Controlador de motor de alta corriente de bricolaje (puente h): 5 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

El proyecto consiste en actualizar los motores y la electrónica de este quad para niños Power Wheels, decepcionado con el rendimiento de este mini-quad de 12V. planeamos actualizar a un sistema de 24v con 2 nuevos motores traxxis 775 cepillados después de investigar placas de controlador de motor disponibles comercialmente y descubrir que la mayoría eran un poco débiles (ver foto de comparación incluida) o bastante caras, decidí diseñar una solución simple basada en Arduino

24v mínimo

control de motor bidireccional

Control PWM

Capacidad de alta corriente escalable (100AMP)

componentes mínimos

Reducción de 5v para lógica

sentido de voltaje de la batería

adruino nano controler

acceso a entradas para usos específicos (acelerador [incluido el ajuste superior e inferior], dirección, habilitación, 1 extra)

acceso a pines no utilizados para salidas (led out)

la solución obvia es utilizar el circuito de puente H basado en mosfet

Voy a mostrarte cómo diseñé y construí mi controlador de puente H de alta corriente

Paso 1: busque un controlador IC de puente H

el IC del controlador de puente H es el chip entre las salidas Arduino y MOSFET. este IC toma señales HIGH / LOW del Arduino y emite la misma señal reforzada para impulsar las puertas MOSFET, específicamente su función más importante es aumentar el voltaje a los fets laterales altos por encima de VCC (batería + entrada) permitiendo el uso de todos N-MOSFET, algunos controladores también tienen circuitos especiales para evitar disparos (cuando 2 fets crean un cortocircuito directo a tierra destruyendo los fets). Finalmente me decidí por el controlador NXP MC33883 Full H-bridge ICelegido porque: incluye 2 medios puentes (por lo que solo necesito 1 IC) - bomba de carga del lado alto incorporada - requiere solo 7 componentes adicionales (incluido el circuito de protección) - opera con una entrada de 5.5-60V (con bloqueo por debajo y por encima de voltaje) -1amp de corriente máxima de manejo

negativo, lamentablemente no tiene protección de disparo (por lo que debe hacerse en el software y probarse con una fuente de alimentación limitada actual) requiere 5 señales de entrada bastante caras a $ 8.44 cada una en mouserhttps://nz.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/…datasheet

con este chip en mente, ahora podemos diseñar nuestro circuito alrededor de él

Paso 2: Diseño de circuito

Usaremos la herramienta en línea EASYEDA (easyeda.com) para diseñar el circuito (no afiliado, pero la herramienta funciona bien y es fácil realizar pedidos de PCB a través de JLCPCB.com). En la hoja de datos del controlador MC33883, podemos encontrar el esquema de la aplicación (con circuito de protección) copiaremos este circuito ya que no necesitamos reinventar la rueda aquí, solo use el diseño recomendado y los valores de capacitores recomendados, agregaremos los diodos y capacitores zener de 18v para limitar el voltaje de la fuente de la puerta por debajo del típico MOSFET 20v max Vgs

La única diferencia que agregaremos al circuito son los MOSFET en paralelo opcionales para aumentar la capacidad de corriente. Para hacer esto, solo necesitamos asegurarnos de tener una resistencia en la puerta de cada FET. con FET paralelos, esta resistencia ayuda a equilibrar la carga y las características de conmutación del par paralelo (investigue más sobre cargas altas para evitar problemas)

Decisiones a tomar … ¿Tensión máxima? Estoy ejecutando 24v, por lo que puedo unir VCC y VCC2 de mi chip mc33883 (el límite en vcc2 es 28v pero podría tener una fuente separada y tener un voltaje VCC máximo de 60v) ¿Cómo encender el Arduino? Fui con un pequeño regulador de conmutación de 5v 500mA que viene preconstruido en una placa de circuito impreso con 3 pines que funciona entre 6.5-36v ¡perfecto!. Https: //nz.mouser.com/ProductDetail/490-VXO7805-50 … agregue un diodo de protección de polaridad, capacitores de entrada y salida. hecho.

Quiero poder obtener el voltaje de la batería y apagarlo cuando esté bajo para que un divisor de voltaje limite el voltaje a mis pines Arduino. 8 almohadillas de resistencia 2 en paralelo y 4 series sueltas como esta + == | == - esto debería significar que puedo configurarlo fácilmente de manera diferente sin tener valores específicos Averigüe qué salidas necesitamos del Arduino al controlador, necesitamos 2 PWM para los FET del lado alto y 2 digitales (o pwm) para los FET del lado bajo y también necesitamos 1 línea de habilitación para el controlador que podría obtener con algún tipo de lógica de puerta NAND (y tal vez en demora) para la protección de disparo de hardware si la necesita.

Entradas que elegí usar todas las entradas analógicas para aceleración, habilitación, dirección y recorte principalmente para asegurar que estuvieran disponibles y divididas, todas tienen almohadillas para resistencias desplegables y un pin de 5v disponible y las entradas funcionan como activas cuando están altas. (Si la habilitación la línea estaba activa baja y el acelerador estaba atascado si el cable de 5v se rompía, los motores funcionarían continuamente)

Salidas Incluí un encabezado de salida de 5 pines + tierra para indicador LED de batería / acceso a los pines (pines digitales restantes) también se incluye un encabezado para el último pin PWM restante (una nota sobre PWM elegí poner pies laterales altos, pies laterales bajos y Salida PWM cada uno en canales de temporizador separados del Arduino, esto debería permitirme jugar con los temporizadores de manera diferente, etc., etc.)

Paso 3: selección de componentes

para esta placa, decidí ir principalmente con componentes de montaje en superficie, soldar smd no es demasiado difícil si elige sabiamente sus dispositivos..

algunas personas dicen que 0603 no es tan malo, pero está comenzando a empujar el límite.

Zeners de vidrio que encontré un poco difíciles de maniobrar

Lista de componentes de alimentación a controlador a digital (lo que usé)

8x TO220 N-ch mosfets 60V 80A IPP057N06N3 G4x 1N5401-G diodo de potencia de uso general 100v 3A (pico 200A) (estos son incorrectos, debería haber usado diodos Schottky para ver cómo funcionan) 8x 0805 50ohm resistor 2x 0805 10ohm resistor 2x 0805 10nF 50V resistor 2x 0805 10nF 50V condensador cerámico (circuito de protección)

2x diodo zener de 18v 0.5W ZMM5248B (circuito de protección) 1x nxp MC33883 H-bridge gate driver 1x 0805 33nF 50V capacitor cerámico (para driver)

2x condensador cerámico 0805 470nF 50V (para controlador)

1x diodo de protección de polaridad de orificio pasante genérico (ya lo tenía) 1x convertidor dc / dc de 3 pines max 36vin 5v out VXO7805-500

3x condensador electrolítico smd 10uF 50V 5x5.3mm 3x 0805 1uF 50V condensador cerámico (circuitos lógicos 5v)

9x 0805 10k resistor (pulldowns y divisor de voltaje configurado para hacer 15k) 4x 0803 3k resistor (serie configurada en paralelo para permanecer 3k … un desperdicio, lo sé) 2x 10k potenciómetros de recorte de orificio pasante 1x Arduino nanovariados encabezados, disipadores de calor, otros elementos como interruptores, potenciómetro, etc.

Pedí mis piezas en mouser.com y pedí la mayoría de las piezas en lotes de 10 y agregué varias otras piezas a un total de 60 dólares neozelandeses para obtener envío gratuito a Nueva Zelanda (un ahorro de 30 dólares neozelandeses)

El costo total del componente de construcción es de aproximadamente US $ 23 + (lo que compre extra para obtener un mejor trato COMPRAR A GRANEL) + pcb

Paso 4: DISEÑO DE PCB

Ahora que hemos seleccionado los componentes y esperamos tenerlos en camino, podemos confirmar los paquetes de componentes en el esquema y comenzar a diseñar nuestro tablero. El diseño de PCB es una forma de arte y no voy a intentar enseñarlo. Prueba youtube para eso. Lo que puedo hacer es señalar mis errores en este tablero

Puse mis mosfets en posición horizontal. Diseñé mi puente en H para que funcionara con mi solución de disipador de calor planificada y, como resultado, tengo trazas de energía que son significativamente más estrechas de lo que me gustaría. Lo compensé duplicando las huellas en la parte inferior de la placa y quitando la máscara de soldadura para poder agregar soldadura para aumentar las conexiones de alimentación de manejo de corriente. Decidí usar almohadillas grandes de 10x10 mm para soldar cables directos para conexiones + v -v motorA y motorB en lugar de terminales de tornillo, etc. estas almohadillas. la vida sería más fácil si hubiera colocado estas almohadillas del lado opuesto del tablero a los disipadores de calor

Debería haber aumentado el tamaño de las vías para los diodos de rueda libre de orificio pasante. como resultado, ahora se montan en la superficie (preste atención a los tamaños de los paquetes

Convierta su diseño en un archivo Gerber y envíelo a su fabricante de PCB favorito. Puedo recomendar JLCPCB. Hicieron un buen trabajo por mí ya un precio razonable.

Paso 5: ¡Ensamble y PRUEBE EL TABLERO

Ahora que tiene sus piezas y PCB, es hora de ensamblar y soldar, tal vez una o dos horas.

Primero, verifique que tenga todas las piezas y que su PCB esté en buenas condiciones, junte sus herramientas.

como dije, las piezas 0805 no son demasiado difíciles, comience con los componentes más pequeños, primero resistencias, tapas, diodos, luego el IC instale el Arduino directamente o con encabezados para la remoción instale los encabezados

PRUEBE LA TARJETA PARA CORTOCIRCUITOS

ahora cargue el boceto parpadeante en el Arduino y desconecte el USB y encienda la placa con una batería o fuente de alimentación para asegurarse de que la sección del regulador funcione correctamente instale los mosfets al final

PRUEBE LA TARJETA PARA CORTOCIRCUITOS

cargue el software del controlador y encienda la placa con un suministro limitado de corriente, digamos que 100 mA debería ser suficiente, queremos asegurar el puente H en todos los estados para garantizar que no haya ningún evento de disparo directo. probablemente se apagará debido al bajo voltaje

su placa ahora está lista para conducir un motor o 2