Driver del motore ad alta corrente fai-da-te (h-bridge): 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Il progetto è quello di aggiornare i motori e l'elettronica in questo quad per bambini Power Wheels. Deluso dalle prestazioni di questo mini-quad da 12 V. abbiamo programmato di passare a un sistema a 24v con 2 nuovi motori a spazzole traxxis 775 dopo aver cercato schede driver del motore disponibili in commercio e aver scoperto che la maggior parte era un po' debole (vedi foto di confronto inclusa) o piuttosto costosa ho deciso di progettare una semplice soluzione basata su ArduinoDesign Brief

24v minimo

controllo motore bidirezionale

Controllo PWM

scalabile ad alta corrente capace (100AMP)

componenti minimi

Stepdown 5v per la logica

sensore di tensione della batteria

adruino nano controller

accesso a ingressi per usi specifici (acceleratore [incluso trim superiore e inferiore], direzione, abilitazione, 1extra)

accesso ai pin non utilizzati per le uscite (led out)

la soluzione ovvia è usare il circuito H-bridge basato su mosfet

vi mostrerò come ho progettato e costruito il mio driver H-bridge ad alta corrente

Passaggio 1: trova un driver IC H-bridge

l'IC del driver H-bridge è il chip tra le uscite Arduino e MOSFET. questo IC prende i segnali HIGH/LOW da Arduino ed emette lo stesso segnale potenziato per pilotare le porte MOSFET, in particolare la sua funzione più importante è aumentare la tensione ai fet lato alto sopra VCC (batteria + ingresso) consentendo l'uso di tutti Alcuni driver N-MOSFET hanno anche circuiti speciali per prevenire lo shoot through (quando 2 fet creano un cortocircuito diretto a terra distruggendo i fet.) Alla fine ho optato per il driver NXP MC33883 Full H-bridge IC scelto perché - include 2 mezzi ponti (quindi richiedo solo 1 IC) - pompa di carica high side integrata - richiede solo 7 componenti aggiuntivi (incluso il circuito di protezione) - funziona con ingresso da 5,5 a 60 V (con blocco sotto e sopra il voltaggio) corrente di pilotaggio di picco da 1 ampere

negativopurtroppo non ha la protezione contro gli scatti (quindi deve essere fatto nel software e testato con un alimentatore limitato di corrente) richiede 5 segnali di ingresso piuttosto costosi a $ 8,44 ciascuno su mouserhttps://nz.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/…scheda tecnica

con questo chip in mente, ora possiamo progettare il nostro circuito attorno ad esso

Passaggio 2: progettazione del circuito

utilizzeremo lo strumento online EASYEDA (easyeda.com) per progettare il circuito (non affiliato ma lo strumento funziona bene e l'ordinazione semplice del PCB tramite JLCPCB.com) Dal datasheet per il driver MC33883, possiamo trovare lo schema dell'applicazione (con circuito di protezione) copieremo questo circuito poiché non è necessario reinventare la ruota qui, basta utilizzare il layout consigliato e i valori dei condensatori consigliati, aggiungeremo i diodi e i condensatori zener da 18 V per limitare la tensione gate-source al di sotto del tipico MOSFET 20 V max Vgs

L'unica differenza che aggiungeremo al circuito sono i MOSFET in parallelo opzionali per aumentare la capacità di corrente. Per fare ciò, dobbiamo solo assicurarci di avere un resistore sul gate di ciascun FET. con i FET paralleli questo resistore aiuta a bilanciare il carico e le caratteristiche di commutazione della coppia parallela (ricerca di più per carichi elevati per evitare problemi)

Decisioni da prendere..tensione max? Sto utilizzando 24v, quindi posso collegare VCC e VCC2 del mio chip mc33883 insieme (il limite su vcc2 è 28v ma potrei avere un'alimentazione separata e avere una tensione VCC massima di 60v) Come alimentare Arduino? Sono andato con un piccolo regolatore di commutazione 5v 500mA che viene fornito precostruito su un pcb con 3 pin che funziona tra 6.5-36v perfetto!.https://nz.mouser.com/ProductDetail/490-VXO7805-50…tutto quello che devo fare è aggiungere un diodo di protezione da polarità, condensatori di ingresso e uscita. fatto.

Voglio essere in grado di ottenere la tensione della batteria e spegnerla quando è bassa, quindi un divisore di tensione per limitare la tensione ai miei pin Arduino. 8 resistori pad 2paralled e 4 serie di loos come questo +==|==- questo dovrebbe significare che posso facilmente configurarlo in modo diverso senza avere valori specificiCapire quali uscite abbiamo bisogno dall'Arduino al driver abbiamo bisogno di 2 PWM per i FET high side e 2 digitali (o pwm) per i FET low-side e abbiamo anche bisogno di 1 linea di abilitazione per il driver che potresti ottenere con una sorta di logica di gate NAND (e forse in ritardo) per la protezione dell'hardware se ne hai bisogno.

Ingressi Ho scelto di utilizzare tutti gli ingressi analogici per acceleratore, abilitazione, direzione e trimming principalmente per assicurarmi che fossero disponibili e ripartiti, tutti hanno pad per resistori pulldown e un pin 5v disponibile e gli ingressi funzionano come attivi quando sono alti. (se l'abilitazione la linea era attiva bassa e l'acceleratore era bloccato se il filo 5v era rotto i motori avrebbero funzionato continuamente)

uscite Ho incluso un'intestazione di uscita a 5 pin + massa per l'indicatore della batteria a LED / accesso ai pin (pin digitali rimanenti) inclusa anche un'intestazione per l'ultimo pin PWM rimanente (una nota su PWM ho scelto di mettere fet laterali alti, fet laterali bassi e Uscita PWM ciascuno su canali timer separati dell'Arduino, questo dovrebbe consentirmi di giocare con i timer in modo diverso ecc. ecc.)

Passaggio 3: selezione dei componenti

per questa scheda, ho deciso di utilizzare principalmente componenti a montaggio superficiale, la saldatura smd non è troppo difficile se scegli saggiamente i tuoi dispositivi..

alcune persone dicono che 0603 non è male, ma sta iniziando a spingere al limite.

zener di vetro che ho trovato un po' difficile da manovrare

Elenco dei componenti dall'alimentazione al driver al digitale (cosa ho usato)

8x TO220 N-ch mosfet 60V 80A IPP057N06N3 G4x 1N5401-G diodo di alimentazione per uso generale 100v 3A (200A di picco) (questi sono sbagliati avrei dovuto usare diodi Schottky guarda come vanno) 8x 0805 resistore da 50 ohm2x 0805 resistore da 10ohm2x 0805 condensatore ceramico da 10nF 50V (circuito di protezione)

2x diodo zener 18v 0.5W ZMM5248B (circuito di protezione)1x nxp MC33883 Gate driver H-bridge1x condensatore ceramico 0805 33nF 50V (per driver)

2x condensatore ceramico 0805 470nF 50V (per driver)

1x diodo generico di protezione da polarità a foro passante (già presente) 1x convertitore dc/dc a 3 pin max 36vin 5v out VXO7805-500

3x smd 10uF 50V 5x5,3mm condensatore elettrolitico3x 0805 1uF 50V condensatore ceramico (circuiti logici 5v)

9x 0805 resistore da 10k (pulldown e divisore di tensione configurato per fare 15k)4x 0803 resistore da 3k (serie configurata in parallelo per rimanere 3k.. uno spreco lo so)2x potenziometri trimmer a foro passante da 10k1x intestazioni Arduino nanovari, dissipatori di calore, altri oggetti come interruttori, potenziometro ecc

Ho ordinato le mie parti da mouser.com e ho ordinato la maggior parte delle parti in lotti di 10 e ho aggiunto molte altre parti per un totale di nz$60 per ottenere la spedizione gratuita in Nuova Zelanda (un risparmio di ~nz$30)

Costo totale del componente di costruzione circa US $ 23 + (qualunque cosa acquisti in più per ottenere un affare migliore ACQUISTA BULK) + pcb

Fase 4: PROGETTAZIONE PCB

Ora abbiamo selezionato i componenti e speriamo di averli nel modo in cui possiamo confermare i pacchetti dei componenti nello schema e iniziare a disegnare la nostra scheda Il layout del PCB è una forma d'arte e non ho intenzione di provare a insegnarlo. Prova youtube per quello. quello che posso fare è segnalare i miei errori su questo forum

Ho messo i miei mosfet in orizzontale, ho progettato il mio ponte H per funzionare con la mia soluzione di dissipatore di calore pianificata e, di conseguenza, ho tracce di potenza che sono significativamente più strette di quanto vorrei che fossero. Ho compensato raddoppiando le tracce sul lato inferiore della scheda e rimuovendo la maschera di saldatura per aggiungere saldatura per aumentare la gestione della corrente Connessioni di alimentazione. Ho deciso di utilizzare grandi pad 10x10mm per dirigere i cavi di saldatura per le connessioni +v -v motorA e motorB piuttosto che terminali a vite ecc (mi rendo conto che avrò bisogno di un serracavo meccanico) tuttavia a causa dei miei grandi dissipatori di calore sarà difficile saldare i cavi a questi pad. la vita sarebbe più facile se avessi posizionato questi pad del lato opposto della scheda ai dissipatori

Avrei dovuto aumentare le dimensioni dei via per i diodi a ruota libera a foro passante. di conseguenza, questi sono ora montati in superficie (prestare attenzione alle dimensioni del pacchetto

converti il tuo design in un file Gerber e invialo al tuo produttore di PCB preferito posso consigliare JLCPCB hanno fatto un buon lavoro per me e a prezzi ragionevoli

Step 5: Assemblaggio e PROVA LA SCHEDA

Ora hai le tue parti e i tuoi PCB, è tempo di assemblare e saldare forse un'ora o 2

per prima cosa, controlla di avere tutte le parti e che il tuo PCB sia in buone condizioni riunisci i tuoi strumenti.

come ho detto 0805 le parti non sono troppo difficili iniziare con i componenti più piccoli prima resistenze, cappucci, diodi, quindi l'IC installa l'Arduino direttamente o con le intestazioni per la rimovibilità installa le intestazioni

PROVA LA SCHEDA PER I CORTO CIRCUITI

ora carica il blink sketch su Arduino e scollega l'USB e alimenta la scheda da una batteria o da un alimentatore per assicurarti che la sezione del regolatore funzioni correttamente installa i mosfet per ultimi

PROVA LA SCHEDA PER I CORTI CIRCUITI

caricare il software del driver e alimentare la scheda da un'alimentazione limitata di corrente, diciamo che 100 mA dovrebbero essere sufficienti, vogliamo garantire il ponte H in tutti gli stati per garantire che non vi sia alcun evento di sparatoria. probabilmente si spegnerà a causa della bassa tensione

la tua scheda è ora pronta per guidare un motore o 2