Сильноточный драйвер двигателя DIY (h-мост): 5 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Проект заключается в модернизации двигателей и электроники в этом детском квадроцикле Power Wheels, который впечатлен производительностью этого мини-квадроцикла на 12 В. Мы планировали перейти на систему 24 В с двумя новыми щеточными двигателями traxxis 775 после исследования имеющихся в продаже плат драйверов двигателей и обнаружив, что большинство из них были либо довольно слабыми (см. прилагаемое сравнительное фото), либо довольно дорогими. Я решил разработать простое решение на основе Arduino.

Минимум 24 В

двунаправленное управление двигателем

ШИМ-контроль

масштабируемый высокий ток (100А)

минимальные компоненты

5в понижающий для логики

датчик напряжения батареи

контроллер adruino nano

доступ к входам для конкретных целей (дроссельная заслонка [включая верхнюю и нижнюю триммеры], направление, включение, 1экстра)

доступ к неиспользуемым выводам для выходов (выведен)

очевидным решением является использование H-мостовой схемы на основе mosfet.

Я собираюсь показать вам, как я спроектировал и построил свой сильноточный драйвер H-моста

Шаг 1. Найдите микросхему драйвера H-моста

ИС драйвера H-моста - это микросхема между выходами Arduino и MOSFET. эта ИС принимает HIGH / LOW сигналы от Arduino и выводит тот же усиленный сигнал для управления затворами MOSFET, в частности, ее наиболее важной функцией является повышение напряжения на высоких полевых выводах выше VCC (батарея + вход), позволяя использовать все N-MOSFET-транзисторы некоторые драйверы также имеют специальную схему для предотвращения прострела (когда 2 полевых транзистора создают прямое короткое замыкание на землю, разрушая полевые транзисторы). В конечном итоге я остановился на драйвере полного H-моста NXP MC33883 IC, который был выбран, потому что - он включает в себя 2 полумоста (поэтому мне требуется только 1 IC) - встроенный нагнетатель заряда на стороне высокого напряжения - требуется только 7 дополнительных компонентов (включая схему защиты) - работает с входом 5,5-60 В (с блокировкой пониженного и повышенного напряжения) -1 ампер пиковый ток привода

негативы, к сожалению, не имеют защиты от прострела (поэтому должны выполняться в программном обеспечении и тестироваться с текущим ограниченным источником питания) требует 5 входных сигналов, что довольно дорого, по цене 8,44 доллара каждый на mouser https://nz.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/…datasheet

Имея в виду этот чип, мы можем теперь спроектировать нашу схему на его основе

Шаг 2: Проектирование схемы

мы будем использовать онлайн-инструмент EASYEDA (easyeda.com) для разработки схемы (не является аффилированным, но инструмент работает нормально и легко заказывает печатную плату через JLCPCB.com). Из таблицы данных для драйвера MC33883 мы можем найти схему приложения (с внешним схему защиты), мы скопируем эту схему, так как нам не нужно изобретать колесо, просто используйте рекомендованную схему и рекомендуемые значения конденсаторов, мы добавим стабилитроны 18 В и конденсаторы, чтобы ограничить напряжение затвор-исток ниже типичного MOSFET 20 В. макс Vgs

Единственное отличие, которое мы добавим в схему, - это дополнительные параллельные полевые МОП-транзисторы для увеличения допустимого тока, для этого нам просто нужно убедиться, что у нас есть резистор на затворе каждого полевого транзистора. с параллельными полевыми транзисторами этот резистор помогает сбалансировать нагрузочные и коммутационные характеристики параллельной пары (дополнительные исследования для высокой нагрузки, чтобы избежать проблем)

Принимаемые решения.. максимальное напряжение? У меня напряжение 24 В, поэтому я могу связать VCC и VCC2 моего чипа mc33883 вместе (предел для vcc2 составляет 28 В, но я мог бы иметь отдельный источник питания и иметь максимальное напряжение VCC 60 В) Как запитать Arduino? Я выбрал небольшой импульсный стабилизатор 5 В, 500 мА, который поставляется на печатной плате с 3 контактами, который работает идеально при напряжении 6,5-36 В! Https://nz.mouser.com/ProductDetail/490-VXO7805-50 … все, что мне нужно сделать, это добавить диод защиты полярности, входные и выходные конденсаторы. сделано.

Я хочу иметь возможность получать напряжение батареи и отключаться при его низком уровне, чтобы делитель напряжения ограничивал напряжение на моих выводах Arduino. 8 резисторных площадок, 2 параллельных и 4 последовательных цикла, подобных этому + == | == - это должно означать, что я могу легко настроить его по-другому, не имея конкретных значений. и 2 цифровых (или pwm) для полевых транзисторов нижнего уровня, и нам также нужна 1 разрешающая линия для драйвера, который вы могли бы представить с какой-то логикой логического элемента NAND (и, возможно, с задержкой) для аппаратной защиты, если она вам нужна.

Входы Я решил использовать все аналоговые входы для дроссельной заслонки, включения, направления и подстройки, в основном, чтобы убедиться, что они доступны и разорваны, у всех есть контактные площадки для понижающих резисторов и доступный вывод 5 В, а входы работают как активные при высоком уровне. (Если включить линия была активна на низком уровне, и дроссельная заслонка застряла, если провод 5В был оборван, двигатели работали бы постоянно)

Я включил 5-контактный + заземляющий выходной заголовок для светодиодного индикатора батареи / доступа к контактам (оставшимся цифровым контактам), также включен заголовок для последнего оставшегося контакта PWM (примечание о PWM, которое я выбрал, чтобы установить полевые транзисторы высокой стороны, полевые транзисторы низкой стороны и ШИМ-выход каждый на отдельных каналах таймера Arduino, это должно позволить мне играть с таймерами по-разному и т. Д. И т. Д.)

Шаг 3: выбор компонентов

для этой платы я решил использовать в основном компоненты для поверхностного монтажа, пайка smd не так уж и сложна, если вы выбираете свои устройства с умом. Компоненты размера 805 для резисторов и конденсаторов довольно просто припаять без помощи микроскопа, и для работы нужен только пинцет.

некоторые люди говорят, что 0603 не так уж и плох, но он начинает выходить за рамки возможного.

стеклянные стабилитроны, которые мне показались немного сложными в маневрировании

Список компонентов от питания до драйвера и до цифрового (что я использовал)

8x TO220 N-канальные МОП-транзисторы 60V 80A IPP057N06N3 G4x 1N5401-G силовой диод общего назначения 100v 3A (пик 200A) (это неверно, я должен был использовать диоды Шоттки, посмотреть, как они работают) (схема защиты)

2 стабилитрона 18 В, 0,5 Вт ZMM5248B (схема защиты) 1 драйвер затвора Н-моста nxp MC33883 1 x 0805 33 нФ керамический конденсатор 50 В (для драйвера)

2x 0805 470nF керамический конденсатор 50V (для драйвера)

1x стандартный сквозной диод защиты полярности (он уже был) 1x 3-контактный преобразователь постоянного / постоянного тока макс. 36вин 5В выход VXO7805-500

3x smd 10uF 50V 5x5.3mm электролитический конденсатор 3x 0805 1uF 50V керамический конденсатор (логические схемы 5v)

9 резисторов 0805 10 кОм (понижающие и делитель напряжения настроены на 15 кОм) 4 резистора 0803 3 кОм (настроены последовательно параллельно, чтобы оставаться 3 кОм … пустая трата, я знаю) 2 подстроечных потенциометра по 10 кОм, 1 нановые разъемы Arduino, радиаторы, другие элементы, такие как переключатели, потенциометр и т. д.

Я заказал свои детали на сайте mouser.com и заказал большинство деталей партиями по 10 и добавил несколько других деталей на общую сумму 60 новозеландских долларов, чтобы получить бесплатную доставку в Новую Зеландию (экономия ~ 30 новозеландских долларов).

Общая стоимость компонентов сборки около 23 долларов США + (все, что вы покупаете дополнительно, чтобы получить более выгодную сделку, ПОКУПАЙТЕ НАЛИЧИЕ) + печатная плата

Шаг 4: ДИЗАЙН ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Теперь мы выбрали компоненты и, надеюсь, они уже в пути, мы сможем подтвердить пакеты компонентов на схеме и начать компоновку нашей платы. Компоновка печатной платы - это форма искусства, и я не собираюсь пытаться этому учить. Попробуйте для этого YouTube. Я могу указать на свои ошибки на этой доске.

Я поставил МОП-транзисторы горизонтально. Я спроектировал свой H-мост для работы с моим запланированным решением радиатора, и в результате у меня есть следы питания, которые значительно уже, чем мне хотелось бы. Я компенсировал это, удвоив дорожки на нижней стороне платы и удалив паяльную маску, и я мог добавить припой, чтобы увеличить пропускную способность силовых соединений. Я решил использовать большие контактные площадки 10x10 мм для прямой пайки кабелей для соединений + v -v motorA и motorB, а не винтовые клеммы и т. эти колодки. жизнь была бы проще, если бы я поместил эти площадки противоположной стороны платы к радиаторам

Мне следовало увеличить размер переходных отверстий для сквозных диодов с обгонной муфтой. в результате они теперь монтируются на поверхность (обратите внимание на размеры вашей упаковки

преобразуйте свой дизайн в файл Gerber и отправьте его своему любимому производителю печатных плат. Я могу порекомендовать JLCPCB, они хорошо поработали для меня и по разумной цене

Шаг 5: Сборка и ТЕСТИРОВАНИЕ ПЛАТЫ

Теперь у вас есть детали и печатные платы, пора собирать и паять, может быть, час или два.

сначала убедитесь, что у вас есть все детали и что ваша печатная плата находится в хорошем состоянии.

как я уже сказал, детали 0805 не слишком сложно начать с мельчайших компонентов, сначала резисторы, колпачки, диоды, затем IC устанавливает Arduino либо напрямую, либо с заголовками для съема, установите заголовки

ТЕСТИРОВАНИЕ ПЛАТЫ НА КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ

теперь загрузите скетч мигания в Arduino, отключите USB и включите плату от батареи или источника питания, чтобы убедиться, что секция регулятора работает правильно, установите МОП-транзисторы в последнюю очередь

ТЕСТИРОВАНИЕ ПЛАТЫ НА КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ

загрузите программное обеспечение драйвера и запитайте плату от ограниченного по току источника питания, скажем, 100 мА должно быть достаточно, мы хотим, чтобы H-мост работал во всех состояниях, чтобы исключить случай прострела. при наличии источника питания немедленно установится ограничение по току и плата скорее всего выключится из-за низкого напряжения

ваша доска теперь готова управлять мотором или 2