Sterowanie małymi silnikami prądu stałego za pomocą Altium Designer

W tym artykule przejdziemy przez rzeczywistą implementację sterownika IC, od tworzenia schematu po układ PCB. Ten projekt znajdziesz na GitHubie, udostępniony na licencji open-source, jeśli po prostu chcesz go skopiować i wkleić do własnego projektu.

Wybór części

Mam dwa małe, szybkoobrotowe silniki, które chcę napędzać, każdy pobierający około 1 ampera pod obciążeniem, i będę musiał je zasilać z źródła prądu o napięciu 30 voltów w maszynie przemysłowej. Oryginalna elektronika się spaliła i jest teraz przestarzała, więc potrzebna jest nowa płyta sterująca. Na razie będę dyskutować tylko o sterowniku silnika w tym projekcie.

Biorąc pod uwagę wymagania oraz ograniczoną powierzchnię płytki, z którą będę musiał pracować na ostatecznej płytce drukowanej, wybrałem Allegro A4954 ze względu na jego parametry 2 ampery / 40 woltów oraz obudowę TSSOP-16 z podkładką termiczną. Jest również bardzo przystępny cenowo, prawie taka sama cena jak pojedynczy sterownik silnika, taki jak Allegro A4953, oraz inne niedrogie pojedyncze sterowniki silników, których możesz użyć, gdybyś miał do napędzenia tylko jeden silnik.

Główną zaletą użycia pojedynczego sterownika IC w naszej aplikacji jest to, że redukuje liczbę dodatkowych komponentów wymaganych do ukończenia schematu. Jedynymi dodatkowymi komponentami, których wymagamy, są kilka rezystorów, kondensatorów i regulator 3,3v. Chciałbym również dodać diodę i kondensator na każdym zacisku silnika, aby zmniejszyć szpilki przejściowe, które mogłyby uszkodzić mostek H lub spowodować problemy z certyfikacją kompatybilności elektromagnetycznej.

Projektowanie Schematu

Zazwyczaj pracowałbym z biblioteką bazy danych, ale na potrzeby tego artykułu nie stworzyłoby to bardzo przenośnego rozwiązania, z którego moglibyście korzystać. Dlatego dodałem odpowiednie pliki pcblib i schlib do projektu oraz dołączyłem obrysy do symboli schematycznych, aby móc zacząć. Oznacza to jednak, że umieszczamy generyczne elementy pasywne zamiast tych z biblioteki, co jest czymś, czego nie lubię. Umieszczanie generycznych części prowadzi do błędów, więc jest to świetne miejsce do wykorzystania Concord Pro, aby pomóc zarządzać biblioteką, ale bez dodawania wszystkich moich czytelników do mojego zespołu Concord Pro, żaden z nich nie byłby w stanie korzystać z biblioteki, którą bym stworzył. Dlatego, aby umieścić części, o których wiem, że są dostępne, zamierzam wyszukać każdy wymagany komponent w panelu wyszukiwania części producenta, a następnie dodać link do dostawcy i parametry do części na każdym symbolu schematycznym. Pomoże to również przy generowaniu specyfikacji materiałowej oraz przy zamawianiu komponentów od dostawcy.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Altium pozwala na dodawanie linków do dostawców, co ułatwia sprawy później.

Odkryłem, że zarządzanie komponentami podczas ich dodawania jest kluczowe, aby zapewnić, że każda część jest ważnym, zamawialnym komponentem. Znacznie łatwiej jest upewnić się, że każda część jest ważna podczas jej umieszczania, niż odkryć na końcu fazy projektowania, że komponentu nie można pozyskać i że projekt musi zostać przerobiony, aby zrobić miejsce dla komponentu zastępczego.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Zaczynamy od dodania wszystkich naszych ważnych, możliwych do pozyskania komponentów oraz generycznych elementów pasywnych do schematu.

Rozpoczynam projekt od złącz, rezystora do pomiaru prądu, diody TVS i głównego układu scalonego.

Dodałem również generyczne symbole kondensatora, rezystora i potencjometru, które będę kopiować i wklejać w miarę potrzeb podczas procesu projektowania, a następnie sprecyzuję je, gdy znajdą się we właściwym miejscu na schemacie. Kiedy szybko układam schemat z generycznymi częściami przy prostych projektach, znajduję to szybsze niż każdorazowy powrót do panelu biblioteki po kolejną kopię tego samego komponentu. Możesz przeciągnąć symbol z wciśniętym klawiszem Shift, aby go sklonować, co jest najszybszym sposobem, jaki znalazłem, aby umieścić kolejny generyczny komponent tego samego rozmiaru.

Następnie łączymy wszystkie części, które rozłożyliśmy, aby stworzyć kompletny schemat.

Get Ready for the Electronics Design Jobs You Want

Experience hands-on learning in PCB and hardware design with Altium's Student license, cloud access & comprehensive curriculum.

Enroll for Free

Schemat w pełni uzupełniony jest dość prosty, jak powinno być w przypadku w pełni zintegrowanego układu sterownika IC. Dodałem kilka rezystorów 33om, aby chronić mikrokontroler przed sygnałami wejściowymi do układu sterownika, które, w przypadku jakiejkolwiek awarii sterownika, powinny ograniczyć prąd płynący do mikrokontrolera do akceptowalnych poziomów. Dodałem kondensator 100nF i diodę TVS do wyjść silnika, co pomoże złagodzić ESD oraz przejściowe napięcia zwrotne od silnika, jak wspomniano wcześniej. Dodałem również dzielnik napięcia oporowy z regulowanym rezystorem w górnej gałęzi, aby można było ustawić wymagany prąd silnika. Dzielnik napięcia jest zasilany przez prosty liniowy regulator napięcia, którego zwykle nie chciałbym używać przy spadku 27v. W tym przypadku jednak pobór prądu będzie na tyle niski, że regulator nie przegrzeje się.

Układ Allegro A4954 i wszystkie elementy pasywne podłączone do niego przed adnotacją.

Ostatecznie, gdy schemat został w pełni rozplanowany, dokonałem adnotacji schematu, aby uzupełnić numery oznaczeń. Osobiście wolę robić to na końcu tworzenia schematu, ponieważ zazwyczaj otrzymuję w ten sposób numery oznaczeń, które są bardziej skupione niż w przypadku, gdybym ciągle adnotował schemat zaraz po dodaniu nowych komponentów. Może to dać nam pomysł, gdzie na schemacie może znajdować się komponent na podstawie jego oznaczenia.

Launch Your Career in Electronics Design

Gain the skills top employers look for. Start mastering PCB design with the Altium Student Lab today!

Enroll for Free

Zauważ, jak wszystkie części skupione wokół sterownika są oznaczone bliskimi numerami oznaczeń.

Ponieważ przypisałem rzeczywiste części do każdego komponentu na schemacie, teraz mam ActiveBOM w projekcie, który może być używany zarówno do oceny kosztów schematu, jak i weryfikacji dostępności wszystkich komponentów w produkcji seryjnej. ActiveBOM bardzo ułatwia szybką ocenę kosztu na płytę przy różnych ilościach produkcyjnych. W chwili pisania tego tekstu, koszt komponentów na płytę dla pojedynczej płyty wynosiłby 7,99 USD, spadając do zaledwie 3,42 USD za płytę przy 1000 płyt. Z perspektywy budżetowej może mi to pozwolić na ustalenie, czy potrzebuję rozważyć alternatywne opcje dla schematu, aby obniżyć cenę przy mojej oczekiwanej objętości produkcji. Może to znacznie zwiększyć moją produktywność, ponieważ jestem w stanie dokonać tego ustalenia, zanim poświęcę jakikolwiek czas na trasowanie PCB.

Trasowanie PCB

Podobnie jak w przypadku każdego projektu PCB, naszym pierwszym zadaniem jest dodanie komponentów do PCB za pomocą polecenia zmiany inżynieryjnej (ECO).

Lay Out Your Track: Prepare for a Career in PCB Design

Develop the electronics design expertise that employers look for with Altium’s free Student Lab!

Enroll Today

Układ PCB po dodaniu wszystkich komponentów.

Jest kilka rzeczy, które lubię robić po przeniesieniu danych schematycznych na PCB, po pierwsze umieszczam wszystkie oznaczenia na warstwie mechanicznej, którą nazwałem Oznaczenia, aby nie zajmowały miejsca na PCB. W panelu Filtr PCB używam filtra:

IsDesignator AND OnLayer('Top Overlay')

Get Ready for the PCB Design Job of Your Dreams

Start your electronics design career with Altium's free Student Lab, comprehensive curriculum & certificates

Enroll Today

To wybiera wszystkie moje oznaczenia i mogę szybko edytować je w oknie właściwości, aby zmienić warstwę, a także ustawić je jako czcionkę TrueType i automatycznie pozycjonować na środku komponentu, co później daje ładniejsze rysunki PCB, jeśli są wymagane.

Następnie mogę włączyć Tryb Krzyżowego Zaznaczania z menu Narzędzia (lub Shift-Ctrl-X), aby zaznaczyć logiczne grupy komponentów na schemacie. Nawet przy małym, prostym schemacie jak ten, oszczędza mi to czasu na grupowanie komponentów na płytce drukowanej.

Wybierając układ scalony sterownika i jego komponenty wspomagające na schemacie, a następnie przełączając się z powrotem na PCB, wybrałem te komponenty spośród gąszczu nowo dodanych części.

When NASA Calls, Will You Be Ready?

Prepare for a stellar career in electronics and hardware design with Altium’s free Student Lab.

Enroll Here

Wybieranie komponentów ze schematu oszczędza czas w porównaniu do szukania i wybierania ich pojedynczo w układzie PCB.

Następnie mogę użyć Narzędzia -> Rozmieszczanie Komponentów -> Ułóż w Prostokącie (dostępne również na starym pasku narzędziowym Utilities pod ikoną Narzędzi Wyrównania) i narysować prostokąt poza płytą, aby zgrupować te części razem.

When Tesla Calls, Will You Be Ready?

Get ready for a fast-track career in PCB and hardware design with Altium's free Student Lab.

Enroll Here

To daje mi ładne małe bloki komponentów do rozmieszczenia samodzielnie w najbardziej optymalny sposób. Przy większych, bardziej skomplikowanych projektach, odkrywam, że układając każdy logiczny blok osobno, jestem w stanie następnie przenieść je wszystkie na raz na płytę obwodu, aby znaleźć optymalną rotację i pozycję dla tego bloku, a także określić, jakie poświęcenia mogą być konieczne w rozmieszczeniu komponentów, aby zoptymalizować wykorzystanie przestrzeni na płycie. Dla mnie to oszczędza dużo czasu i zwykle daje mi lepszy układ niż budowanie układu komponentów od jednego komponentu.

Funkcje rozmieszczania komponentów pozwalają na ułożenie komponentów w klastrach, które reprezentują logiczne bloki na schemacie.

W ciągu kilku minut, to przekształca się w płytę, która jest stosunkowo kompaktowa i powinna być możliwa do trasowania.

Ostateczne rozmieszczenie komponentów jest możliwe do trasowania, logicznie zorganizowane i kompaktowe.

Szybkie sprawdzenie widoku 3D i wygląda na to, że płyta będzie również łatwa do ręcznego montażu, co jest świetnym testem dla komponentów produkowanych w niskich ilościach.

Widok 3D płyty przed dodaniem ścieżek.

Trasowanie tej płyty jest dość proste, ponieważ schemat jest taki prosty! Jedyną rzeczą, na którą warto zwrócić uwagę, jest to, że karta katalogowa sterownika silnika sugeruje zapewnienie ścieżki uziemienia od rezystorów pomiaru prądu bezpośrednio z powrotem do uziemienia układu scalonego, z wycięciami poligonowymi, aby stworzyć to uziemienie gwiazdowe. Dodałem pełne wylewki uziemienia na górze i dole płyty, aby zacząć, a następnie użyłem narzędzia do wycinania poligonów (z menu Umieść), aby dodać sugerowane wycięcia.

Płyta po trasowaniu, dodaniu wylewek uziemienia i wykonaniu wycięć poligonowych.

Elektrycznie ta płyta wygląda teraz na kompletną, jednak nie jest zbyt atrakcyjna wizualnie w widoku 3D.

Widok 3D płyty po dodaniu ścieżek nadal wydaje się nieco niewystarczający.

Lubię, gdy moje płytki wyglądają elegancko, nawet jeśli są przeznaczone tylko do użytku osobistego. Jako inżynier, postrzegam wszystkie płytki drukowane jako dzieła sztuki, nad którymi poświęcono tyle samo myśli i troski, co nad każdym arcydziełem w muzeum, więc powinny wyglądać na miarę!

Z dodaniem kilku regionów na warstwie Top Overlay i kilku odwróconych tekstów, dodałem trochę stylu i etykiet, aby ułatwić korzystanie z płytki.

Funkcje na górnej warstwie overlay ułatwiają korzystanie z płytki i poprawiają jej wygląd.

Spód płytki otrzymuje podobne traktowanie, z małym logo ESD, kodem kreskowym do identyfikacji modelu/wersji/rewizji płytki, oraz kilkoma miejscami, gdzie kontroler jakości może dodać swoje inicjały, a także kilka pól do wpisania daty produkcji i instalacji.

Spód płytki.

To szybko zmienia płytkę z prostej i zwykłej, na wyglądającą ostrzej, bardziej kompletną i funkcjonalną.

Następne kroki

Jeśli szukasz sposobu na implementację pojedynczego sterownika silnika DC IC, ten projekt może być dobrym punktem wyjścia dla Ciebie. Możesz pobrać projekt na GitHubie i używać go swobodnie, jak chcesz. Schemat oparty jest na sprawdzonym produkcyjnie schemacie i układzie, jednakże powinieneś upewnić się, że projekt spełnia Twoje wymagania oraz że schemat/piny są poprawne.

Następnym razem przyjrzę się tej płytce w PDN Analyser, aby określić, czy ścieżki są odpowiednio dobrane do wymagań prądowych układu H-Bridge i dwóch silników. Jeśli nie używałeś wcześniej PDN Analyser, będzie to projekt wprowadzający, za pomocą którego możesz nauczyć się, jak skonfigurować narzędzie do analizy Twojej płytki obwodu drukowanego.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium lub dowiedz się więcej o analizatorze PDN od Altium.