Conduite de petits moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu à balais sont utilisés dans toutes les industries, de l'automobile aux applications industrielles et aux produits de consommation. Vous pouvez les trouver dans les essuie-glaces, les machines à coudre, les perceuses, les compresseurs d'air, et même dans les voitures jouets. Alors que certaines applications plus modernes utilisent des moteurs sans balais plus efficaces et à couple élevé, ceux-ci nécessitent beaucoup plus de logiciels et de matériel électronique pour fonctionner. D'autre part, les moteurs à courant continu à balais sont très bon marché et efficaces, et peuvent s'avérer pratiques, sinon indispensables, dans certains des produits que vous fabriquez. Si vous avez un moteur à courant continu à balais relativement petit et que vous souhaitez le faire fonctionner dans les deux sens, avant et arrière, vous avez besoin d'un demi-pont (H-bridge).

Un H-bridge vous permet de changer la polarité appliquée au moteur. Cela vous permettra de faire fonctionner le moteur soit en avant soit en arrière, de laisser le moteur déconnecté de l'alimentation, ou de le court-circuiter pour agir comme un frein électrique. Bien que vous puissiez trouver des H-bridges entièrement intégrés capables de conduire plus de 10 ampères, la majorité sont évalués pour 4 ampères ou moins. Les boîtiers de circuits intégrés compacts ne permettent qu'une dissipation de chaleur limitée, ce qui limite la capacité de courant pour les pilotes. Il est plus courant de trouver des circuits intégrés de commande de moteur qui ont deux sorties de moteur plutôt qu'une seule, et il est assez courant aussi d'avoir quatre contrôleurs intégrés dans un seul paquet. Avoir plusieurs pilotes dans un seul paquet permet des conceptions très compactes dans de nombreuses situations, car la plupart des produits industriels, automobiles ou de consommation utilisent plus d'un moteur.

De bons contrôleurs de H-bridge intégrés permettront une limitation de courant numérique ou au moins permettront de définir des limites de courant par la résistance. Le contrôleur intégré du pilote utilisera alors la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour faire fonctionner le moteur tout en maintenant le courant sous la limite définie. C'est un excellent moyen de protéger le pilote, le moteur, le PCB, et potentiellement aussi la batterie contre les dommages. Lorsqu'un moteur à courant continu est bloqué, il constitue essentiellement un court-circuit direct, ce qui peut conduire à des tirages de courant très élevés qui pourraient rapidement endommager le moteur, le pilote, ou les traces et connecteurs qui ne sont pas conçus ou évalués pour la charge de courant.

Spécifications à considérer

Lorsque vous recherchez un H-bridge, il y a plusieurs spécifications critiques qui réduiront les options pour votre application.

R_DS(on) - Résistance Drain-Source à l'état passant

La résistance du FET est une spécification critique car elle est directement liée à la quantité d'énergie perdue sous forme de chaleur dans le circuit intégré. Si le boîtier ne peut pas évacuer la chaleur assez rapidement, le circuit intégré peut entrer en mode d'autoprotection, ou libérer sa fumée magique. Indépendamment du courant nominal de l'appareil, la chaleur est le véritable limiteur. Si vous avez une zone limitée autour du pilote pour que la zone de cuivre agisse comme un dissipateur thermique, vous devrez prioriser la spécification R_DS(on) afin que le pilote génère le moins de chaleur possible.

R_θJA - Résistance thermique du boîtier

En parlant de surchauffe, la résistance thermique du boîtier est assez critique. De nombreux pilotes ont un pad exposé en bas, même ceux dans des boîtiers à broches, pour aider à évacuer la chaleur du jonction et la diriger vers le cuivre sur la carte de circuit imprimé. La résistance thermique déterminera la vitesse à laquelle vous pouvez éliminer la chaleur et, en combinaison avec la spécification RDS(on) et une zone de cuivre connue pour le dissipateur thermique, vous permettra de faire quelques calculs pour déterminer si vous atteindrez la température maximale de jonction, T_J(max).

V_BB - Tension d'alimentation du moteur

Cette spécification devrait être assez explicite. Il s'agit de la tension maximale qui peut être fournie au pilote pour faire fonctionner le moteur. Cela diffère de la tension de contrôle logique, qui est généralement séparée et beaucoup plus basse. Assurez-vous que le V_BB est supérieur à la tension de crête de la source d'alimentation pour le moteur. Si vous alimentez le moteur à partir d'une batterie, considérez sa tension complètement chargée/fraîche plutôt que sa tension nominale.

V_IN - Tension d'alimentation logique

Les microcontrôleurs modernes ont généralement un niveau logique de 1,8v ou 3,3v, mais certains plus anciens peuvent fonctionner sous 5v. La plupart des pilotes seront satisfaits de tout ce qui est positif jusqu'à environ 6 volts, cependant, certains sont de 3,3v ou moins. Vous connecterez probablement le VIN au même rail de tension que votre microcontrôleur.

I_OUT - Courant de sortie

Le courant utilisable sera probablement limité par la température de jonction plutôt que par la spécification I_OUT. Cependant, si vous n'utilisez pas le moteur en continu, et pulsez le moteur de manière infrequente sans permettre à la jonction de chauffer, la limite de courant de sortie sera à considérer. Avec des pilotes qui peuvent régler le courant numériquement ou par une résistance, cette spécification est le maximum que vous pourrez régler.

Table de vérité

La plupart des pilotes acceptent que vous court-circuitiez le moteur à travers le pilote pour agir comme un frein électrique, cependant, certains pilotes ne le permettront pas. Si vous souhaitez freiner électriquement le moteur en le court-circuitant, vérifiez la table de vérité dans la fiche technique pour vous assurer que la mise des deux entrées en haut (ou en bas) freinera le moteur. Mettre les deux entrées en bas (ou en haut) devrait alors être un mode de roue libre avec chaque fil du moteur déconnecté de l'alimentation.

Conception schématique

Conduire un pont en H intégré est relativement facile. Le schéma ci-dessous est pour un Allegro A4954 et provient de mon contrôleur de chargeur double voie Siemens SMT en open-source dual lane feeder controller (vous pouvez le télécharger depuis GitHub pour voir son implémentation). Il y a une certaine capacité de bulk sur les entrées pour assurer la stabilité de la tension pour les autres composants sur le circuit, ainsi que pour alimenter le pilote pendant les fortes demandes du moteur lorsqu'il accélère. J'utilise également des potentiomètres pour régler le courant du moteur. Chaque ligne d'entrée a une résistance de 33 ohms dans le but de protéger le microcontrôleur en cas de combustion d'un pont en H.

Vous voudrez également ajouter une diode de protection entre les fils du moteur et le pilote, ainsi qu'un condensateur de découplage pour supprimer les hautes tensions transitoires générées lorsque le moteur s'arrête et pour réduire les interférences électromagnétiques.

Sélectionner et utiliser un pilote de moteur à balais intégré est facile, mais vous devriez prêter une attention particulière aux considérations thermiques dans votre conception. Le moyen le plus simple de détruire le pilote, ou d'avoir des 'défauts' intermittents avec le moteur, est de surchauffer le boîtier, causant soit une défaillance directe soit un arrêt thermique.

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