Napędzanie małych silników prądu stałego

Szczotkowe silniki prądu stałego są używane w każdej branży, od motoryzacyjnej po przemysłowe aplikacje i produkty konsumenckie. Można je znaleźć w wycieraczkach samochodowych, maszynach do szycia, wiertarkach, kompresorach powietrza, a nawet w zabawkowych samochodach. Chociaż niektóre bardziej nowoczesne aplikacje wykorzystują bardziej efektywne i o większym momencie obrotowym silniki bezszczotkowe, wymagają one znacznie więcej oprogramowania i sprzętu elektronicznego do sterowania. Z drugiej strony, szczotkowe silniki prądu stałego są bardzo tanie i efektywne, i mogą okazać się przydatne, jeśli nie niezbędne, w niektórych z produkowanych przez Ciebie urządzeń. Jeśli masz stosunkowo mały szczotkowy silnik prądu stałego i chcesz go napędzać w obu kierunkach, do przodu i do tyłu, potrzebujesz półmostka (H-bridge).

H-bridge pozwala na zmianę polaryzacji stosowanej do silnika. To pozwoli Ci napędzać silnik zarówno do przodu, jak i do tyłu, odłączyć silnik od zasilania, lub też zwierać go w celu działania jako hamulec elektryczny. Chociaż można znaleźć w pełni zintegrowane H-bridges zdolne do napędzania ponad 10 amperów, większość z nich jest oceniana na 4 ampery lub mniej. Kompaktowe obudowy układów scalonych pozwalają na ograniczoną dyssypację ciepła, co ogranicza zdolność prądową sterowników. Częściej można znaleźć sterowniki silników, które mają dwa wyjścia silnikowe, niż tylko jedno, a cztery kontrolery zintegrowane w jednej obudowie są również dość powszechne. Posiadanie wielu sterowników w jednej obudowie pozwala na bardzo kompaktowe projekty w wielu sytuacjach, ponieważ większość produktów przemysłowych, motoryzacyjnych lub konsumenckich używa więcej niż jednego silnika.

Dobre zintegrowane kontrolery H-bridge pozwolą na cyfrowe ograniczanie prądu lub przynajmniej umożliwią ustawienie limitów prądu za pomocą rezystora. Wbudowany kontroler sterownika następnie użyje modulacji szerokości impulsu (PWM) do napędzania silnika, jednocześnie utrzymując prąd poniżej ustalonego limitu. Jest to świetny sposób, aby chronić napęd, silnik, PCB i potencjalnie również baterię przed uszkodzeniem. Gdy silnik prądu stałego jest zablokowany, jest to w zasadzie bezpośrednie zwarcie, co może prowadzić do bardzo wysokich poborów prądu, które mogą szybko uszkodzić silnik, sterownik lub ścieżki i złącza, które nie są zaprojektowane lub oceniane na obciążenie prądowe.

Specyfikacje, które należy rozważyć

Poszukując H-bridge, istnieje kilka kluczowych specyfikacji, które zawęzić opcje dla Twojej aplikacji.

R_DS(on) - Oporność Dren-Źródło W stanie Załączenia

Oporność FET jest jedną z kluczowych specyfikacji, ponieważ jest bezpośrednio związana z ilością energii traconej jako ciepło w układzie scalonym. Jeśli obudowa nie może wystarczająco szybko odprowadzać ciepła, układ scalony może wejść w tryb samoochrony, lub "uwolnić swoje magiczne dymy". Niezależnie od ocenianego prądu urządzenia, ciepło jest prawdziwym ogranicznikiem. Jeśli masz ograniczoną przestrzeń wokół sterownika dla obszaru miedzianego działającego jako radiator, będziesz musiał priorytetowo traktować specyfikację R_DS(on), aby sterownik generował jak najmniej ciepła.

R_θJA - Oporność Termiczna Obudowy

Mówiąc o przegrzewaniu się, oporność termiczna obudowy jest dość krytyczna. Wiele sterowników ma odsłoniętą płytę na dole, nawet te w obudowach z wyprowadzeniami, aby pomóc odprowadzić ciepło od złącza i przekazać je do miedzi na płytce drukowanej. Oporność termiczna będzie określać, jak szybko można usunąć ciepło i, wraz ze specyfikacją RDS(on) oraz znanym obszarem miedzi do odprowadzania ciepła, pozwoli na wykonanie pewnych obliczeń, aby ustalić, czy osiągniesz maksymalną temperaturę złącza, T_J(max).

V_BB - Napięcie zasilania silnika

To powinna być specyfikacja dość oczywista. Jest to maksymalne napięcie, które może być dostarczone do sterownika w celu uruchomienia silnika. Różni się to od napięcia sterowania logiki, które zwykle jest oddzielne i znacznie niższe. Upewnij się, że V_BB jest wyższe niż szczytowe napięcie źródła zasilania dla silnika. Jeśli zasilasz silnik z baterii, rozważ jego pełne naładowane/świeże napięcie, a nie jego nominalne napięcie.

V_IN - Napięcie zasilania logiki

Współczesne mikrokontrolery zwykle mają poziom logiki 1,8v lub 3,3v, ale niektóre starsze mogą pracować na 5v. Większość sterowników będzie zadowolona z czegokolwiek dodatniego do około 6 woltów, jednak niektóre są na 3,3v lub mniej. Prawdopodobnie będziesz łączyć VIN z tym samym szyną napięcia co Twój mikrokontroler.

I_OUT - Prąd wyjściowy

Użyteczny prąd prawdopodobnie będzie ograniczony przez temperaturę złącza, a nie specyfikację I_OUT. Jednakże, jeśli nie używasz silnika ciągle, i rzadko pulsujesz silnik nie pozwalając złączu się nagrzać, limit prądu wyjściowego będzie wart rozważenia. W przypadku sterowników, które mogą ustawić prąd cyfrowo lub za pomocą rezystora, ta specyfikacja jest maksymalną wartością, którą będziesz mógł ustawić.

Tabela prawdy

Większość sterowników pozwala na zwarcie silnika przez sterownik, aby działał jako hamulec elektryczny, jednak niektóre sterowniki na to nie pozwalają. Jeśli chcesz hamować silnik elektrycznie przez zwarcie, sprawdź tabelę prawdy w karcie katalogowej, aby upewnić się, że ustawienie obu wejść na wysokie (lub niskie) zahamuje silnik. Ustawienie obu wejść na niskie (lub wysokie) powinno wtedy być trybem swobodnego toczenia z każdym przewodem silnika odłączonym od zasilania.

Projekt schematu

Sterowanie zintegrowanym mostkiem H jest stosunkowo łatwe. Poniższy schemat dotyczy Allegro A4954 i pochodzi z mojego projektu otwartoźródłowego Siemens SMT Pick and Place dual lane feeder controller (możesz go pobrać z GitHuba, aby zobaczyć jego implementację). Zastosowano tu pewną pojemność buforową na wejściach, aby zapewnić stabilność napięcia dla innych komponentów na obwodzie, jak również do zasilania sterownika podczas wysokich wymagań silnika podczas przyspieszania. Używam również potencjometrów do ustawienia prądu silnika. Każda linia wejściowa ma rezystor 33ohm w próbie ochrony mikrokontrolera w przypadku spalenia się mostka H.

Będziesz również chciał zastosować diodę ochronną między przewodami silnika a sterownikiem, jak również kondensator rozpraszający do tłumienia przejściowych wysokich napięć generowanych, gdy silnik się zatrzymuje oraz do redukcji zakłóceń elektromagnetycznych.

Wybór i stosowanie zintegrowanego sterownika silnika szczotkowego jest łatwe, ale należy zwrócić szczególną uwagę na kwestie termiczne w projekcie. Najłatwiejszym sposobem na uszkodzenie sterownika, lub występowanie przerywanych ‘usterk’ z silnikiem, jest przegrzanie obudowy, co może spowodować bezpośrednią awarię lub termiczne wyłączenie.

Mamy nadzieję, że ten artykuł okazał się dla Ciebie przydatny! Jeśli chcesz otrzymywać treści tego typu prosto do swojej skrzynki odbiorczej, zapisz się na nasz miesięczny newsletter!