Двухканальный реверсивный 19A MOSFET-драйвер для робота

Специально для робототехнических целей, где задействованы мощные коллекторные движки, мы разработали драйвер моторов, предназначеный для полного управления двумя моторами с использованием ШИМ-модуляции или без неё с помощью микроконтроллера или отладочной платы. Драйвер выполнен по симметричной двухканальной схеме с цифровым управлением. Он позволяет изменять направление вращения оси для двух моторов независимо, изменять скорость вращения в любом направлении с помощь ШИМ-модуляции. Схемотехнически драйвер состоит из управляющей цифровой части, драйверов полевых транзисторов и двух симметричных мостов выполненных на мощных полевых транзисторах. Расчётная нагрузочная способность драйвера до 19A.

1.Назначение входов управления драйвером.

(Общий вид платы двухконального реверсивного ДД)

(Принципиальная схема ДД)

Управление драйвером возможно через два разъёма XT2,XT3. Если сориентировать печатную плату разъёмами на себя, то разъём XT2 будет слева, а XT2 справа. Через разъём XT2 осуществляется управление левым каналом (VT1,VT2,VT5,VT6) и соответственно мотором M1. Через разъём XT3 осуществляется управление правым каналом (VT3,VT4,VT7,VT8) и соответственно мотором M2.

Каждый из разъёмов двухсекционный и имеет нанесённую на корпус маркировку из цифр 1 и 2. Цифрой 1 помечен вход установки вызывающий изменение направления вращения вала мотора. При подаче лог.1 вал мотора будет вращаться в одну сторону, при подаче лог.0 в другую. Вращение в ту или иную сторону будет происходить только в случае, если на входе 2 разъёма установлена лог.1.

Цифрой 2 помечен вход для подключения шим-сигнала. Изменяя ширину импульса на данном входе можно изменять скорость вращения вала мотора. Чтобы остановить вращения вала мотора необходимо подать шим сигнал с нулевым уровнем. Если использование шим-сигнала не планируется, то управление по входу 2 можно осуществить логическими уровнями. Например, установка лог.1 на входе 2 вызовет вращение вала мотора на максимальной скорости. Установка лог.0 на входе 2 вызовет остановку вращения вала мотора.

ВАЖНО! Перед сменой направления вращения вала мотора (ов) задайте программно небольшую паузу, чтобы в драйвере моста не происходили броски тока! И только после этого изменяйте состояние входа 1.

Для торможения не имеет значения, какой логический уровень на входе 1. Достаточно выставить на входе 2 разъёма логический ноль. Если требуется не плавное, а экстренное резкое торможение, то можно использовать следующий способ. На короткое время программно изменить направление вращения вала мотора, затем отключить моторы. Такой подход вызовет мгновенное торможение.

2.Светодиоды.

Для контроля все сигналы на входах 1 и 2 двух разъёмов XT2,XT3 отображаются на светодиодах красного цвета свечения. Если на любом из входов сигнал высокого уровня (лог.1), то это вызывает свечении соответствующего светодиода. Если на любом из входов сигнал низкого уровня (лог.0), то светодиод не светиться.
Зелёный светодиод, расположенный на плате драйвера индицирует наличие напряжения питания +5 вольт поступающего на цифровые микросхемы DD1,DD2 (74HC00,74HC14).

Для отладки программы управления драйвером не обязательно подключать моторы, достаточно проследить прохождение команды по включению соответствующего светодиода. Логическая единица соответствует зажжённому светодиоду. Логический ноль соответствует погашенному светодиоду.

Для разъёма XT2, лог.1 на входе 1 светиться HL1, лог.1 на входе 2 светиться HL2.
Для разъёма XT3, лог.1 на входе 1 светиться HL3, лог.1 на входе 2 светиться HL4.

На печатной плате светодиоды расположены по порядку HL1-HL4 (если считать от центра к краю платы).

3.Стабилизаторы напряжения.

Драйвер моторов имеет собственный источник питания с выходным напряжением +5 вольт. Это напряжение формируется low drop стабилизатором LM2940-5. Использование этой микросхемы улучшает характеристики драйвера и защищает логическую часть схемы от “просадки” напряжения и обесточивания цепей управления транзисторами при включении двигателей.

4.Разрядные конденсаторы.

При включении одного или двух моторов аккумуляторы испытывают значительную нагрузку, так как через них протекает большой ток. Чтобы обеспечить первичный импульс тока на обмотке моторов и разгрузить аккумуляторы, на плате драйвера установлены конденсаторы большой ёмкости C2,C13,C14,C15 (1000мкф). Их емкость должна коррелировать с допустимым током нагрузки для используемых моторов.

5. Изготовление платы методом ЛУТ.

Для тех, кто знаком с технологией изготовления печатных плат методом Лазерно-Утюжной технологии, мы приготовили архив в котором имеется шаблон для ЛУТ(termoLUT), а так же схема расположение элементов на плате(buttom).

Точные размеры печатной платы следующие: 100х80 мм.
Будьте внимательны при работе хлорным железом!

(На рисунке файл termoLUT)

Рекомендации при подключении драйвера.

1. Перед подключением драйвера проверить уровень заряда аккумуляторов, напряжение должно быть не менее 12 вольт.
2. При эксплуатации драйвера не допускайте короткого замыкания на выходах для подключения моторов. В противном случае из-за больших токов в выходном транзисторном мосте сгорят транзисторы IRF9540 как более низкоточные по сравнению с IRFZ48N.
3. Для повышения напряжения на затворах мощных транзисторов вместо резистора R8 (сопротивлением 10 Ом) на печатной плате установлена перемычка.
4. Плата контроллера также имеет встроенный источник питания. Если +5в с платы контроллера приводит к не правильной работе драйвера, то следует отключить внутренний источник питания драйвера. Для этого необходимо найти стабилизатор LM2940 на печатной плате. Затем выпаять две ножки первую и третью по счёту слева. Стабилизатор будет отключен. Затем необходимо подключить питание +5 вольт к плате драйвера с платы контроллера через отверстие для третьего вывода стабилизатора. На печатной плате драйвера отверстие помечено +5V.
5. Если продолжительные включения драйвера происходят к сильному разогреву корпуса, какого либо транзистора, то рекомендуется установить радиатор решётчатого типа на металлический контакт стока транзистора и зафиксировать его винтом.
6. Все силовые соединения с моторами и источником питания по шине +12В выполняйте только толстым многожильным медным проводом, рассчитанным на большие токи.

Полезная литература:
Создание печатной платы методом утюга
Широтно-импульсная модуляция из WiKi
Из бесед Бибота и Бобота
Наш личный образовательный сайт по робототехнике для начинающих.
Перевод оригинальной статьи «Pulse Width Modulation» Simon Baker, Shea Hagstrom про ШИМ очень доступно