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Commande moteur avec MOSFET



  1. #1
    yop21

    Commande moteur avec MOSFET

    Bonjour,

    Je suis en train de réaliser un contrôleur pour commander le moteur de la trottinette électrique que j'ai fabriqué.

    Malheureusement je me suis heurté à un problème. Mon MOSFET fini toujours pas griller (il devient passant) du coup ma trottinette devient "folle" est met plein gaz toute seule.

    Voici le schéma de mon circuit de commande:

    fs_1.jpg

    J'ai bien contrôlé le transistor ne chauffe pas trop. La diode de roue libre devrait protéger le transistor de la tension générée par le moteur lorsque celui-ci est en roue libre.

    Composants:
    MOSFET: IRF3205
    Diode: BYW81P-200

    Avez-vous une idée d'où pourrait venir le problème?
    Je sais que je dois encore ajouter un driver de MOSFET entre l'arduino et le MOSFET mais je ne pense pas que ça soit ça le problème (peut-être que je me trompe?).

    Merci pour votre aide,
    Yop

    -----

    Dernière modification par Antoane ; 31/05/2015 à 12h53. Motif: Rapatriement PJ sur le serveur.

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  3. #2
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Bonjour,

    Oui c'est en effet une erreur, surtout si vous le pilotez directement avec l'Arduino en 5V...
    De plus il faut un résistance entre la grille et la source du MOS (pull-down), 10K par exemple.
    Votre MOS est-il fixé sur un dissipateur?
    Tout est bien qui finit.

  4. #3
    antek

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Y'a plein de choses à vérifier (de préférence avec un oscilloscope).
    - la diode n'est-elle pas mouru ?
    - le transistor est-il saturé ?
    - vérifier dans la doc qu'il peut passer le courant moteur avec le Vgs qu'on ne connait pas

  5. #4
    yop21

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Oui il a un petit radiateur. Mais Comme je l'ai dit avant il ne devrait pas y avoir beaucoup de pertes (R*I^2 = 0.008*20^2 = 3.2W). Ça c'est pour les pertes par conduction, les pertes par commutation ne devraient pas être très élevées vu la fréquence (500Hz).

    Le schéma suivant est-il meilleur?

    fs21.jpg

    Merci pour tes commentaires HULK28.

    Je pense que si la diode serait morte j'aurais un court-circuit aux bornes du moteur.
    Si j'ai 5V à la sortie de mon driver je devrais avoir 5V pour Vgs ce qui me donne un courant assez important:

    fs22.png

    Pour être saturé je devrais avoir au moins 1V pour Vds?
    fs23.png

    Merci antek
    Dernière modification par Antoane ; 31/05/2015 à 12h55. Motif: Rapatriement PJ sur le serveur.

  6. #5
    extremgear

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Je ne suis pas expert en la matière mais au vu des graph tu es limite, avec un vgs de 5V tu passes 30 A, mais à 4.5v tu n'en passes plus que 9.

    Je pense qu'il te faut un driver !

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    antek

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Citation Envoyé par yop21 Voir le message
    Oui il a un petit radiateur. Mais Comme je l'ai dit avant il ne devrait pas y avoir beaucoup de pertes (R*I^2 = 0.008*20^2 = 3.2W). Ça c'est pour les pertes par conduction, les pertes par commutation ne devraient pas être très élevées vu la fréquence (500Hz).
    Le schéma suivant est-il meilleur?
    Je pense que si la diode serait morte j'aurais un court-circuit aux bornes du moteur.
    Si j'ai 5V à la sortie de mon driver je devrais avoir 5V pour Vgs ce qui me donne un courant assez important:
    Pour être saturé je devrais avoir au moins 1V pour Vds?
    - je met 500 k en R gs, pourquoi gaspiller des µA !
    - ou un circuit ouvert
    - (pour Vgs) avec une Tj de 25° ce qui n'arrive jamais
    Dernière modification par antek ; 31/05/2015 à 12h05.

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  10. #7
    ranarama

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Bjr. Je pense que ton Mosfet ne peut se commander qu'en 10V et non pas en 5V. Je te conseille d'en acheter en un qui se commande en 5V pas en 10V.

  11. #8
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Citation Envoyé par antek Voir le message
    - je met 500 k en R gs, pourquoi gaspiller des µA !
    - ou un circuit ouvert
    - (pour Vgs) avec une Tj de 25° ce qui n'arrive jamais
    Oui surtout quand on en consomme des dizaine de milli par ailleurs....
    Tout est bien qui finit.

  12. #9
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Il n'y a pas à tergiverser, ce genre de MOS se commande avec 10V min sur sa grille.
    Tout est bien qui finit.

  13. #10
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    C'est du même acabit que pour les NPN et la fameuse discussion sur le courant de sur-saturation, dont certains non rien compris.
    Un MOS peut conduire (et non pas saturé comme j'ai pu le lire, cette appellation étant réservée aux bipolaires...) mais si son canal n'est pas suffisamment fermé il aura un Vds de plusieurs centaines de mV voir supérieur au Volt si autour de 5V, donc une puissance dissipée excessive.
    Il te suffit de mettre un 1 sur la sortie de ton Arduino, avec le moteur branché bien sur, et tu auras ta réponse.
    Tout est bien qui finit.

  14. #11
    yop21

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Ah oui je vois maintenant que Vgs doit être de 10V, j'avais omis de contrôler ce paramètre

    Qu'est-ce que vous pensez de ce transistor? http://www.nxp.com/documents/data_sh...K954R8-60E.pdf

    Donc si j'ajoute un driver et ce nouveau transistor, il ne devrait plus griller?

    Je trouve un peu bizarre quand même, le système fonctionnait très bien avec un plus petit moteur et d'après ce que j'ai pu mesuré il commutait bien, alors pourquoi tout d'un coup il grille (sans chauffer) ?

    Merci pour vos commentaires.
    Dernière modification par yop21 ; 31/05/2015 à 15h38.

  15. #12
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Avec 65nC de charge pour la grille du MOS cela va impliquer un courant de commande de I=Q/t en considérant un courant disponible en sortie du µC de 5mA cela donne un temps de charge de t=65.10^-9/5.10^-3=15µs donc comme tu travailles à 500Hz tu n'as pas besoin de driver de MOS.
    Tout est bien qui finit.

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  17. #13
    yop21

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    J'avais même mesuré moins de 5us comme temps de monté.

  18. #14
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Dans ce cas ton µC sort plus de 5mA.
    Essaye avec ces recommandations, tu verras que ça fonctionnera.
    @+
    Tout est bien qui finit.

  19. #15
    ranarama

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Citation Envoyé par yop21 Voir le message
    Je trouve un peu bizarre quand même, le système fonctionnait très bien avec un plus petit moteur et d'après ce que j'ai pu mesuré il commutait bien, alors pourquoi tout d'un coup il grille (sans chauffer) ?
    As-tu raccordé directement le pin I/O Arduino à la grille du Mosfet ?
    Si oui, cela pourrait l'expliquer.. je vois souvent dans les schémas une résistance de 100 à 220 ohms entre les deux pour protéger la grille du To.

    PS : vérifie également que ta diode est ok (ne conduit que dans un sens)
    Dernière modification par ranarama ; 31/05/2015 à 19h02.

  20. #16
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Petit moteur, petite conso.
    Ce qui est valable dans un cas ne doit pas constituer une généralité.
    Avec un petit moteur le courant étant plus faible le MOS parvient à faire office, soumis à un courant plus élevé il va s'echauffer et tous ces paramètres vont dériver rapidement et finir par crâmer.
    Tout est bien qui finit.

  21. #17
    yop21

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Oui mon microcontrôleur peut sortir 40mA.

    Mais le transistor n'était pas chaud du tout, c'est ça qui me parait bizarre.

    @ranarama tu veux que j'ajoute une résistance 100 ohm entre la sortie de mon microcontrôleur et la gate du MOS? Cela va juste ralentir le temps de mes commutations non?

  22. #18
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Un MOS peut "claquer" sans s'échauffer, par exemple en surtension.
    A ce sujet, comment as-tu câblé ta diode de roue libre?
    Une photo de ton montage serait un plus.
    Tout est bien qui finit.

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  24. #19
    ranarama

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Citation Envoyé par yop21 Voir le message
    @ranarama tu veux que j'ajoute une résistance 100 ohm entre la sortie de mon microcontrôleur et la gate du MOS? Cela va juste ralentir le temps de mes commutations non?
    Si j'ai bien compris il me semble qu'à basse freq comme ici pas de pb avec 100-200 ohms alors qu'en haute freq faut passer par un driver (carte mère de PC par ex)

  25. #20
    yop21

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Pour l'instant je fais un montage en l'air, les composants sont soudés ensemble par leur pin. La diode est comme sur le schéma en parallèle du moteur. Le moteur à un câble de 30cm qui le relie à la diode et aureste du montage.

    ranarama je ne comprends pas très bien de quoi la résistance protégerait le MOSFET? De trop de courant?

  26. #21
    ranarama

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Citation Envoyé par yop21 Voir le message
    ranarama je ne comprends pas très bien de quoi la résistance protégerait le MOSFET? De trop de courant?
    Ton intuition est correct

  27. #22
    fabang

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    C'est un peu normal que le mos crame sans donner l'impression de chauffer. Si tu regarde les courbes, avec une commande en 5V et un courant supérieur à 10A (Ce qui est le cas au démarrage du moteur, Vds doit être supérieur à Valim /2 (Environ Valim- Vmoteur), donc il se prend entre 400 et 800W, ce qui fait que la puce chauffe tellement rapidement qu'il est mort avant que la température du boitier n'ai eu le temps de monter.

  28. #23
    yop21

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Je suis désolé fabang mais je ne comprends pas bien ton résonnement. Pourrais-tu donner plus de détail à ton explication?

    Est-ce que tu veux dire que si j'ai un courant d'appel de plusieurs ampère avec cette courbe:

    http://forums.futura-sciences.com/at...osfet-fs23.png

    Je me retrouve avec une tension Vds élevée, ce qui me donne mon courant * ma tension d'ou la puissance élevée?

    Le nouveau transistor que j'ai cité plus tôt à l'air mieux:

    saturation 2.PNG

  29. #24
    fabang

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Ma remarque concernait le premier mos (IRF3205), pour le second ça devrait aller.
    Pour info, dans ton calcul de puissance, le Ron à Tj 25°C on n'y arrive jamais, il faut considérer Ron à 100°C pour être un peu réaliste, et se fendre d'une évaluation même à la louche des pertes en commutation (en gros V/2 * I/2 * temps de charge de la gate / période PWM).
    Avec le nouveau mos, pour 22A on prend un Ron d'environ 8mohms ce qui donne une perte par conduction (quand l'angle de conduction approche de 100%)de l'ordre de 3,5W + 1W pour les pertes de commutation. Donc dimensionner quand même un petit dissipateur pour être capable d'encaisser jusqu'à 5W.

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  31. #25
    yop21

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Ok merci pour vos explications, je vais commander le nouveau transistor et faire un essai, je vous tiens au courant

  32. #26
    HULK28

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Citation Envoyé par yop21 Voir le message
    ranarama je ne comprends pas très bien de quoi la résistance protégerait le MOSFET? De trop de courant?


    Non pas du tout.
    On insère une résistance dans la commande de grille uniquement quand on doit ralentir le temps de monté, sans quoi on génère des perturbations électromagnétiques (voir les notions de CEM).
    Dans ton cas aucun intérêt, ça ne servira strictement à rien, avec 5µs de temps de monté on est bien loin de ce genre de considération...
    Tout est bien qui finit.

  33. #27
    Montd'est

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Citation Envoyé par yop21 Voir le message
    Pour l'instant je fais un montage en l'air, les composants sont soudés ensemble par leur pin. La diode est comme sur le schéma en parallèle du moteur. Le moteur à un câble de 30cm qui le relie à la diode et aureste du montage.
    Je ne vois pas comment ton install est faite, mais saches que des fils trop longs à certains endroits ajoutent de l'inductance indésirable, cette inductance peut provoquer des surtensions à l'ouverture du mosfet, si la tension ( visible qu'à l'oscillo ) dépasse le Vdss du mosfet: il peut casser.

    Question naïve: t'es sûr que t'as pas un bug de programme qui met ton rapport cyclique à 100 % au démarrage, ne serait-ce que quelques µs ( alors que le moteur est encore à l'arrêt) donc risque de pic de courant ?

    Et le découplage de la partie puissance ?
    Dernière modification par Montd'est ; 01/06/2015 à 05h31.
    Ya un bon moyen de se tromper de solution: c'est de se tromper de problème.

  34. #28
    yop21

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Oui je sais que je dois raccourcir les câbles, je le ferai au plus vite alors.

    Oui au début j'avais aussi pensé que le contrôleur mettait à 1 la commande au démarrage. C'est pour cela que je l'alimente avec une pile comme ça il se met dans un état "stable" et ensuite j'alimente le reste du circuit avec les batteries.

    Qu'est-ce que tu entends par la partie découplage de puissance?

  35. #29
    zibuth27

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    hello,

    résistance de grille :
    L'insertion de série résistance de grille sert surtout à protéger la logique de commande (ici l'arduino)
    Ne pas en mettre permet une attaque plus rapide de la grille, mais attention on ne l'exprime plus seulement en R*C (qui donne la constante de temps, c'est à dire le passage à 63% de l'échelon de commande). Les circuits de commande grille n'ont pas de résistance ou très faible (p ex le TPS28225 "MOSFET driver" a une résistance en source de 1 ohm et en sink de 0.4 ohm)
    Ne pas en mettre diminue aussi l'effet de la capacité Miller (parfois appelée Reverse Transfer Capacitance) en empêchant les oscillations de la grille induites par une forte variation du drain
    Comme il s'agit d'un transitoire bref, la question du courant max est assez secondaire, le courant efficace reste faible

    Il peut être utile de mettre une résistance de saignée grille-source de quelques dizaines de kohms pour éviter le latch-up du microcontrôleur en cas de tension alim du micro baguotante de 0 à 5V alors que la capacité de grille est encore chargée.


    destructions de MOS :
    Il y a une sensibilité à la fréquence de récurrence PWM, vers les basses fréquences, où le MOS voit des démarrages moteur au rythme PWM. Pour le même moteur, le régime de rotation sensiblement le même, le courant consommé croît fortement. Ton moteur de 22A peut demander plus de 200A au démarrage que ne peut fournir le transistor à 5V grille
    quelle est l'impédance de ton moteur au démarrage ?
    tu aurais peut-être intérêt à augmenter la fréquence de PWM


    Résultats d'essai :
    alim limitée à 5A
    moteur radiateur de R5 12V à aimants permanents, une centaine de W, utilisé à vide (el l'alim décroche pourtant!), inductance mesurée par constante de temps via résistance, rotor bloqué = 50mH
    MOS IRF1010E (84A)
    commande de grille par géné DDS à rapport cyclique variable
    un BS 170 intermédiaire, grille directement en sortie arduino, sa charge collecteur 820 ohms directement au 12V
    une diode Schottky en roue libre (MBR1545)

    fonctionnement avec moteur :
    comme dit Montd'est il peut y avoir des surtensions accompagnées d'avalanches excessives du MOS, aggravées si l'impédance de commande grille est trop forte (Miller entrainant une recommutation)
    Ne pas oublier qu'en PWM, la charge est commandée sous faible impédance à l'état ON, alors qu'elle est sous très forte impédance à l'état OFF, avec des transitions importantes. Les états 0% et 100% sont les plus maîtrisables, les intermédiaires sont nettement plus complexes

    images jointes :
    commande directe de grille par PWM 62kHz : on voit nettement les paliers de charge - décharge de grille et la tension drain vers le moteur. La commutation de sortie fait 5µs (switch OFF) et 8µs (switch ON), c'est dans ces phases qu'une part importante de la puissance est dissipée
    synthèses de mesures en commmande grille par 820 ohms (ON) et <1 ohm (OFF) par BS170

    - régime en fonction du rapport cyclique, à différentes fréquences
    - régime en fonction de la fréquence, à différents rapports cycliques
    - détail à basse fréquence



    saluts
    Images attachées Images attachées

  36. #30
    ranarama

    Re : Commande moteur avec MOSFET

    Concernant la partie puissance, j'estime qu'il conviendrait de faire un "soft start" au moins sur 2 secondes afin de limiter le courant d'appel en ne commençant qu'à alimenter le moteur vers la mi-tension (voire moins, seuls des essais en charge peuvent le déterminer) et en l'accroissant doucement en jouant sur le rapport cyclique, jusqu’à 33V. La batterie va grandement appréciée tout comme la Diode/Fet et puis il faut bien que l'Arduino serve à quelque chose
    Dernière modification par ranarama ; 01/06/2015 à 09h14.

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