Guida di piccoli motori DC

I motori a corrente continua con spazzole sono utilizzati in ogni settore, dall'automobilistico alle applicazioni industriali e ai prodotti di consumo. Li puoi trovare nei tergicristalli, nelle macchine da cucire, nei trapani, nei compressori d'aria e persino nelle macchinine giocattolo. Mentre alcune applicazioni più moderne utilizzano motori senza spazzole più efficienti e con maggiore coppia, questi richiedono significativamente più software e hardware elettronico per essere gestiti. D'altra parte, i motori a corrente continua con spazzole sono molto economici ed efficaci, e possono rivelarsi utili, se non indispensabili, in alcuni dei prodotti che realizzi. Se hai un motore a corrente continua con spazzole relativamente piccolo e vuoi guidarlo sia in avanti che in indietro, hai bisogno di un mezzo ponte (H-bridge).

Un H-bridge ti permette di cambiare la polarità applicata al motore. Questo ti consentirà di guidare il motore sia in avanti che in indietro, lasciare il motore scollegato dalla corrente, o cortocircuitarlo per agire come un freno elettrico. Sebbene tu possa trovare H-bridge completamente integrati capaci di guidare oltre 10 ampere, la maggior parte sono valutati per 4 ampere o meno. I pacchetti IC compatti consentono solo una certa dissipazione del calore, il che limita la capacità di corrente per i driver. È più comune trovare IC driver per motori che hanno due uscite per motori piuttosto che una singola, e quattro controller integrati in un unico pacchetto sono abbastanza comuni. Avere più driver in un unico pacchetto consente design molto compatti in molte situazioni, poiché la maggior parte dei prodotti industriali, automobilistici o di consumo utilizza più di un motore.

I buoni controller H-bridge integrati permetteranno una limitazione della corrente digitale o almeno consentiranno di impostare limiti di corrente tramite una resistenza. Il controller integrato nel driver utilizzerà quindi la modulazione di larghezza di impulso (PWM) per guidare il motore mantenendo la corrente sotto il limite impostato. Questo è un ottimo modo per proteggere il driver, il motore, il PCB e potenzialmente anche la batteria da danni. Quando un motore a corrente continua è bloccato, è essenzialmente un cortocircuito diretto, che può portare a prelievi di corrente molto elevati che potrebbero danneggiare rapidamente il motore, il driver o le tracce e i connettori che non sono progettati o valutati per il carico di corrente.

Specifiche da considerare

Quando cerchi un H-bridge, ci sono diverse specifiche critiche che restringeranno le opzioni per la tua applicazione.

R_DS(on) - Resistenza Drain-Source On

La resistenza del FET è una specifica critica poiché è direttamente correlata alla quantità di energia persa come calore nel circuito integrato. Se il pacchetto non può rimuovere il calore abbastanza velocemente, il circuito integrato può entrare in una modalità di auto-protezione, o rilasciare il suo fumo magico. Indipendentemente dalla corrente nominale del dispositivo, il calore è il vero limitatore. Se hai un'area limitata intorno al driver per l'area di rame da utilizzare come dissipatore, dovrai dare priorità alla specifica R_DS(on) affinché il driver generi il minor calore possibile.

R_θJA - Resistenza Termica del Pacchetto

Parlando di surriscaldamento, la resistenza termica del package è piuttosto critica. Molti driver hanno un pad esposto sul fondo, anche quelli nei pacchetti con terminali, per aiutare a trasferire il calore dalla giunzione al rame sulla scheda elettronica. La resistenza termica determinerà la velocità con cui è possibile rimuovere il calore e, insieme alla specifica RDS(on) e a un'area di rame conosciuta per il dissipatore, ti permetterà di fare alcuni calcoli per determinare se raggiungerai la temperatura massima di giunzione, T_J(max).

V_BB - Tensione di Alimentazione del Motore

Questa dovrebbe essere una specifica piuttosto autoesplicativa. Questa è la tensione massima che può essere fornita al driver per far funzionare il motore. Questo è diverso dalla tensione di controllo logico, che è tipicamente separata e molto più bassa. Assicurati che la V_BB sia superiore alla tensione di picco della fonte di alimentazione per il motore. Se stai alimentando il motore con una batteria, considera la sua tensione completamente carica/fresca piuttosto che la sua tensione nominale.

V_IN - Tensione di Alimentazione Logica

I microcontrollori moderni di solito hanno un livello logico di 1,8v o 3,3v, ma alcuni più vecchi potrebbero funzionare a 5v. La maggior parte dei driver sarà soddisfatta con qualsiasi cosa positiva fino a circa 6 volt, tuttavia, alcuni sono di 3,3v o meno. Probabilmente collegherai il VIN allo stesso binario di tensione del tuo microcontrollore.

I_OUT - Corrente di Uscita

La corrente utilizzabile sarà probabilmente limitata dalla temperatura di giunzione piuttosto che dalla specifica I_OUT. Tuttavia, se non stai usando il motore continuamente e stai pulsando il motore infrequentemente senza permettere alla giunzione di scaldarsi, il limite di corrente di uscita sarà da considerare. Con i driver che possono impostare la corrente digitalmente o tramite una resistenza, questa specifica è il massimo che sarai in grado di impostare.

Tabella di Verità

La maggior parte dei driver è felice di permetterti di cortocircuitare il motore attraverso il driver per agire come un freno elettrico, tuttavia, alcuni driver non lo permetteranno. Se vuoi frenare elettricamente il motore cortocircuitandolo, controlla la tabella di verità nel datasheet per assicurarti che impostare entrambi gli ingressi in alto (o in basso) freni il motore. Impostare entrambi gli ingressi in basso (o in alto) dovrebbe quindi essere una modalità di costa con ogni conduttore del motore scollegato dall'alimentazione.

Progettazione Schematica

Guidare un ponte H integrato è relativamente facile. Lo schema qui sotto è per un Allegro A4954 e proviene dal mio controller open-source Siemens SMT Pick and Place dual lane feeder (puoi scaricarlo da GitHub per vedere la sua implementazione). C'è una certa capacità di massa sugli ingressi per assicurare che la tensione rimanga stabile per gli altri componenti sul circuito, così come per alimentare il driver durante le alte richieste del motore quando sta accelerando. Sto anche usando dei potenziometri per impostare la corrente del motore. Ogni linea di ingresso ha una resistenza da 33ohm nel tentativo di proteggere il microcontrollore in caso di bruciatura di un ponte H.

Vorrai anche un diodo di protezione tra i fili del motore e il driver, così come un condensatore di disaccoppiamento per sopprimere le alte tensioni transitorie generate quando il motore si ferma e per ridurre l'interferenza elettromagnetica.

Selezionare e utilizzare un driver integrato per motori a spazzole è facile, ma dovresti prestare particolare attenzione alle considerazioni termiche nel tuo progetto. Il modo più semplice per danneggiare il driver, o avere dei 'guasti' intermittenti con il motore, è surriscaldare il pacchetto, causando un guasto diretto o uno spegnimento termico.

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