Ansteuerung kleiner Gleichstrommotoren

Gebürstete Gleichstrommotoren werden in jeder Branche eingesetzt, von der Automobilindustrie über industrielle Anwendungen bis hin zu Konsumprodukten. Sie finden sie in Scheibenwischern, Nähmaschinen, Bohrmaschinen, Luftkompressoren und sogar in Spielzeugautos. Während einige modernere Anwendungen effizientere und hochdrehmomentige bürstenlose Motoren nutzen, erfordern diese deutlich mehr Software und Elektronikhardware zum Betrieb. Andererseits sind gebürstete Gleichstrommotoren sehr preiswert und effektiv und können in einigen der Produkte, die Sie herstellen, praktisch oder sogar unverzichtbar sein. Wenn Sie einen relativ kleinen gebürsteten Gleichstrommotor haben und ihn in beide Richtungen, vorwärts und rückwärts, antreiben möchten, benötigen Sie eine Halbbrücke (H-Brücke).

Eine H-Brücke ermöglicht es Ihnen, die an den Motor angelegte Polarität zu wechseln. Dies ermöglicht es Ihnen, den Motor entweder vorwärts oder rückwärts zu treiben, den Motor von der Stromversorgung zu trennen oder ihn kurz zu schließen, um als elektrische Bremse zu wirken. Obwohl es vollständig integrierte H-Brücken gibt, die in der Lage sind, mehr als 10 Ampere zu treiben, sind die meisten für 4 Ampere oder weniger ausgelegt. Die kompakten IC-Gehäuse erlauben nur eine begrenzte Wärmeabfuhr, was die Stromkapazität der Treiber begrenzt. Es ist häufiger, Motor-Treiber-ICs zu finden, die zwei Motorausgänge anstatt nur einen haben, und vier in einem einzigen Paket integrierte Controller sind auch ziemlich üblich. Mehrere Treiber in einem einzigen Paket zu haben, ermöglicht in vielen Situationen sehr kompakte Designs, da die meisten industriellen, automobilen oder Konsumprodukte mehr als einen Motor verwenden.

Gute integrierte H-Brücken-Controller ermöglichen eine digitale Strombegrenzung oder zumindest das Setzen von Stromgrenzen durch den Widerstand. Der eingebaute Controller des Treibers wird dann die Pulsweitenmodulation (PWM) verwenden, um den Motor anzutreiben und gleichzeitig den Strom unter der festgelegten Grenze zu halten. Dies ist eine großartige Möglichkeit, den Antrieb, den Motor, die PCB und potenziell auch den Akku vor Schäden zu schützen. Wenn ein Gleichstrommotor blockiert ist, stellt er im Wesentlichen einen direkten Kurzschluss dar, der zu sehr hohen Stromaufnahmen führen kann, die den Motor, den Treiber oder die Spuren und Anschlüsse, die nicht für die Stromlast ausgelegt oder bewertet sind, schnell beschädigen könnten.

Zu berücksichtigende Spezifikationen

Wenn Sie nach einer H-Brücke suchen, gibt es mehrere kritische Spezifikationen, die die Optionen für Ihre Anwendung eingrenzen werden.

R_DS(on) - Widerstand Drain-Source Ein

Der FET-Widerstand ist eine kritische Spezifikation, da er direkt mit der Menge an Energie zusammenhängt, die als Wärme im integrierten Schaltkreis verloren geht. Wenn das Gehäuse die Wärme nicht schnell genug abführen kann, kann der integrierte Schaltkreis in einen Selbstschutzmodus gehen oder seinen magischen Rauch freisetzen. Unabhängig von der Nennstromstärke des Geräts ist Wärme der wahre Begrenzer. Wenn Sie einen begrenzten Bereich um den Treiber für die Kupferfläche haben, um als Kühlkörper zu wirken, müssen Sie die R_DS(on)-Spezifikation priorisieren, damit der Treiber so wenig Wärme wie möglich erzeugt.

R_θJA - Thermischer Widerstand des Gehäuses

Wenn es um Überhitzung geht, ist der thermische Widerstand des Gehäuses ziemlich kritisch. Viele Treiber haben eine freiliegende Fläche auf der Unterseite, selbst die in Gehäusen mit Anschlussdrähten, um Wärme vom Übergang weg und in das Kupfer auf der Leiterplatte zu leiten. Der thermische Widerstand bestimmt, wie schnell Sie Wärme entfernen können und, zusammen mit der RDS(on)-Spezifikation und einer bekannten Kupferfläche für die Wärmeableitung, ermöglicht es Ihnen, einige Berechnungen durchzuführen, um zu bestimmen, ob Sie die maximale Sperrschichttemperatur, T_J(max), erreichen werden.

V_BB - Motorspannungsversorgung

Diese Spezifikation sollte ziemlich selbsterklärend sein. Dies ist die maximale Spannung, die dem Treiber zum Betreiben des Motors zugeführt werden kann. Dies unterscheidet sich von der Logiksteuerspannung, die in der Regel getrennt und viel niedriger ist. Stellen Sie sicher, dass V_BB höher als die Spitzenspannung der Stromquelle für den Motor ist. Wenn Sie den Motor mit einem Akku betreiben, berücksichtigen Sie dessen voll geladene/frische Spannung anstelle seiner Nennspannung.

V_IN - Logikversorgungsspannung

Moderne Mikrocontroller haben normalerweise ein Logikniveau von 1,8 V oder 3,3 V, aber einige ältere können mit 5 V betrieben werden. Die meisten Treiber sind mit allem Positiven bis zu etwa 6 Volt zufrieden, jedoch sind einige 3,3 V oder weniger. Wahrscheinlich werden Sie VIN mit derselben Spannungsschiene wie Ihren Mikrocontroller verbinden.

I_OUT - Ausgangsstrom

Der nutzbare Strom wird wahrscheinlich eher durch die Sperrschichttemperatur als durch die I_OUT-Spezifikation begrenzt. Wenn Sie jedoch den Motor nicht kontinuierlich verwenden und den Motor nur gelegentlich pulsieren, ohne dass die Sperrschicht aufheizt, ist die Ausgangsstrombegrenzung erwägenswert. Bei Treibern, die den Strom digital oder mit einem Widerstand einstellen können, ist diese Spezifikation das Maximum, das Sie einstellen können.

Wahrheitstabelle

Die meisten Treiber haben kein Problem damit, wenn Sie den Motor durch den Treiber kurzschließen, um als elektrische Bremse zu wirken, jedoch erlauben dies einige Treiber nicht. Wenn Sie den Motor elektrisch bremsen möchten, indem Sie ihn kurzschließen, überprüfen Sie die Wahrheitstabelle im Datenblatt, um sicherzustellen, dass das Setzen beider Eingänge auf hoch (oder niedrig) den Motor bremst. Das Setzen beider Eingänge auf niedrig (oder hoch) sollte dann ein Leerlaufmodus sein, bei dem jede Motorleitung von der Stromversorgung getrennt ist.

Schaltungsdesign

Das Ansteuern einer integrierten H-Brücke ist relativ einfach. Das folgende Schaltbild ist für einen Allegro A4954 und stammt aus meinem Open-Source Siemens SMT Pick and Place dual lane feeder controller (Sie können es von GitHub herunterladen, um seine Implementierung zu sehen). Es gibt einige Bulk-Kapazitäten an den Eingängen, um die Spannung für die anderen Komponenten auf der Schaltung stabil zu halten, sowie um den Treiber während der hohen Anforderungen des Motors beim Beschleunigen mit Strom zu versorgen. Ich verwende auch Potentiometer, um den Strom des Motors einzustellen. Jede Eingangsleitung hat einen 33-Ohm-Widerstand in einem Versuch, den Mikrocontroller im Falle eines Ausbrennens der H-Brücke zu schützen.

Sie werden auch eine Schutzdiode zwischen den Drähten des Motors und dem Treiber sowie einen Entkopplungskondensator wünschen, um transiente Hochspannungen zu unterdrücken, die erzeugt werden, wenn der Motor stoppt, und um elektromagnetische Störungen zu reduzieren.

Die Auswahl und Verwendung eines integrierten Bürstenmotor-Treibers ist einfach, aber Sie sollten den thermischen Überlegungen in Ihrem Design besondere Aufmerksamkeit schenken. Der einfachste Weg, den Treiber zu zerstören oder intermittierende 'Fehler' mit dem Motor zu haben, ist, das Gehäuse zu überhitzen, was entweder zu einem direkten Ausfall oder zu einer thermischen Abschaltung führt.

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