- Motorna vožnja
- H-Bridge Motor Driver Circuit
- Potrebne komponente
- Sheme za preprosto vezje H-Bridge
- Delovna razlaga
- Nasveti za konstrukcijo vezij H-Bridge
Že na začetku se zdi, da je vožnja z motorjem enostavna naloga - samo priklopite motor na ustrezno napetostno tirnico in začel se bo vrteti. Toda to ni popoln način za pogon motorja, še posebej, če so v vezju vključene druge komponente. Tu bomo razpravljali o enem najpogosteje uporabljenih in najučinkovitejših načinov vožnje enosmernih motorjev - vezje H-Bridge.
Motorna vožnja
Najpogostejši tip motorja, s katerim se lahko srečate v krogih ljubiteljev za aplikacije z nizko porabo, je 3V DC motor, prikazan spodaj. Ta vrsta motorja je optimizirana za nizkonapetostno delovanje iz dveh 1,5V celic.
In zagon je preprost kot povezovanje z dvema celicama - motor se takoj vžge in deluje, dokler so baterije priključene. Medtem ko je tovrstna nastavitev dobra za "statične" aplikacije, kot je miniaturna vetrnica ali ventilator, je pri "dinamični" aplikaciji, kot so roboti, potrebna večja natančnost - v obliki nadzora spremenljive hitrosti in navora.
Očitno je, da zmanjšanje napetosti na motorju zmanjša hitrost in prazna baterija povzroči počasen motor, če pa se motor napaja iz tirnice, ki je skupna več kot eni napravi, je potreben ustrezen pogonski krog.
To je lahko celo v obliki spremenljivega linearnega regulatorja, kot je LM317 - napetost na motorju lahko spreminjate, da povečate ali zmanjšate hitrost. Če je potreben več toka, lahko to vezje diskretno zgradimo z nekaj bipolarnimi tranzistorji. Največja pomanjkljivost s to vrsto nastavitev je učinkovitost - tako kot z vsako drugo obremenitev, tranzistor razblini vse nezaželene moč.
Rešitev tega problema je metoda, imenovana PWM ali pulzno širinsko modulacijo. Tu motor poganja kvadratni val z nastavljivim delovnim ciklom (razmerje med časom in obdobjem signala). Skupna dobavljena moč je sorazmerna z delovnim ciklom. Z drugimi besedami, motor se napaja majhen del časovnega obdobja - tako je sčasoma povprečna moč motorja nizka. Z 0% delovnega cikla je motor izklopljen (tok ne teče); pri delovnem ciklu 50% motor deluje s polovično močjo (polovica trenutne porabe) in 100% predstavlja polno moč pri največji porabi toka.
To se izvede tako, da motor priklopite na visoko stran in ga zaženete z N-kanalnim MOSFET-om, ki ga spet poganja signal PWM.
To ima nekaj zanimivih posledic - 3V motor lahko poganja 12V napajalnik z nizkim obratovalnim ciklom, saj motor vidi le povprečno napetost. S skrbno zasnovo to odpravlja potrebo po ločenem napajanju motorja.
Kaj če moramo obrniti smer motorja? Običajno se to stori s preklopom sponk motorja, vendar je to mogoče električno.
Ena od možnosti je lahko uporaba drugega FET in negativne oskrbe za zamenjavo smeri. To zahteva, da je en terminal motorja trajno ozemljen, drugi pa priključen na pozitivno ali negativno napajanje. Tu MOSFET-ji delujejo kot stikalo SPDT.
Vendar obstaja bolj elegantna rešitev.
H-Bridge Motor Driver Circuit
To vezje se imenuje H-most, ker MOSFET-ji tvorita dva navpična giba, motor pa vodoravni hod abecede "H". Je enostavna in elegantna rešitev za vse težave z motorno vožnjo. Smer se lahko enostavno spremeni in hitrost je mogoče nadzorovati.
V konfiguraciji mostu H se za nadzor smeri aktivirajo samo diagonalno nasprotni pari MOSFET-jev, kot je prikazano na spodnji sliki:
Ko aktivirate en par (diagonalno nasprotno) MOSFET-jev, motor vidi tok toka v eno smer in ko se aktivira drugi par, tok skozi motor obrne smer.
MOSFET-je lahko pustite vklopljene za polno moč ali PWM-ed za regulacijo moči ali pa jih izklopite, da se motor ustavi. Aktiviranje spodnjih in zgornjih MOSFET-jev (vendar nikoli skupaj) zavira motor.
Drug način za izvajanje H-Bridgea je uporaba 555 časovnikov, o čemer smo razpravljali v prejšnji vadnici.
Potrebne komponente
Za most H- Enosmerni motor
- 2x IRF3205 N-kanalni MOSFET-i ali enakovredni
- 2x IRF5210 P-kanalni MOSFET-i ali enakovredni
- 2x 10K upori (spust)
- 2x elektrolitski kondenzatorji 100uF (ločitev)
- 2x keramični kondenzatorji 100nF (ločitev)
Za krmilno vezje
- 1x 555 časovnik (katera koli različica, po možnosti CMOS)
- 1x TC4427 ali kateri koli ustrezen gonilnik vrat
- 2x 1N4148 ali katera koli druga signalna / ultrahitro dioda
- 1x 10K potenciometer (merjenje časa)
- 1x upor 1K (časovno)
- 4.7nF kondenzator (čas)
- 4.7uF kondenzator (ločevanje)
- 100nF keramični kondenzator (ločitev)
- 10uF elektrolitski kondenzator (ločitev)
- Stikalo SPDT
Sheme za preprosto vezje H-Bridge
Zdaj, ko smo teoriji odmaknili pot, je čas, da si umažemo roke in izdelamo voznika motorja H-most. To vezje ima dovolj moči za pogon srednje velikih motorjev do 20A in 40V s pravilno konstrukcijo in hladilnikom. Nekatere funkcije so poenostavljene, na primer uporaba stikala SPDT za nadzor smeri.
Poleg tega so MOSFET-ji visoke strani P-kanalni zaradi enostavnosti. Z ustreznim pogonskim vezjem (z bootstrappingom) bi lahko uporabili tudi N-kanalne MOSFET-je.
Popoln diagram vezja za ta H-most z uporabo MOSFET-jev je podan spodaj:
Delovna razlaga
1. Časovnik 555
Časovnik je preprosto vezje 555, ki ustvari delovni cikel od približno 10% do 90%. Frekvenca je nastavljena z R1, R2 in C2. Visoke frekvence so raje za zmanjšanje zvočnega cviljenja, vendar to pomeni tudi, da je potreben močnejši gonilnik vrat. Delovni cikel nadzoruje potenciometer R2. Več o uporabi 555 časovnika v neskončnem načinu lahko preberete tukaj.
To vezje lahko nadomesti kateri koli drug vir PWM, kot je Arduino.
2. Gonilnik vrat
Gonilnik vrat je standardni dvokanalni TC4427, z 1,5A ponorom / virom na kanal. Tu sta oba kanala vzporedna zaradi večjega pogonskega toka. Če je frekvenca večja, mora biti gonilnik vrat močnejši.
Stikalo SPDT se uporablja za izbiro kraka H-mostu, ki nadzoruje smer.
3. H-most
To je delovni del vezja, ki krmili motor. Vrata MOSFET ponavadi povleče upor nizko. Posledica tega je, da se vklopita oba MOSFET-a s P-kanalom, vendar to ni problem, saj ne more teči noben tok. Ko se signal PWM nanaša na vrata ene noge, se MOSFET-ji N in P-kanalov izmenično vklapljajo in izklapljajo ter nadzirajo moč.
Nasveti za konstrukcijo vezij H-Bridge
Največja prednost tega vezja je, da ga je mogoče prilagoditi tako, da poganja motorje vseh velikosti in ne samo motorjev - karkoli drugega, kar potrebuje dvosmerni tok, kot so pretvorniki sinusnih valov.
Če uporabljate to vezje tudi pri majhnih močeh, je potrebno pravilno lokalizirano ločevanje, razen če želite, da je vaše vezje napačno.
Če je to vezje zgrajeno na bolj trajni platformi, kot je PCB, je priporočljiva velika ozemljitvena plošča, ki zadržuje dele nizkega toka stran od poti visokega toka.
Torej je to preprosto vezje H-Bridge rešitev za številne težave z vožnjo motorja, kot so dvosmerno, upravljanje moči in učinkovitost.