi.

Il dubbio sul diodo di protezione (che comunque non costa nulla mettere) è sulla presenza del condensatore, se c'è è impossibile aspettarsi un picco negativo, in quanto andrebbe a scaricare il condensatore, che si opporrebbe al brusco cambio di tensione. A proposito del condensatore, questo è il dubbio che mi rimane, di che capacità sceglierlo? Qualcosa che non risuoni con l'induttanza al gradino, che ne pensi di una decina di microfarad in poliestere?

Ok cercherò di stare sui 10KHz.

La protezione in corrente che dici, se ricordo bene lo schema che vidi, si basa sul pilotaggio in classe A del finale, creando forti dissipazioni, io invece punto a ridurre la corrente media usando un duty cycle basso. Per quanto riguarda i corti e la protezione dell'accumulatore userò un termico monopolare da 50A, e se si bruciano i mosfet in parallelo pazienza.. non è una grande perdita.

 

Userò un arduino nano con AT-mega328, per pilotare i mosfet userò un accrocchio con un NE555 e un paio di resistenze, lo uso come puro buffer di corrente e traslatore di tensione, se piloto i mosfet con 0 - +12V ottengo indubbiamente una grande saturazione e evito al massimo il passaggio in zona attiva

Modificato: 17 febbraio 2023 da GiovanniG1

[Livio Orsini]

34 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

se c'è è impossibile aspettarsi un picco negativo, in quanto andrebbe a scaricare il condensatore,

 

Quale condensatore?

Te lo ripeto:non ci deve essere alcun condensatore in paralleo al motore, punto!

 

36 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

La protezione in corrente che dici, se ricordo bene lo schema che vidi, si basa sul pilotaggio in classe A del finale, creando forti dissipazioni,

 

Assolutamente no!

Non deve esserci nessun funzionamento in classe A del semiconduttore di potenza che funge da interruttore!

Deve essere assolutmente un classe D puro, con fronti di salita e discesa tendenti a tempo zero. Proprio per questo motivo ti consigli di usare un driver specifico per mosfet in commutaione.

 

38 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

Ok cercherò di stare sui 10KHz

 

Dipende dall'induttanza del motore. Tieni presente che più sali di frequnza più il motore scalda perchè aumentano le perdite.

 

40 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

Per quanto riguarda i corti e la protezione dell'accumulatore userò un termico monopolare da 50A,

 

Questo protegge accumulatore e fili, ma non protegge il semiconduttore!

Per la protezione dei semiconduttori bisogna agire sulla derivata della corrente e bloccare immediatamente il trannsistor (BJT, MOSFET o IGBT) quando il di/dt  supera il valore previsto.

 

42 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

e se si bruciano i mosfet in parallelo pazienza.. non è una grande perdita.

 

 

Scusa ma la tua è una filosofia aberrante.

 

43 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

Userò un arduino nano con AT-mega328,

 

Qui andiamo di male in peggio.

Visto che tanto non ascolti chi sicuramente ha molta più esperienza di te in queste applicazioni (è facile visto che lamtua esperienza è zero), questo è il mio ultimo intervento.

[GiovanniG1]

Perchè dici così, ascolto e se posso imparo. NOn capisco cosa ci sia di male per un ATmega, uso un NE555 per bufferizzare corrente e tensione, per pilotare i gate dei mosfet.
Non credo che si verificheranno corti o guasti, i carichi non saranno mai esagerati, il cambaggio è fisso, l'unico inconfeniente che ci può essere è un guasto (blocco) al motore stesso, se si dovesse verificare il guasto ai mosfet sarebbe l1% della spesa per riparare il resto. Preferisco fare così piuttosto che creare quello schema, ho pochissimo tempo a disposiziione. NOn è una mancanza di rispetto nei tuoi contronti, è una consapevole scelta.
L'alimentazione del ATmega sarà super filtrata, il controllore posizionato opportunamente distante e con le pareti schermate, il watchdog sarà impostato minimo,non preoccuparti )

Sulla mancanza di condensatore ho qualche dubbio, lavorare con i semiconduttori puramente a gradino su una induttanza con correnti di 30 amper non è un'idea che mi entusiasma.
Le stesse piastre a induzione hanno condensatori di compensazione
 

[Livio Orsini]

29 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

Sulla mancanza di condensatore ho qualche dubbio, lavorare con i semiconduttori puramente a gradino su una induttanza con correnti di 30 amper non è un'idea che mi entusiasma.

 

Non ti entusiama,ma il comando di un motore cc DEVE essere fatto in questo modo, punto.

Se tu conoscessi meglio la macchina elettrica motore in corrente continua lo capiresti.

 

29 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

NOn capisco cosa ci sia di male per un ATmega, uso un NE555 per bufferizzare corrente e tensione, per pilotare i gate dei mosfet.

 

1. Non ho nessuna voglia di riscrivere quello che ho già scritto più volte, in ordine all'assuluta mancanza di immunità ai disturbi, condotti ed irradiati, delle schede arduino; queste schede sono state progettate per lavorare come emulatore a basso costo, per sviluppare software in laboratorio.
2. Il pilotaggio dei MOSFET di potenza in commutazione, come ho già scritto "ad abundantiam", deve essere fatto con un circuito adatto o, meglio, con uno specifico driver. Se il mosfet non è ben pilotato, le transizioni non avvengono con i tempi correttti, con tutto quello che ne consegue.

 

29 minuti fa, GiovanniG1 ha scritto:

Perchè dici così, ascolto e se posso imparo.

 

Da quello che scrivi non sembrerebbe.

Modificato: 18 febbraio 2023 da Livio Orsini

[PierGSi]

Per una applicazione simile utilizzai un modulo basato su BTS7960 ; un doppio half H bridge da circa 40A che si trova facilmente su amazon ed ebay.

Controlla il datasheet, ma se ben ricordo è anche in qualche modo autoprotetto.

Come ti è stato consigliato, il comando e modulazione di motori DC si fa in PWM e non con semiconduttori in zona lineare, nel mio caso realizzai un soft start e stop con un piccolo micro ad 8 pin ( ATTINY 13 ).

 

PS. Fondamentale una logica Fail safe che preveda ad esempio un relè di adeguata potenza in serie con sicurezze varie (fungo, ecc) in modo che eventuali cortocircuiti dei mosfet non provochino l'attivazione incontrollata del motore.

 

 

Ciao,
Pier.

[Livio Orsini]

3 ore fa, PierGSi ha scritto:

utilizzai un modulo basato su BTS7960 ;

 

Questa è un'ottia scelta, visto che ci sono anche numerosi moduli già pronti e poco costosi.

Soprattutto hai la certezza che i moduli di potenza sono pilotati in modo appropriato.

 

3 ore fa, PierGSi ha scritto:

Fondamentale una logica Fail safe che preveda ad esempio un relè di adeguata potenza

 

L'autore garantisce che si tratta di un verricello già completo a cui vuol solo fare una regolazione di velocità al motore; quindi il verricello dovrebbe essere già predisposto delle sicurezze necessario; dovrebbe anche avere un riduttore irreveversibile.