Điều khiển Động cơ DC nhỏ

Động cơ DC có chổi than được sử dụng trong mọi ngành công nghiệp, từ ô tô đến ứng dụng công nghiệp và sản phẩm tiêu dùng. Bạn có thể tìm thấy chúng trong cần gạt nước, máy may, máy khoan, máy nén khí và thậm chí cả xe đồ chơi. Mặc dù một số ứng dụng hiện đại hơn sử dụng động cơ không chổi than hiệu quả và mô-men xoắn cao hơn, nhưng chúng đòi hỏi phần mềm và phần cứng điện tử nhiều hơn để điều khiển. Ngược lại, động cơ DC có chổi than rất rẻ và hiệu quả, và có thể trở nên hữu ích, nếu không muốn nói là không thể thiếu, trong một số sản phẩm bạn tạo ra. Nếu bạn có một động cơ DC có chổi than kích thước nhỏ và muốn điều khiển nó theo cả hai hướng tiến và lùi, bạn cần một cầu H nửa (H-bridge).

Một cầu H cho phép bạn chuyển đổi cực tính áp dụng lên động cơ. Điều này sẽ cho phép bạn điều khiển động cơ theo hướng tiến hoặc lùi, ngắt kết nối động cơ khỏi nguồn điện, hoặc ngắn mạch nó để hoạt động như một phanh điện. Mặc dù bạn có thể tìm thấy cầu H tích hợp đầy đủ có khả năng điều khiển hơn 10 amp, phần lớn chúng có đánh giá cho 4 amp hoặc ít hơn. Các gói IC nhỏ gọn chỉ cho phép tản nhiệt đến một mức độ nhất định, điều này hạn chế khả năng chịu dòng của các trình điều khiển. Thông thường hơn là tìm thấy các IC điều khiển động cơ có hai đầu ra động cơ thay vì chỉ một, và việc tích hợp bốn bộ điều khiển trong một gói duy nhất cũng khá phổ biến. Việc có nhiều trình điều khiển trong một gói duy nhất cho phép thiết kế cực kỳ nhỏ gọn trong nhiều tình huống, vì hầu hết các sản phẩm công nghiệp, ô tô hoặc tiêu dùng sử dụng nhiều hơn một động cơ.

Các bộ điều khiển cầu H tích hợp tốt sẽ cho phép giới hạn dòng điện kỹ thuật số hoặc ít nhất là cho phép thiết lập giới hạn dòng điện bằng điện trở. Bộ điều khiển tích hợp của trình điều khiển sau đó sẽ sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển động cơ trong khi giữ dòng điện dưới giới hạn đã đặt. Đây là một cách tuyệt vời để bảo vệ trình điều khiển, động cơ, PCB, và có thể cả pin khỏi hư hại. Khi một động cơ DC bị kẹt, nó cơ bản là một mạch ngắn trực tiếp, có thể dẫn đến dòng điện rất cao có thể nhanh chóng làm hỏng động cơ, trình điều khiển, hoặc các đường dẫn và kết nối không được thiết kế hoặc đánh giá cho tải dòng điện.

Thông số cần xem xét

Khi tìm kiếm một cầu H, có một số thông số kỹ thuật quan trọng sẽ thu hẹp lựa chọn cho ứng dụng của bạn.

R_DS(on) - Điện trở Drain-Source Khi Bật

Điện trở FET là một thông số kỹ thuật quan trọng vì nó liên quan trực tiếp đến lượng năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt trong mạch tích hợp. Nếu gói không thể loại bỏ nhiệt đủ nhanh, mạch tích hợp có thể vào chế độ tự bảo vệ, hoặc thải ra khói ma thuật của nó. Bất kể dòng điện đánh giá của thiết bị là bao nhiêu, nhiệt độ là giới hạn thực sự. Nếu bạn có một khu vực giới hạn xung quanh trình điều khiển cho diện tích đồng hoạt động như một tản nhiệt, bạn sẽ cần ưu tiên thông số R_DS(on) để trình điều khiển tạo ra càng ít nhiệt càng tốt.

R_θJA - Điện trở Nhiệt của Gói

Nói về tình trạng quá nhiệt, điện trở nhiệt của gói sản phẩm là khá quan trọng. Nhiều loại driver có một tấm nền tiếp xúc ở phía dưới, kể cả những loại có chân dẫn, để giúp dẫn nhiệt từ điểm nối ra khỏi và vào đồng trên bảng mạch. Điện trở nhiệt sẽ quyết định tốc độ bạn có thể loại bỏ nhiệt và, cùng với thông số RDS(on) và diện tích đồng biết trước dùng để tản nhiệt, sẽ cho phép bạn thực hiện một số tính toán để xác định liệu bạn có đạt đến nhiệt độ nối tối đa, T_J(max) hay không.

V_BB - Điện Áp Cung Cấp Cho Động Cơ

Đây nên là một thông số tự giải thích. Đây là điện áp tối đa có thể cung cấp cho driver để vận hành động cơ. Điều này khác với điện áp điều khiển logic, thường là riêng biệt và thấp hơn nhiều. Đảm bảo rằng V_BB cao hơn điện áp đỉnh của nguồn điện cho động cơ. Nếu bạn đang cung cấp điện cho động cơ từ một pin, hãy xem xét điện áp đầy/ mới của nó thay vì điện áp danh định của nó.

V_IN - Điện Áp Cung Cấp Logic

Các vi điều khiển hiện đại thường có mức logic 1.8v hoặc 3.3v, nhưng một số loại cũ hơn có thể chạy trên 5v. Hầu hết các driver sẽ chấp nhận mọi điều gì tích cực lên đến khoảng 6 volt, tuy nhiên, một số chỉ 3.3v hoặc thấp hơn. Bạn có khả năng sẽ kết nối VIN với cùng một đường ray điện áp như vi điều khiển của bạn.

I_OUT - Dòng Điện Ra

Dòng điện có thể sử dụng có thể sẽ bị giới hạn bởi nhiệt độ nối hơn là thông số I_OUT. Tuy nhiên, nếu bạn không sử dụng động cơ liên tục, và chỉ kích động động cơ một cách không thường xuyên mà không cho phép nhiệt độ nối tăng lên, giới hạn dòng điện ra sẽ đáng để xem xét. Với các driver có thể thiết lập dòng điện một cách số hóa hoặc bằng một điện trở, thông số này là giới hạn tối đa bạn có thể thiết lập.

Bảng Chân Lý

Hầu hết các driver đều chấp nhận việc bạn ngắn mạch động cơ qua driver để hoạt động như một phanh điện, tuy nhiên, một số driver sẽ không cho phép điều này. Nếu bạn muốn phanh điện động cơ bằng cách ngắn mạch nó, kiểm tra bảng chân lý trong bảng dữ liệu để đảm bảo việc đặt cả hai đầu vào cao (hoặc thấp) sẽ phanh động cơ. Đặt cả hai đầu vào ở mức thấp (hoặc cao) sau đó sẽ là chế độ trôi với mỗi dây dẫn động cơ được ngắt kết nối khỏi nguồn điện.

Thiết Kế Sơ Đồ

Việc điều khiển một cầu H tích hợp là tương đối dễ dàng. Sơ đồ dưới đây là cho Allegro A4954 và được lấy từ bộ điều khiển feeder đường kép mã nguồn mở Siemens SMT Pick and Place của tôi (bạn có thể tải nó từ GitHub để xem cách triển khai của nó). Có một số tụ điện lớn trên các đầu vào để đảm bảo điện áp ổn định cho các thành phần khác trên mạch, cũng như để cung cấp điện cho driver trong những yêu cầu cao của động cơ khi nó đang tăng tốc. Tôi cũng sử dụng các biến trở để thiết lập dòng điện của động cơ. Mỗi đường vào có một điện trở 33ohm nhằm mục đích bảo vệ vi điều khiển trong trường hợp cầu H bị cháy.

Bạn cũng sẽ muốn có một diode bảo vệ giữa các dây của động cơ và bộ điều khiển cũng như một tụ điện giải ac để giảm điện áp cao nhất thời được tạo ra khi động cơ dừng lại và để giảm nhiễu điện từ.

Việc chọn và sử dụng một bộ điều khiển động cơ chải tích hợp là dễ dàng, nhưng bạn nên chú ý đặc biệt đến các vấn đề về nhiệt trong thiết kế của mình. Cách dễ nhất để làm hỏng bộ điều khiển, hoặc gặp phải ‘lỗi’ gián đoạn với động cơ, là làm quá nóng gói, gây ra hỏng hóc trực tiếp hoặc tắt nhiệt.

Chúng tôi hy vọng bạn thấy bài viết này hữu ích! Nếu bạn muốn nhận nội dung như thế này gửi vào hộp thư của mình hàng tháng, đăng ký nhận bản tin hàng tháng của chúng tôi!