Управление малыми постоянным током моторами

Коллекторные двигатели постоянного тока используются в каждой отрасли, от автомобильной до промышленных приложений и потребительских товаров. Вы можете найти их в стеклоочистителях, швейных машинах, дрелях, воздушных компрессорах и даже в игрушечных машинах. Хотя некоторые более современные приложения используют более эффективные и мощные бесщеточные моторы, для их работы требуется значительно больше программного обеспечения и электронного оборудования. С другой стороны, коллекторные двигатели постоянного тока очень дешевы и эффективны, и могут оказаться весьма полезными, если не незаменимыми, в некоторых из ваших изделий. Если у вас есть относительно маленький коллекторный двигатель постоянного тока и вы хотите управлять им в обоих направлениях, вам понадобится полумост (H-мост).

H-мост позволяет вам переключать полярность, подаваемую на мотор. Это позволит вам управлять мотором как вперед, так и назад, отключать мотор от питания или замыкать его накоротко, чтобы действовать как электрический тормоз. Хотя можно найти полностью интегрированные H-мосты, способные управлять током более 10 ампер, большинство из них рассчитаны на 4 ампера или меньше. Компактные корпуса интегральных схем позволяют рассеивать только ограниченное количество тепла, что ограничивает токовую способность драйверов. Более распространенными являются драйверы моторов, имеющие два выхода для моторов, а четыре контроллера, интегрированных в один пакет, тоже встречаются довольно часто. Наличие нескольких драйверов в одном пакете позволяет создавать очень компактные конструкции во многих случаях, поскольку большинство промышленных, автомобильных или потребительских продуктов используют более одного мотора.

Хорошие интегрированные контроллеры H-моста позволяют ограничивать ток цифровым способом или по крайней мере позволяют устанавливать ограничения тока с помощью резистора. Встроенный контроллер драйвера затем использует широтно-импульсную модуляцию (PWM) для управления мотором, сохраняя ток в пределах установленного лимита. Это отличный способ защитить драйвер, мотор, печатную плату и потенциально также аккумулятор от повреждений. Когда двигатель постоянного тока застревает, он фактически становится прямым коротким замыканием, что может привести к очень высоким токовым нагрузкам, которые могут быстро повредить мотор, драйвер или дорожки и соединители, не предназначенные или не рассчитанные на такую токовую нагрузку.

Спецификации, которые следует учитывать

При выборе H-моста есть несколько критических спецификаций, которые помогут сузить варианты для вашего приложения.

R_DS(on) - Сопротивление сток-исток в открытом состоянии

Сопротивление FET является одной из критических спецификаций, поскольку оно напрямую связано с количеством энергии, теряемой в виде тепла в интегральной схеме. Если корпус не может достаточно быстро отводить тепло, интегральная схема может войти в режим самозащиты или "выпустить дым". Независимо от номинального тока устройства, истинным ограничителем является тепло. Если у вас ограниченная площадь вокруг драйвера для медной площадки, выполняющей функцию радиатора, вам нужно будет отдать приоритет спецификации R_DS(on), чтобы драйвер генерировал как можно меньше тепла.

R_θJA - Тепловое сопротивление корпуса

Говоря об перегреве, тепловое сопротивление корпуса является довольно критичным параметром. Многие драйверы имеют открытую площадку снизу, даже те, что в корпусах с выводами, чтобы помочь отводить тепло от перехода и в медь на печатной плате. Тепловое сопротивление определит, насколько быстро вы можете удалять тепло и, вместе с характеристикой RDS(on) и известной площадью меди для теплоотвода, позволит вам провести некоторые расчеты, чтобы определить, достигнете ли вы максимальной температуры перехода, T_J(max).

V_BB - Напряжение питания двигателя

Это должна быть довольно очевидная характеристика. Это максимальное напряжение, которое может быть подано на драйвер для работы двигателя. Это отличается от напряжения управления логикой, которое обычно отдельное и значительно ниже. Убедитесь, что V_BB выше пикового напряжения источника питания для двигателя. Если вы питаете двигатель от аккумулятора, рассмотрите его полностью заряженное/новое напряжение, а не номинальное.

V_IN - Напряжение питания логики

Современные микроконтроллеры обычно имеют уровень логики 1.8v или 3.3v, но некоторые старые могут работать на 5v. Большинство драйверов будут удовлетворены любым положительным напряжением до примерно 6 вольт, однако, некоторые рассчитаны на 3.3v или меньше. Вы, скорее всего, будете подключать VIN к той же шине напряжения, что и ваш микроконтроллер.

I_OUT - Выходной ток

Используемый ток, скорее всего, будет ограничен температурой перехода, а не спецификацией I_OUT. Однако, если вы не используете двигатель непрерывно и редко подаете импульсы на двигатель, не давая переходу нагреваться, предел выходного тока будет стоить рассмотрения. С драйверами, которые могут устанавливать ток цифровым способом или с помощью резистора, эта спецификация является максимальной, которую вы сможете установить.

Таблица истинности

Большинство драйверов с радостью позволят вам замкнуть двигатель через драйвер, чтобы действовать как электрический тормоз, однако, некоторые драйверы этого не позволят. Если вы хотите электрически затормозить двигатель, замкнув его, проверьте таблицу истинности в техническом описании, чтобы убедиться, что установка обоих входов в высокое (или низкое) состояние приведет к торможению двигателя. Тогда установка обоих входов в низкое (или высокое) состояние должна быть режимом свободного хода с отключением каждого вывода двигателя от питания.

Проектирование схемы

Управление интегрированным H-мостом относительно просто. Схема ниже предназначена для Allegro A4954 и взята из моего проекта с открытым исходным кодом Siemens SMT Pick and Place dual lane feeder controller (его можно скачать с GitHub, чтобы увидеть его реализацию). В схеме есть некоторая объемная емкость на входах, чтобы обеспечить стабильность напряжения для других компонентов на плате, а также для питания драйвера во время высоких требований к двигателю, когда он ускоряется. Я также использую потенциометры для установки тока двигателя. На каждой входной линии есть резистор на 33 ома в попытке защитить микроконтроллер в случае выхода из строя H-моста.

Вы также захотите установить защитный диод между проводами мотора и драйвером, а также развязывающий конденсатор для подавления переходных высоких напряжений, возникающих при остановке мотора, и для уменьшения электромагнитных помех.

Выбор и использование интегрированного драйвера для щеточного мотора довольно просты, но вы должны уделять особое внимание тепловым аспектам в вашем дизайне. Самый простой способ вывести из строя драйвер или столкнуться с периодическими «неисправностями» мотора - это перегрев корпуса, что может привести как к прямому отказу, так и к тепловому отключению.

Мы надеемся, что этот материал был для вас полезен! Если вы хотите получать подобные статьи на свой почтовый ящик, подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку!