Điều khiển Động cơ DC Nhỏ với Altium Designer

Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi qua quá trình thực hiện thực tế của một IC điều khiển từ việc tạo sơ đồ mạch đến bố trí PCB. Bạn sẽ tìm thấy dự án này trên GitHub, được phát hành dưới một giấy phép mã nguồn mở nếu bạn chỉ muốn lấy nó để sao chép và dán vào thiết kế của mình.

Lựa Chọn Phần

Tôi có hai động cơ nhỏ, tốc độ cao mà tôi muốn điều khiển, mỗi cái sẽ tiêu thụ khoảng 1 amp dưới tải, và tôi sẽ cần chạy chúng bằng nguồn điện 30 volt trong một máy móc công nghiệp. Các linh kiện điện tử ban đầu đã bị cháy và giờ đây đã lỗi thời, vì vậy một bảng điều khiển mới cần được phát triển. Hiện tại, tôi chỉ sẽ thảo luận về bộ điều khiển động cơ trong dự án này.

Xuất phát từ yêu cầu và diện tích bảng mạch hạn chế mà tôi phải làm việc với trên bảng mạch cuối cùng, tôi đã chọn sử dụng Allegro A4954 vì nó có đánh giá 2 amp / 40 volt và gói TSSOP-16 với một tấm nhiệt. Nó cũng rất phải chăng, gần như giá tương đương với một trình điều khiển động cơ đơn lẻ, chẳng hạn như Allegro A4953, và các trình điều khiển động cơ đơn lẻ giá rẻ khác mà bạn có thể sử dụng nếu bạn chỉ cần điều khiển một động cơ duy nhất.

Lợi ích lớn nhất khi sử dụng trình điều khiển IC đơn lẻ cho ứng dụng của chúng tôi là nó giảm số lượng linh kiện bổ sung cần thiết để hoàn thành sơ đồ mạch. Các linh kiện bổ sung duy nhất chúng tôi cần là một số điện trở, tụ điện và một bộ điều chỉnh 3.3v. Tôi cũng muốn thêm một diode và tụ điện qua mỗi cực động cơ, tuy nhiên, để giảm bớt các đỉnh xung đột tạm thời có thể làm hỏng H-Bridge hoặc gây ra vấn đề chứng nhận tương thích điện từ.

Thiết kế Sơ đồ

Thông thường, tôi sẽ làm việc với một thư viện cơ sở dữ liệu, nhưng với mục đích của bài viết này, điều đó sẽ không tạo ra một giải pháp dễ dàng chia sẻ cho bạn. Do đó, tôi đã thêm các tệp pcblib và schlib liên quan vào dự án, và tôi đã bao gồm các footprint cho các biểu tượng schematic để bắt đầu. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là chúng ta đang đặt các linh kiện thụ động chung chung thay vì các linh kiện từ thư viện, điều này là một điều tôi không thích. Việc đặt các bộ phận chung chung dẫn đến sai sót, vì vậy đây là một nơi tuyệt vời để sử dụng Concord Pro nhằm giúp quản lý thư viện, nhưng mà không thêm tất cả độc giả của tôi vào nhóm Concord Pro của tôi, không ai trong số họ có thể sử dụng thư viện mà tôi tạo ra. Do đó, để đặt các bộ phận mà tôi biết có thể tìm nguồn cung, tôi sẽ tìm kiếm từng linh kiện cần thiết trong bảng Manufacturer Part Search, và sau đó thêm Liên kết Nhà Cung Cấp và Tham Số vào từng biểu tượng schematic. Điều này cũng sẽ giúp khi tạo hóa đơn vật liệu cũng như khi đặt hàng linh kiện từ nhà cung cấp.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Altium cho phép bạn thêm liên kết nhà cung cấp, làm cho mọi thứ dễ dàng hơn sau này.

Tôi nhận thấy việc quản lý các linh kiện khi bạn thêm chúng vào là rất quan trọng để đảm bảo mỗi bộ phận là một linh kiện hợp lệ, có thể đặt hàng được. Việc đảm bảo mỗi bộ phận là hợp lệ khi bạn đặt chúng vào sẽ dễ dàng hơn nhiều so với việc phát hiện ra ở cuối giai đoạn thiết kế rằng một linh kiện không thể được cung cấp và thiết kế cần phải được chỉnh sửa lại để nhường chỗ cho một linh kiện thay thế.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Chúng tôi bắt đầu bằng cách thêm tất cả các linh kiện có nguồn gốc hợp lệ và các linh kiện thụ động chung vào sơ đồ.

Tôi bắt đầu thiết kế của mình với các kết nối, điện trở cảm biến dòng, diode TVS, và IC chính được chỉ định.

Tôi cũng đã thêm các biểu tượng tụ điện, điện trở, và biến trở chung, mà tôi sẽ sao chép và dán theo nhu cầu trong quá trình thiết kế, sau đó chỉ định chúng một khi chúng được đặt đúng chỗ trên sơ đồ. Khi nhanh chóng lập sơ đồ với các bộ phận chung trên các thiết kế đơn giản, tôi thấy việc này nhanh hơn so với việc phải quay lại bảng thư viện mỗi lần để lấy một bản sao khác của cùng một linh kiện. Bạn có thể kéo dịch biểu tượng để nhân bản nó, đây là cách nhanh nhất mà tôi đã tìm ra để đặt một linh kiện chung khác cùng kích thước.

Sau đó, chúng tôi kết nối tất cả các bộ phận mà chúng tôi đã bố trí để tạo thành một sơ đồ hoàn chỉnh.

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

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh khá đơn giản—như nó nên thế với một IC trình điều khiển tích hợp hoàn toàn. Tôi đã sử dụng một số điện trở 33ohm để bảo vệ vi điều khiển khỏi các tín hiệu đầu vào từ IC trình điều khiển, trong trường hợp có bất cứ điều gì tồi tệ xảy ra với trình điều khiển, nó sẽ giới hạn dòng điện chảy vào vi điều khiển ở mức có thể chấp nhận được. Tôi đã thêm một tụ điện 100nF và một diode TVS vào đầu ra của động cơ, điều này sẽ giúp giảm thiểu ESD và điện áp dư từ động cơ, như đã đề cập trước đó. Tôi cũng đã thêm một bộ chia điện áp có điện trở với một điện trở biến đổi cho chân trên để cho phép dòng điện của động cơ được thiết lập theo yêu cầu. Bộ chia điện áp được cung cấp bởi một bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính đơn giản, mà tôi thường không muốn sử dụng với một sự giảm điện áp 27v. Tuy nhiên, trong trường hợp này, dòng điện rút ra sẽ đủ thấp để bộ điều chỉnh không bị quá nhiệt.

IC Allegro A4954 và tất cả các linh kiện phụ trợ kết nối với nó trước khi ghi chú.

Cuối cùng, khi sơ đồ đã được hoàn thiện, tôi đã gán số hiệu cho sơ đồ để hoàn thành các số chỉ định. Bản thân tôi thích thực hiện việc này vào cuối quá trình tạo sơ đồ, vì tôi thấy nó thường cho tôi những số chỉ định được nhóm gần nhau hơn so với việc liên tục gán số ngay sau khi thêm linh kiện mới. Điều này có thể giúp chúng ta hình dung vị trí của linh kiện trên sơ đồ dựa vào số chỉ định của nó.

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

Chú ý cách tất cả các bộ phận được nhóm xung quanh bộ điều khiển được gán với các số chỉ định gần nhau.

Vì tôi đã gán các bộ phận thực tế cho từng linh kiện trong sơ đồ, giờ đây tôi có một ActiveBOM trong dự án, có thể được sử dụng để đánh giá chi phí của sơ đồ và xác nhận rằng tất cả các linh kiện đều có sẵn cho sản xuất hàng loạt. ActiveBOM giúp việc đánh giá nhanh chi phí cho mỗi bảng mạch ở các số lượng sản xuất khác nhau trở nên rất dễ dàng. Tại thời điểm viết, chi phí linh kiện cho mỗi bảng mạch cho một bảng là 7.99 USD, giảm xuống chỉ còn 3.42 USD cho mỗi bảng với 1000 bảng. Từ góc độ ngân sách, điều này có thể cho phép tôi xác định liệu tôi cần phải xem xét các lựa chọn thay thế cho sơ đồ để giảm giá ở khối lượng sản xuất dự kiến của mình. Điều này có thể cải thiện đáng kể năng suất của tôi, vì tôi có thể đưa ra quyết định này trước khi tôi bắt đầu bất kỳ công việc định tuyến PCB nào.

Điều Khiển Mạch In PCB

Như với bất kỳ dự án PCB nào, nhiệm vụ đầu tiên của chúng tôi là đưa các linh kiện vào PCB với một Lệnh Thay Đổi Kỹ Thuật (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

Bố cục PCB sau khi tất cả các linh kiện đã được thêm vào.

Có một vài việc tôi thích làm sau khi chuyển dữ liệu sơ đồ vào PCB, đầu tiên tôi đặt tất cả các chỉ dẫn thiết kế vào một lớp cơ khí mà tôi gọi là Chỉ Dẫn để chúng không chiếm diện tích PCB. Trong bảng điều khiển Bộ Lọc PCB, tôi sử dụng bộ lọc:

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

Điều này chọn tất cả các chỉ dẫn của tôi và tôi có thể nhanh chóng chỉnh sửa chúng trong cửa sổ thuộc tính để thay đổi lớp, và cũng làm cho chúng trở thành kiểu chữ thực và tự động đặt chúng vào trung tâm của linh kiện, điều này tạo ra bản vẽ PCB đẹp hơn sau này, nếu cần.

Tiếp theo, tôi có thể bật Chế Độ Chọn Chéo từ menu Công Cụ (hoặc Shift-Ctrl-X) để chọn các nhóm linh kiện logic trong sơ đồ. Ngay cả với một sơ đồ đơn giản, nhỏ như thế này, việc nhóm các linh kiện trên bảng mạch giúp tôi tiết kiệm thời gian.

Bằng cách chọn IC điều khiển và các linh kiện hỗ trợ của nó trong sơ đồ, sau đó chuyển lại sang PCB, tôi đã chọn được những linh kiện đó từ đống linh kiện mới được thêm vào.

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

Chọn linh kiện từ sơ đồ mạch giúp tiết kiệm thời gian hơn là cố gắng tìm và chọn chúng từng cái một trong bố cục PCB.

Tôi có thể sau đó sử dụng Công cụ -> Sắp xếp Linh Kiện -> Sắp xếp Trong Hình Chữ Nhật (cũng có sẵn trên thanh công cụ Utilities cũ dưới biểu tượng Công cụ Căn chỉnh) và vẽ một hình chữ nhật ngoài bảng mạch để nhóm những bộ phận này lại với nhau.

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

Điều này tạo cho tôi những khối linh kiện nhỏ gọn để tự mình sắp xếp chúng một cách tối ưu nhất có thể. Với những dự án lớn, phức tạp hơn, tôi thấy rằng bằng cách sắp xếp từng khối logic một cách riêng biệt, sau đó tôi có thể đưa chúng tất cả lên bảng mạch cùng một lúc để tìm một vị trí và hướng xoay tối ưu cho khối đó, và cũng xác định những hy sinh nào có thể cần phải thực hiện trong việc đặt linh kiện để tối ưu hóa việc sử dụng không gian bảng mạch. Đối với tôi, điều này tiết kiệm rất nhiều thời gian và thường mang lại cho tôi một bố cục tốt hơn so với việc chỉ xây dựng bố cục linh kiện từ một linh kiện.

Tính năng đặt linh kiện cho phép sắp xếp các linh kiện trong các cụm đại diện cho các khối logic trong sơ đồ mạch.

Chỉ trong vài phút, điều này biến thành một bảng mạch tương đối gọn gàng và nên có thể định tuyến được.

Việc đặt linh kiện cuối cùng có thể định tuyến, được tổ chức một cách logic và gọn gàng.

Kiểm tra nhanh góc nhìn 3D và bảng mạch trông cũng dễ dàng lắp ráp bằng tay, đây là một điểm kiểm tra tuyệt vời cho các bộ phận có số lượng thấp.

Góc nhìn 3D của bảng mạch trước khi các đường mạch được thêm vào.

Việc định tuyến của bảng mạch này khá đơn giản, vì sơ đồ của nó cũng rất đơn giản! Điểm duy nhất cần lưu ý là datasheet của trình điều khiển động cơ gợi ý cung cấp một đường dẫn mặt đất từ các điện trở cảm biến dòng trực tiếp trở lại với mặt đất IC, với các khoảng cắt đa giác để tạo ra mặt đất dạng sao. Tôi đã thêm các lớp mặt đất cho toàn bảng ở cả hai mặt trên và dưới để bắt đầu, sau đó sử dụng công cụ cắt đa giác (trong menu Place) để thêm các khoảng cắt được đề xuất.

Bảng mạch sau khi đã được định tuyến, thêm các lớp mặt đất và tạo các khoảng cắt đa giác.

Về mặt điện, bảng mạch này giờ đây trông đã hoàn chỉnh, tuy nhiên, nó không thực sự hấp dẫn về mặt hình ảnh trong góc nhìn 3D.

Góc nhìn 3D của bảng mạch sau khi các đường mạch được thêm vào vẫn cảm thấy hơi thiếu.

Tôi thích các bảng mạch của mình trông sắc nét, ngay cả khi chúng chỉ dùng cho mục đích cá nhân. Là một kỹ sư, tôi coi tất cả các bảng mạch như là tác phẩm nghệ thuật, chúng đã được đầu tư suy nghĩ và chăm sóc không kém gì một kiệt tác trong bảo tàng, vì vậy chúng cũng nên trông thật phần đó!

Với một vài khu vực trên lớp Phủ Đỉnh và một số văn bản đảo ngược, tôi đã thêm một số phong cách và nhãn để việc sử dụng bảng mạch trở nên dễ dàng hơn.

Những tính năng trên lớp phủ đỉnh làm cho bảng mạch dễ sử dụng và trông đẹp hơn.

Mặt dưới của bảng mạch cũng được xử lý tương tự, với một biểu tượng ESD nhỏ, một mã vạch để xác định mô hình/version/sửa đổi của bảng mạch, và một vài khu vực để người kiểm tra chất lượng có thể thêm chữ ký của họ, cùng với một vài ô để ghi ngày sản xuất và lắp đặt.

Mặt dưới của bảng mạch.

Điều này nhanh chóng biến bảng mạch từ đơn giản và mộc mạc, thành trông sắc nét, hoàn chỉnh và tiện ích hơn.

Bước Tiếp Theo

Nếu bạn đang tìm cách triển khai một trình điều khiển động cơ DC IC đơn, dự án này có thể là một điểm khởi đầu tốt cho bạn. Bạn có thể tải dự án trên GitHub và sử dụng tự do theo ý muốn của mình. Sơ đồ dựa trên một sơ đồ và bố trí đã được chứng minh trong sản xuất, tuy nhiên, bạn vẫn nên chắc chắn xác nhận thiết kế đáp ứng yêu cầu của bạn và sơ đồ/chân kết nối là chính xác.

Lần sau, tôi sẽ xem xét bo mạch này trong PDN Analyser để xác định xem các đường dẫn có kích thước phù hợp với nhu cầu dòng điện của IC H-Bridge và hai động cơ hay không. Nếu bạn chưa từng sử dụng PDN Analyser trước đây, đây sẽ là một dự án giới thiệu mà bạn có thể theo dõi để học cách thiết lập công cụ để phân tích bo mạch của mình.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium hoặc tìm hiểu thêm về PDN analyzer của Altium.