Драйвер коллекторного двигателя 1-4А
Один из самых простых и распространённых вариантов роботов – это колёсные платформы. Но коллекторный мотор просто так напрямую к контроллеру не подключить – нужен управляющий драйвер. В радиотоварах сейчас можно найти готовые микросхемы контроллеров двигателей, это L293 с током до 1А на канал и L298N с током до 2-х ампер. Но что делать, если нужно использовать двигатель с большим рабочим током? Для этой цели было решено изготовить свой драйвер двигателя. Но не сразу городить драйвер для мощных моторов, а для начала поэкспериментировать на малом.
Драйвер коллекторного двигателя
Так появился 4-х амперный драйвер коллекторного двигателя.
Технические характеристики
| Напряжение питания | 5-15, 20, 25, 25В |
| Максимальный ток | 1, 1.5, 2, 4А |
| Напряжение управляющего сигнала | 3-12В |
| Частота управляющего сигнала ШИМ | 80-200Гц |
| Габариты | 35х26 мм |
Технические характеристики приведены для ключей IRF7507, IRF7105, IRF7309, IRF7389 соответственно. Рекомендуемая рабочая частота ~100Гц.
Схема
Драйвер построен на H-мосте из 4-х n и p канальных полевых транзисторов. Обладает защитой управляющей схемы, в виде шотки диодов, которые защитят источник управляющего сигнала от наводок и скачков мотора. Управление:
| выкл | ||
| прямо | ||
| обратно | ||
| Режим неопределённости или предыдущий режим работы |
Контроллер двигателя оснащён защитой, если на него поступят обе единицы – драйвер продолжит вращение в ранее установленном направление.
Во время эксплуатации не допустима резкая смена направления вращения двигателя, а требуется программный контроль остановки мотора и только затем начало вращения двигателя в противоположную сторону. Т.к. при резкой смене направления вращения останавливающейся мотор, двигающийся по инерции, переходит в режим генератора и на него в это же время подаётся питание обратной полярности, что приводит к большому скачку тока на ключах, что в случае превышения максимально допустимого тока ключей может привести к выходу последних из строя. Самый простой вариант такого контроля – это внесение задержек, которые будут давать мотору время на остановку. При использование редукторов резкий стар тоже являться не желательным, т.к. потребляемый мотором ток может выйти за максимальный коммутируемый ключами ток, что может вывести их из строя. Для любых используемых двигателей рекомендуется плавный старт.
Печатка
Основную часть платы составляют H-мост из 4-х полевых n и p канальных ключей VT3, VT2 и VT6, VT5. В данном исполнение схемы ключи могут быть одного из следующих видов – два сдвоенных n и p канальные mosfet’ы в корпусе SO8: IRF7507 1А 15В, IRF7105 1.5А 20В, IRF7309 2А 25В, или IRF7389 4А 25В. VT1 и VT4 BC847 транзисторы в корпусе SOT-23 открывающие полевые ключи. Для защиты управляющей схемы от возможных скачков и наводок применены два диода шотки VD1 и VD2 MBR0420 SOD-123. Диоды VD3-VD6 гасят выбросы двигателя (на фотографиях их нет), MBRS540 или SK56C в корпусе SMC. Резисторы R9 и R10 по 1кОм 1206, все остальные резисторы типоразмера 0805: R3, R6, R8, R14 – 1кОм, R4 и R7 – 4,7кОм, R1, R2, R5, R11-R13 – 10кОм. Конденсаторы C1, C3, C4 – 0,1 мкФ, C5 – 1мкФ, все типоразмера 0805 и напряжением 50В. Конденсатор С2 от 470мкФ до 1000мкФ напряжением от 35В. Разъемы PLS2 и PLS3 без среднего пина. Размеры платы 23х23мм. Мотор любой коллекторный, но что бы напряжение питания и ток не превышали максимальных характеристик деталей.
Плата драйвера со стороны выводов
Alex_EXE | 10.10.2012 | Робототехника |
Николай пишет 12.10.2012 в 01:37 #
При всем уважении к вам, но ведь это просто ключи в мостовой схеме.Полноценный драйвер должен включать в себя полный набор функций управления двигателем.Ну или набор команд для управления.
Alex_EXE пишет 15.10.2012 в 23:27 #
Да, тут нет встроенного контроллера, который бы позволил управлять этим мостом через один из распространённых интерфейсов. Но управление скважностью в ШИМ сигнале – PWR тем не менее его относит к драйверам коллекторных двигателей, как и L239, и L298.
Да и ШИМ гораздо проще получить на большинстве контролеров, чем другие интерфейсы. И это всего лишь маленький кирпичик большой системы.
GremlinLogic пишет 26.10.2012 в 03:24 #
Для двигателя с 6к rpm, частота маловата((
А так был бы почти идеальным)
Alex_EXE пишет 26.10.2012 в 19:21 #
Что есть — то есть. Для медленных моторов с редукторами, что стоят в колесных роботах, самое то.
Николай пишет 29.10.2012 в 01:02 #
А откуда частота ШИМ взята? Да и вообще регулировка оборотов подобным образом-неблагодарное занятие.Обороты падают, падает мощность.А обратная связь-слишком сложно.На работе есть ручной фрезер с обратной связью, электроникой напичкан конкретно.Но на малых оборотах все равно работать проблематично, двигатель срывает на резкое повышение оборотов под нагрузкой и дерево под фрезой подгорает…
Alex_EXE пишет 29.10.2012 в 20:16 #
Частота была получена во время испытаний модуля.
Обратная связь — включить через резистор на пару ом + АЦП контроллера и/или энкодер.
Для каждой задачи своё решение, это решение для конкретной задачи.
Сергей пишет 22.11.2012 в 00:15 #
Я так понимаю что диоды MBR0420 и MBRS540 были подобраны исходя из характеристик Vr и If (обратное напряжение и максимальный ток)? Просто не смог найти подобные у нас на рынке, и интересует как правильно подобрать аналоги. получается необходимо чтобы соответствовал корпус и эти две характеристики, ну и чтобы они были Шоттки (быстрее)?
Alex_EXE пишет 22.11.2012 в 00:47 #
Почти.
Диоды MBR0420 выступают в качестве защиты, не пускают напряжение с драйвера на контроллер, если вдруг появиться нехороший импульс. Т.е. это любой шоттки диод.
MBRS540 (или его замена SK56C) гасят выбросы с движков, вот они уже выбирались по напряжению и току. Можете подобрать свои, главное, что бы характеристики не ниже были.
В первом случае шоттки — т.к. на нём падение напряжение меньше. Во втором он дублирует слабые встроенные диоды в мосфетах. Корпус диода можете использовать любой, печатка приведена, её сможете подкорректировать под свои нужды.
Сергей пишет 22.11.2012 в 01:15 #
т.е во втором случае диод должен быть по току не ниже 5А и по обратному напряжению не ниже 50В, я правильно понимаю. И еще один вопрос: чем в данном случае обусловлена не высокая частота ШИМ?
Большое спасибо за ответ ) и за ваш сайт.
Alex_EXE пишет 22.11.2012 в 14:23 #
По диодам да.
Частота ШИМ обусловлена испытаниями: на частотах выше 300Гц ключи под номинальной нагрузкой начинают хорошо нагреваться, так же осциллограммы на низких частотах 80-200Гц выглядят лучше, чем на более высоких частотах.
Сергей пишет 22.11.2012 в 21:21 #
Спасибо. Не нашел у нас smd диодов с такими характеристиками пришлось брать SR540, плата увеличилась еще на 1см.
Сергей пишет 23.11.2012 в 14:17 #
Собрал, управлял без шим, просто 1-0, мотор включался-выключался, но вращался только в одну сторону, начал искать косяки в сборке и нашел что при лужении остался мостик между 1 и 2 контактом 1ого IRF7389, исправил.
Все прозвонил, выяснил что погиб 2ой IRF7389, выпаял-впаял новый. После подключения к МК и к Питанию 5V мотор подключен но не включен (стоял тумблер) — с фейерверком сгорели сразу обе IRF7389 при этом с МК логический сигнал подавался. Подскажите пожалуйста в чем может быть проблемма?
Сергей пишет 25.11.2012 в 17:05 #
Перепаял оба mosfet’а, все заработало, спасибо.
Alex_EXE пишет 25.11.2012 в 22:12 #
Хорошо, что с проблемой разобрались сами.
Виталий пишет 05.05.2013 в 03:24 #
На схеме все транзисторы нарисованы как N канальные, что ввело меня в недоумение, а посмотрев даташит понял что промах в схеме.
Исправьте для чайников в роде меня.
Виталий пишет 05.05.2013 в 03:28 #
Ой извините все правильно нарисовано, спать нужно уже.
a5021 пишет 16.08.2013 в 00:54 #
Данная схема не подразумевает работу на сколь-нибудь высоких частотах ШИМ, т.к. заряд/разряд затворных емкостей через килоомные резисторы делает процесс переключения мосфетов крайне неспешным, когда значительную часть времени ключи находятся в линейном режиме, имея достаточно высокое сопротивление канала (по сравнению с полностью открытым) и рассеивая значительную мощность. Повышение частоты ШИМ выше 100гц видимо приводит к тому, что транзисторы вообще не успевают ни полностью закрыться, ни открыться, по сути превращаясь в переменную низкоомную нагрузку, повешенную на шины питания. Проводимость возникает во всех мосфетах одновременно, чего не должно быть в мостовой схеме. Значительная часть тока вообще не попадает на нагрузку, сливаясь по вертикальным парам ключей.
Alex_EXE пишет 17.08.2013 в 02:51 #
Эта проблема и её истоки, при работе на высоких частотах, известны. На низких частотах (80-150Гц) драйвер ведёт себя хорошо.