Control de pequeños motores de corriente continua con Altium Designer

En este artículo, vamos a detallar la implementación real de un circuito integrado controlador, desde la creación del esquemático hasta el diseño del PCB. Encontrarás este proyecto en GitHub, publicado bajo una licencia de código abierto por si simplemente quieres tomarlo para copiar y pegar en tu propio diseño.

Selección de Componentes

Tengo dos motores pequeños de alta velocidad que quiero manejar, los cuales consumirán alrededor de 1 amperio cada uno bajo carga, y necesitaré que funcionen con una fuente de alimentación de 30 voltios en una máquina industrial. La electrónica original se quemó y ahora está obsoleta, por lo que se necesita desarrollar una nueva placa de control. Por ahora, solo voy a discutir el controlador del motor en este proyecto.

Dado los requisitos y el área limitada de la placa con la que tendré que trabajar en la placa de circuito final, he elegido usar el Allegro A4954 por sus calificaciones de 2 amperios / 40 voltios y el paquete TSSOP-16 con una almohadilla térmica. También es muy asequible, casi al mismo precio que un único controlador de motor, como el Allegro A4953, y otros controladores de motor individuales de bajo costo que podrías usar si solo tuvieras un motor para conducir.

La principal ventaja de usar el controlador IC único para nuestra aplicación es que reduce el número de componentes adicionales requeridos para completar el esquemático. Los únicos componentes adicionales que requerimos son unos pocos resistores, capacitores y un regulador de 3.3v. También me gustaría agregar un diodo y un capacitor en cada terminal del motor, sin embargo, para reducir picos transitorios que podrían dañar el Puente H o causar problemas de certificación de compatibilidad electromagnética.

Diseño Esquemático

Normalmente, trabajaría con una biblioteca de base de datos, pero para los propósitos de este artículo, eso no crearía una solución muy portátil de la que ustedes podrían trabajar. Por lo tanto, he añadido los archivos pcblib y schlib relevantes al proyecto, e incluí las huellas a los símbolos esquemáticos para comenzar. Sin embargo, esto significa que estamos colocando pasivos genéricos en lugar de los de la biblioteca, lo cual es algo que no me gusta. Colocar partes genéricas conduce a errores, así que este es un gran lugar para usar Concord Pro con el fin de ayudar a gestionar la biblioteca, pero sin añadir a todos mis lectores a mi equipo de Concord Pro, ninguno de ellos podría hacer uso de la biblioteca que crearía. Por lo tanto, para colocar partes que sé que son obtenibles, voy a buscar cada componente requerido en el panel de Búsqueda de Partes del Fabricante, y luego Añadir Enlace del Proveedor y Parámetros a la Parte en cada símbolo esquemático. Esto también ayudará al generar una lista de materiales así como al ordenar componentes de un proveedor.

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Altium te permite añadir enlaces de proveedores, facilitando las cosas más adelante.

Descubro que gestionar los componentes a medida que los añades es crucial para asegurar que cada pieza sea un componente válido y que se pueda pedir. Es mucho más fácil asegurarse de que cada parte es válida mientras las colocas que descubrir al final de la fase de diseño que un componente no se puede obtener y que el diseño necesita ser revisado para dar paso a un componente sustituto.

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Comenzamos añadiendo todos nuestros componentes válidos y pasivos genéricos al esquemático.

Estoy empezando mi diseño con los conectores, la resistencia de detección de corriente, el diodo TVS y el CI principal especificados.

También tengo añadidos los símbolos genéricos de capacitor, resistencia y potenciómetro, los cuales copiaré y pegaré según sea necesario durante el proceso de diseño, para luego especificarlos una vez que estén en el lugar correcto en el esquemático. Cuando se realiza rápidamente un esquemático con partes genéricas en diseños simples, encuentro que esto es más rápido que tener que volver al panel de la biblioteca cada vez para recoger otra copia del mismo componente. Puedes arrastrar con la tecla Shift presionada el símbolo para clonarlo, que es la manera más rápida que he encontrado de colocar otro componente genérico del mismo tamaño.

Luego conectamos todas las partes que hemos colocado para hacer un esquemático completo.

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El esquemático completamente lleno es bastante simple, como debería ser con un CI de controlador totalmente integrado. Tengo algunos resistores de 33 ohmios para proteger el microcontrolador de las entradas al CI del controlador, que, en caso de que algo terrible suceda al controlador, deberían limitar la corriente que fluye hacia el microcontrolador a niveles tolerables. He añadido un capacitor de 100nF y un diodo TVS a las salidas del motor, lo que ayudará a mitigar ESD y los voltajes transitorios de retorno del motor, como mencioné anteriormente. También he añadido un divisor de voltaje resistivo con un resistor variable para la pata superior para permitir que se establezca la corriente del motor según sea necesario. El divisor de voltaje es alimentado por un simple regulador de voltaje lineal, el cual típicamente no querría usar con una caída de 27v. Sin embargo, en este caso, el consumo de corriente será lo suficientemente bajo como para que el regulador no se sobrecaliente.

El CI Allegro A4954 y todos los pasivos conectados a él antes de la anotación.

Finalmente, una vez que el esquemático está completamente desplegado, anoté el esquemático para completar los números de designador. Personalmente prefiero hacer esto al final de la captura del esquemático, ya que encuentro que típicamente me da números de designador que están más agrupados que si hubiera anotado constantemente justo después de agregar nuevos componentes. Esto puede darnos una idea de dónde en el esquemático podría estar un componente basado en su designador.

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Nota cómo todas las partes agrupadas alrededor del controlador se anotan con números de designador cercanos.

Debido a que asigné partes reales a cada componente en el esquemático, ahora tengo un ActiveBOM en el proyecto que se puede usar tanto para evaluar el costo del esquemático como para validar que todos los componentes estén disponibles en producción en volumen. El ActiveBOM hace que sea muy fácil evaluar rápidamente el costo por placa en diferentes cantidades de producción. Al momento de escribir, mi costo de componentes por placa para una sola placa sería de 7.99 USD, bajando a solo 3.42 USD por placa a 1000 placas. Desde una perspectiva presupuestaria, esto puede permitirme determinar si necesito quizás buscar opciones alternativas para el esquemático para reducir el precio en mi volumen de producción esperado. Esto puede mejorar enormemente mi productividad, ya que puedo tomar esta determinación antes de haber gastado tiempo alguno en el enrutamiento de un PCB.

Enrutamiento de PCB

Como en cualquier proyecto de PCB, nuestra primera tarea es incorporar los componentes al PCB con una Orden de Cambio de Ingeniería (ECO).

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Diseño del PCB después de haber añadido todos los componentes.

Hay un par de cosas que me gusta hacer después de transferir los datos del esquemático al PCB, primero coloco todos los designadores en una capa mecánica que llamo Designadores para que no ocupen espacio real en el PCB. En el panel de Filtro de PCB, uso el filtro:

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Esto selecciona todos mis designadores y puedo editarlos rápidamente en la ventana de propiedades para cambiar la capa, y también hacerlos de tipo verdadero y Autoposicionarlos en el centro del componente, lo que resulta en dibujos de PCB más agradables más tarde, si es necesario.

A continuación, puedo activar el Modo de Selección Cruzada desde el menú Herramientas (o Shift-Ctrl-X) para seleccionar grupos lógicos de componentes en el esquemático. Incluso con un esquemático pequeño y simple como este, me ahorra tiempo agrupar componentes en la placa de circuito.

Al seleccionar el CI controlador y sus componentes de soporte en el esquemático, y luego volver al PCB, he seleccionado esos componentes del montón de partes recién añadidas.

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Seleccionar componentes desde el esquemático ahorra tiempo en comparación con buscarlos y seleccionarlos uno por uno en el diseño del PCB.

Entonces puedo usar Herramientas -> Colocación de Componentes -> Organizar Dentro de un Rectángulo (también disponible en la antigua barra de herramientas de Utilidades bajo el icono de Herramientas de Alineación) y dibujar un rectángulo fuera de la placa para agrupar estas partes juntas.

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Esto me da pequeños bloques de componentes para organizar por sí mismos de la manera más óptima posible. Con proyectos más grandes y complejos, encuentro que al diseñar cada bloque lógico por sí mismo, luego puedo llevarlos todos a la placa de circuito a la vez para encontrar una rotación y posición óptimas para ese bloque, y también determinar qué sacrificios pueden necesitarse en la colocación de componentes para optimizar el uso del espacio en la placa. Para mí, esto ahorra mucho tiempo y típicamente me da un mejor diseño que simplemente construir un diseño de componentes desde un componente.

Las características de colocación de componentes permiten que los componentes se organicen dentro de agrupaciones que representan los bloques lógicos en el esquemático.

En unos pocos minutos, esto se convierte en una placa que es relativamente compacta y debería ser enrutada.

La colocación final de componentes es enrutada, organizada lógicamente y compacta.

Una rápida revisión de la vista 3D y la placa parece que también será fácil de ensamblar a mano, lo cual es una excelente verificación para hacer en partes de bajo volumen.

Vista 3D de la placa antes de que se añadieran las pistas.

El enrutamiento de esta placa es bastante simple, ¡ya que es un esquemático tan simple! El único punto a tener en cuenta es que la hoja de datos del controlador del motor sugiere proporcionar un camino a tierra desde las resistencias de sentido de corriente directamente de vuelta al tierra del CI, con recortes de polígono para hacer esta tierra en estrella. Añadí vertidos de tierra completos tanto en la parte superior como en la inferior para comenzar, y luego usé la herramienta de recorte de polígono (bajo el menú Colocar) para añadir los recortes sugeridos.

La placa después de que se ha enrutado, se añadieron vertidos de tierra y se hicieron recortes de polígono.

Eléctricamente, esta placa ahora parece completa, sin embargo, no es muy visualmente atractiva en la vista 3D.

Vista 3D de la placa después de que se añadieron las pistas todavía se siente un poco insuficiente.

Me gusta que mis placas tengan un aspecto impecable, incluso si son solo para uso personal. Como ingeniero, veo todas las placas de circuito como una obra de arte, han recibido tanta reflexión y cuidado como cualquier obra maestra en un museo, ¡así que deberían parecerlo!

Con algunas regiones en la capa de Superposición Superior y un poco de texto invertido, he añadido algo de estilo y etiquetas para hacer el uso de la placa un poco más fácil.

Las características en la superposición superior hacen que la placa sea más fácil de usar y más atractiva.

La parte inferior de la placa recibe un tratamiento similar, con un pequeño logotipo de ESD, un código de barras para identificar el modelo/versión/revisión de la placa, y un par de áreas donde el revisor de calidad puede añadir sus iniciales, además de un par de casillas para escribir la fecha de fabricación e instalación.

La parte inferior de la placa.

Esto rápidamente transforma la placa de simple y llana, a tener un aspecto más nítido, más completo y más funcional.

Siguientes Pasos

Si estás buscando implementar un controlador de motor DC con un único IC, este proyecto podría ser un buen punto de partida para ti. Puedes descargar el proyecto en GitHub y usarlo libremente como desees. El esquemático se basa en un esquemático y diseño probados en producción, sin embargo, aún debes asegurarte de confirmar que el diseño cumple con tus requisitos y que el esquemático/pines son correctos.

La próxima vez, estaré analizando esta placa en PDN Analyser para determinar si las pistas están dimensionadas adecuadamente para las demandas de corriente del IC H-Bridge y los dos motores. Si nunca has usado PDN Analyser antes, este será un proyecto introductorio que podrás seguir para aprender cómo configurar la herramienta para analizar tu placa de circuito.

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