Pilotage de petits moteurs à courant continu avec Altium Designer

Dans cet article, nous allons parcourir la mise en œuvre réelle d'un circuit intégré de pilote, de la création du schéma à l'agencement du PCB. Vous trouverez ce projet sur GitHub, publié sous une licence open-source si vous souhaitez simplement le récupérer pour le copier-coller dans votre propre conception.

Sélection des composants

J'ai deux petits moteurs à haute vitesse que je souhaite piloter, qui consommeront environ 1 ampère chacun sous charge, et je devrai les alimenter avec une source de 30 volts dans une machine industrielle. L'électronique originale a grillé et est maintenant obsolète, donc une nouvelle carte de contrôle doit être développée. Pour l'instant, je vais juste discuter du pilote de moteur dans ce projet.

Compte tenu des exigences et de la surface limitée de la carte sur laquelle je devrai travailler pour le circuit final, j'ai choisi d'utiliser l'Allegro A4954 pour ses caractéristiques de 2 ampères / 40 volts et son boîtier TSSOP-16 avec un pad thermique. Il est également très abordable, presque au même prix qu'un seul pilote de moteur, tel que l'Allegro A4953, et d'autres pilotes de moteur individuels à faible coût que vous pourriez utiliser si vous n'aviez qu'un seul moteur à piloter.

L'avantage majeur de l'utilisation d'un seul pilote de circuit intégré pour notre application est qu'il réduit le nombre de composants supplémentaires nécessaires pour compléter le schéma. Les seuls composants supplémentaires dont nous avons besoin sont quelques résistances, condensateurs et un régulateur de 3,3v. Je voudrais également ajouter une diode et un condensateur à travers chaque borne du moteur, cependant, pour réduire les pointes transitoires qui pourraient endommager le pont en H ou causer des problèmes de certification de compatibilité électromagnétique.

Conception de schéma

Habituellement, je travaillerais avec une bibliothèque de base de données, mais pour les besoins de cet article, cela ne créerait pas une solution très portable sur laquelle vous pourriez travailler. Par conséquent, j'ai ajouté les fichiers pcblib et schlib pertinents au projet, et j'ai inclus les empreintes aux symboles schématiques pour commencer. Cela signifie cependant que nous plaçons des passifs génériques au lieu de ceux de la bibliothèque, ce qui est quelque chose que je n'apprécie pas. Placer des pièces génériques mène à des erreurs, donc c'est un excellent endroit pour utiliser Concord Pro afin d'aider à gérer la bibliothèque, mais sans ajouter tous mes lecteurs à mon équipe Concord Pro, aucun d'eux ne pourrait utiliser la bibliothèque que je créerais. Par conséquent, pour placer des pièces dont je sais qu'elles sont sourçables, je vais rechercher chaque composant requis dans le panneau de recherche de pièces du fabricant, puis ajouter un lien fournisseur et des paramètres à chaque symbole schématique. Cela aidera également lors de la génération d'un devis de matériaux ainsi que lors de la commande de composants auprès d'un fournisseur.

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Altium vous permet d'ajouter des liens fournisseurs, ce qui facilite les choses plus tard.

Je trouve que gérer les composants au fur et à mesure de leur ajout est crucial pour s'assurer que chaque pièce est un composant valide et commandable. Il est beaucoup plus facile de s'assurer de la validité de chaque pièce au moment de leur placement que de découvrir à la fin d'une phase de conception qu'un composant ne peut pas être approvisionné et que la conception doit être retravaillée pour permettre l'insertion d'un composant de substitution.

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Nous commençons par ajouter tous nos composants sourceables valides et les passifs génériques au schéma.

Je commence ma conception avec les connecteurs, la résistance de détection de courant, la diode TVS et le circuit intégré principal spécifiés.

J'ai également ajouté les symboles génériques de condensateur, de résistance et de potentiomètre, que je copierai et collerai au besoin pendant le processus de conception, puis spécifierai une fois qu'ils sont à la bonne place dans le schéma. Lors de la mise en page rapide d'un schéma avec des pièces génériques sur des conceptions simples, je trouve cela plus rapide que de devoir retourner à chaque fois au panneau de la bibliothèque pour récupérer une autre copie du même composant. Vous pouvez faire glisser-déplacer le symbole pour le cloner, ce qui est la manière la plus rapide que j'ai trouvée pour placer un autre composant générique du même empreinte.

Nous connectons ensuite toutes les pièces que nous avons disposées pour réaliser un schéma complet.

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Le schéma entièrement complété est assez simple, comme il se doit avec un circuit intégré de pilote totalement intégré. J'ai ajouté des résistances de 33 ohms pour protéger le microcontrôleur des entrées vers le circuit intégré du pilote, qui, en cas de problème grave avec le pilote, devraient limiter le courant allant vers le microcontrôleur à des niveaux tolérables. J'ai ajouté un condensateur de 100nF et une diode TVS aux sorties du moteur, ce qui aidera à atténuer l'ESD et les tensions transitoires de retour du moteur, comme mentionné précédemment. J'ai également ajouté un diviseur de tension résistif avec une résistance variable pour la branche supérieure afin de permettre le réglage du courant du moteur selon les besoins. Le diviseur de tension est alimenté par un simple régulateur de tension linéaire, que je ne voudrais normalement pas utiliser avec une chute de 27v. Dans ce cas cependant, le courant de tirage sera suffisamment faible pour que le régulateur ne surchauffe pas.

Le circuit intégré Allegro A4954 et tous les composants passifs qui y sont connectés avant l'annotation.

Enfin, une fois le schéma entièrement réalisé, j'ai annoté le schéma pour compléter les numéros de désignation. Je préfère personnellement faire cela à la fin de la capture du schéma, car je trouve que cela me donne généralement des numéros de désignation qui sont plus regroupés que si j'avais constamment annoté juste après avoir ajouté de nouveaux composants. Cela peut nous donner une idée de l'endroit sur le schéma où un composant pourrait se trouver en fonction de son désignateur.

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Remarquez comment toutes les pièces regroupées autour du pilote sont annotées avec des numéros de désignation proches.

Parce que j'ai attribué de vraies pièces à chaque composant dans le schéma, j'ai maintenant un ActiveBOM dans le projet qui peut être utilisé à la fois pour évaluer le coût du schéma et valider que tous les composants sont disponibles en production en volume. L'ActiveBOM rend très facile l'évaluation rapide du coût par carte à différentes quantités de production. Au moment de la rédaction, mon coût en composants par carte pour une seule carte serait de 7,99 USD, tombant à seulement 3,42 USD par carte à 1000 cartes. D'un point de vue budgétaire, cela peut me permettre de déterminer si je dois peut-être envisager des options alternatives pour le schéma afin de réduire le prix à mon volume de production prévu. Cela peut grandement améliorer ma productivité, car je suis capable de prendre cette décision avant d'avoir passé du temps à router un PCB.

Routage des PCB

Comme pour tout projet de PCB, notre première tâche consiste à intégrer les composants dans le PCB à l'aide d'un Ordre de Modification d'Ingénierie (ECO).

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Disposition du PCB après que tous les composants aient été ajoutés.

Il y a quelques choses que j'aime faire après avoir transféré les données schématiques vers le PCB, d'abord je place tous les désignateurs sur une couche mécanique que j'ai nommée Désignateurs afin qu'ils n'occupent aucun espace réel du PCB. Dans le panneau Filtre PCB, j'utilise le filtre :

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Cela sélectionne tous mes désignateurs et je peux rapidement les modifier dans la fenêtre des propriétés pour changer la couche, et aussi les rendre en typographie vraie et les Auto-positionner au centre du composant, ce qui permet d'obtenir de plus beaux dessins de PCB plus tard, si nécessaire.

Ensuite, je peux activer le Mode de Sélection Croisée depuis le menu Outils (ou Shift-Ctrl-X) pour sélectionner des groupes logiques de composants dans le schématique. Même avec un schématique petit et simple comme celui-ci, cela me fait gagner du temps pour grouper les composants sur le circuit imprimé.

En sélectionnant le circuit intégré de commande et ses composants de support dans le schématique, puis en revenant au PCB, j'ai extrait ces composants du désordre des pièces nouvellement ajoutées.

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Sélectionner des composants depuis le schéma permet de gagner du temps par rapport à la recherche et la sélection individuelle de chacun d'eux dans la disposition PCB.

Je peux ensuite utiliser les outils -> Placement des composants -> Arranger dans un rectangle (également disponible dans l'ancienne barre d'outils Utilitaires sous l'icône des outils d'alignement) et dessiner un rectangle en dehors de la carte pour regrouper ces pièces ensemble.

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Cela me donne de jolis petits blocs de composants à disposer par eux-mêmes de la manière la plus optimale possible. Avec des projets plus grands et plus complexes, je trouve qu'en disposant chaque bloc logique par lui-même, je suis ensuite capable de les amener tous sur la carte électronique en une fois pour trouver une rotation et une position optimales pour ce bloc, et également déterminer quels sacrifices peuvent devoir être faits dans le placement des composants pour optimiser l'utilisation de l'espace sur la carte. Pour moi, cela permet de gagner beaucoup de temps et me donne généralement une meilleure disposition que de construire une disposition de composants à partir d'un seul composant.

Les fonctionnalités de placement des composants permettent d'arranger les composants à l'intérieur de clusters qui représentent les blocs logiques dans le schéma.

En quelques minutes, cela se transforme en une carte qui est relativement compacte et devrait être routable.

Le placement final des composants est routable, logiquement organisé et compact.

Un rapide coup d'œil à la vue 3D et la carte semble également facile à assembler à la main, ce qui est un excellent point à vérifier pour les pièces en faible volume.

Vue 3D de la carte avant l'ajout des pistes.

Le routage de cette carte est assez simple, car le schéma est lui-même très simple ! Le seul point à noter est que la fiche technique du pilote de moteur suggère de fournir un chemin de masse depuis les résistances de détection de courant directement vers la masse du CI, avec des découpes polygonales pour réaliser cette masse en étoile. J'ai ajouté des plans de masse complets en haut et en bas pour commencer, puis j'ai utilisé l'outil de découpe polygonale (sous le menu Place) pour ajouter les découpes suggérées.

La carte après qu'elle a été routée, les plans de masse ont été ajoutés, et les découpes polygonales ont été réalisées.

Électriquement, cette carte semble maintenant complète, cependant, elle n'est pas très attrayante visuellement dans la vue 3D.

La vue 3D de la carte après l'ajout des pistes semble encore un peu insuffisante.

J'aime que mes cartes aient une allure soignée, même si elles sont uniquement pour un usage personnel. En tant qu'ingénieur, je considère toutes les cartes électroniques comme des œuvres d'art, elles ont reçu autant de réflexion et de soin que n'importe quelle chef-d'œuvre dans un musée, elles devraient donc en avoir l'allure !

Avec quelques zones sur la couche de superposition supérieure et du texte inversé, j'ai ajouté un peu de style et des étiquettes pour rendre l'utilisation de la carte un peu plus facile.

Les fonctionnalités sur la superposition supérieure rendent la carte plus facile à utiliser et plus esthétique.

Le dessous de la carte reçoit un traitement similaire, avec un petit logo ESD, un code-barres pour identifier le modèle/version/révision de la carte, et quelques zones où le contrôleur de qualité peut ajouter ses initiales, plus quelques cases pour écrire la date de fabrication et d'installation.

Le dessous de la carte.

Cela permet rapidement de passer d'une carte simple et banale à une apparence plus nette, plus complète et plus fonctionnelle.

Prochaines Étapes

Si vous cherchez à mettre en œuvre un pilote de moteur DC IC simple, ce projet pourrait être un bon point de départ pour vous. Vous pouvez télécharger le projet sur GitHub et l'utiliser librement comme vous le souhaitez. Le schéma est basé sur un schéma et une disposition éprouvés en production, cependant, vous devriez toujours vous assurer que la conception répond à vos exigences et que le schéma/les broches sont corrects.

La prochaine fois, j'examinerai cette carte dans PDN Analyser pour déterminer si les pistes sont dimensionnées de manière appropriée pour les besoins en courant de l'IC pont en H et des deux moteurs. Si vous n'avez jamais utilisé PDN Analyser auparavant, ce sera un projet introductif que vous pourrez suivre pour apprendre à configurer l'outil pour analyser votre carte de circuit.

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