DIY High Current Motor Driver (h-brug): 5 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Het project is om de motoren en elektronica in deze Power Wheels-quad voor kinderen te upgraden. Onder de indruk van de prestaties van deze 12V mini-quad. we waren van plan om te upgraden naar een 24v-systeem met 2 nieuwe traxxis 775-borstelmotoren nadat we in de handel verkrijgbare motorbesturingsborden hadden onderzocht en ontdekten dat de meeste ofwel nogal slap waren (zie bijgevoegde vergelijkingsfoto) of nogal duur. Ik besloot een eenvoudige op Arduino gebaseerde oplossing te ontwerpen

minimaal 24v

bidirectionele motorbesturing

PWM-besturing:

schaalbaar geschikt voor hoge stroomsterkte (100AMP)

minimale componenten

5v stepdown voor logica

batterij spanning gevoel

adruino nano-controller

toegang tot ingangen voor specifiek gebruik (gashendel [inclusief boven- en onderbekleding], richting, inschakelen, 1extra)

toegang tot ongebruikte pinnen voor uitgangen (led out)

de voor de hand liggende oplossing is om het op mosfet gebaseerde H-brugcircuit te gebruiken

ik ga je laten zien hoe ik mijn H-bridge driver met hoge stroom heb ontworpen en gebouwd

Stap 1: Zoek een H-bridge Driver IC

de H-bridge driver IC is de chip tussen de Arduino en de MOSFET-uitgangen. dit IC neemt HIGH / LOW-signalen van de Arduino en geeft hetzelfde versterkte signaal af om de MOSFET-poorten aan te sturen, met name de belangrijkste functie is om de spanning te verhogen naar de hoge kant boven VCC (batterij + ingang), waardoor het gebruik van alle N-MOSFET's sommige stuurprogramma's hebben ook speciale circuits om doorschieten te voorkomen (wanneer 2 fets een directe kortsluiting met de aarde veroorzaken die de fets vernietigt). dus ik heb maar 1 IC nodig) - ingebouwde hoge zijlaadpomp - vereist slechts 7 extra componenten (inclusief beveiligingscircuit) - werkt met 5,5-60 V ingang (met onder- en overspanningsvergrendeling) - 1 amp piekstroom

negatief heeft helaas geen doorschietbeveiliging (dus moet in software worden gedaan en getest met de huidige beperkte voeding) vereist 5 ingangssignalen nogal duur voor $ 8,44 elk op mouserhttps://nz.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/…datasheet

met deze chip in gedachten kunnen we nu ons circuit eromheen ontwerpen

Stap 2: Circuitontwerp

we zullen de online tool EASYEDA (easyeda.com) gebruiken om het circuit te ontwerpen (niet aangesloten maar de tool werkt goed en eenvoudig bestellen van PCB via JLCPCB.com) Uit de datasheet voor de MC33883-driver kunnen we het toepassingsschema vinden (met externe beveiligingscircuit) we zullen dit circuit kopiëren omdat we het wiel hier niet opnieuw hoeven uit te vinden, gebruik gewoon de aanbevolen lay-out en aanbevolen condensatorwaarden, we zullen de 18v zenerdiodes en condensatoren toevoegen om de gate-source-spanning onder de typische MOSFET 20v te houden max Vgs

Het enige verschil dat we aan het circuit zullen toevoegen, zijn de optionele parallelle MOSFET's om de stroomcapaciteit te vergroten. Om dit te doen, hoeven we alleen maar te zorgen dat we een weerstand op de poort van elke FET hebben. met parallelle FET's helpt deze weerstand om de belasting en schakelkarakteristieken van het parallelle paar in evenwicht te brengen (onderzoek meer naar hoge belasting om problemen te voorkomen)

Te nemen beslissingen..max. spanning? Ik gebruik 24v, dus ik kan VCC en VCC2 van mijn mc33883-chip aan elkaar koppelen (de limiet op vcc2 is 28v, maar ik zou een aparte voeding kunnen hebben en een maximale VCC-spanning van 60v hebben) Hoe de Arduino van stroom te voorzien? Ik ging met een kleine 5v 500mA-schakelregelaar die vooraf is gebouwd op een pcb met 3 pinnen die werkt tussen 6.5-36v perfect! voeg een polariteitsbeschermingsdiode, ingangs- en uitgangscondensatoren toe. gedaan.

Ik wil de batterijspanning kunnen krijgen en afsluiten wanneer deze laag is, dus een spanningsdeler om de spanning naar mijn Arduino-pinnen te beperken. 8 weerstandspads 2paralled en 4 series loos zoals deze +==|==- dit zou moeten betekenen dat ik het gemakkelijk anders kan configureren zonder specifieke waarden. Zoek uit welke uitgangen we nodig hebben van de Arduino naar de driver, we hebben 2 PWM nodig voor de hoge kant FET's en 2 digitale (of pwm) voor de low-side FET's en we hebben ook 1 enable-lijn nodig voor de driver die je zou kunnen krijgen met een soort NAND-poortlogica (en misschien met vertraging) voor hardware-shoot-through-beveiliging als je die nodig hebt.

Ingangen Ik heb ervoor gekozen om alle analoge ingangen te gebruiken voor gas geven, inschakelen, richting en trimmen, voornamelijk om ervoor te zorgen dat ze beschikbaar en uitgebroken waren, ze hebben allemaal pads voor pulldown-weerstanden en een 5v-pin beschikbaar en ingangen werken als actief wanneer ze hoog zijn. lijn was actief laag en gaspedaal zat vast als de 5v-draad kapot was, zouden de motoren continu draaien)

uitgangen Ik heb een 5-pins + grond-uitgangsheader voor LED-batterij-indicator / toegang tot de pinnen (resterende digitale pinnen) meegeleverd is ook een header voor de laatst overgebleven PWM-pin (een opmerking over PWM heb ik ervoor gekozen om hoge zij-fets, lage zij-fets te plaatsen, en PWM-uitgang elk op afzonderlijke timerkanalen van de Arduino, dit zou me in staat moeten stellen om anders met de timers te spelen enz enz.)

Stap 3: Componentselectie

voor dit bord heb ik besloten om voornamelijk componenten voor oppervlaktemontage te gebruiken. SMD solderen is niet zo moeilijk als je je apparaten verstandig kiest. 0805-componenten voor weerstanden en condensatoren zijn vrij eenvoudig te solderen zonder de hulp van een microscoop en er zijn alleen een pincet nodig voor het hanteren.

sommige mensen zeggen dat 0603 niet al te slecht is, maar het begint de limiet te verleggen.

glazen zeners vond ik een beetje lastig om te manoeuvreren

Componentenlijst van voeding naar driver naar digitaal (wat ik heb gebruikt)

8x TO220 N-ch mosfets 60V 80A IPP057N06N3 G4x 1N5401-G algemene voedingsdiode 100v 3A (200A piek) (deze zijn verkeerd ik had Schottky-diodes moeten gebruiken om te zien hoe ze werken) 8x 0805 50ohm weerstand2x 0805 10ohm weerstand2x 0805 10nF 50V keramische condensator (beveiligingscircuit)

2x 18v zenerdiode 0,5W ZMM5248B (beveiligingsschakeling)1x nxp MC33883 H-bridge gate driver1x 0805 33nF 50V keramische condensator (voor driver)

2x 0805 470nF 50V keramische condensator (voor driver)

1x generieke doorlopende polariteitsbeschermingsdiode (had deze al) 1x 3pin dc/dc converter max 36vin 5v out VXO7805-500

3x smd 10uF 50V 5x5.3mm elektrolytische condensator3x 0805 1uF 50V keramische condensator (5v logische circuits)

9x 0805 10k weerstand (pulldowns en spanningsdeler geconfigureerd om 15k te maken)4x 0803 3k weerstand (serie parallel geconfigureerd om 3k te blijven… een verspilling die ik weet)2x 10k through-hole trimmer potentiometers1x Arduino nanoverschillende headers, heatsinks, andere items zoals schakelaars, potentiometer enz

Ik bestelde mijn onderdelen bij mouser.com en bestelde de meeste onderdelen in veel van 10 en voegde verschillende andere onderdelen toe tot een totaal van nz$60 om gratis verzending naar Nieuw-Zeeland te krijgen (een besparing van ~nz$30)

Totale bouwkosten van componenten ongeveer US $ 23 + (wat je ook extra koopt om een betere deal te krijgen KOOP BULK) + pcb

Stap 4: PCB-ONTWERP

Nu hebben we de componenten geselecteerd en hopelijk hebben we ze onderweg. We kunnen de componentpakketten in het schema bevestigen en beginnen met de lay-out van onze boardPCB-lay-out is een kunstvorm en ik ben niet van plan om het te leren. Probeer daarvoor youtube. Wat ik kan doen is wijzen op mijn fouten op dit bord

Ik heb mijn mosfets horizontaal geplaatst. Ik heb mijn H-bridge ontworpen om te werken met mijn geplande koellichaamoplossing en als resultaat heb ik stroomsporen die aanzienlijk smaller zijn dan ik zou willen. Ik compenseerde door de sporen naar de onderkant van het bord te verdubbelen en het soldeermasker te verwijderen. Ik kon soldeer toevoegen om de stroomafhandeling te vergroten Stroomaansluitingen. Ik besloot om grote 10x10mm-pads te gebruiken om soldeerkabels voor +v-v motorA- en motorB-verbindingen te leiden in plaats van schroefklemmen enz. (Ik realiseer me dat ik mechanische trekontlasting nodig heb), maar vanwege mijn grote koellichamen zal het moeilijk zijn om de kabels te solderen aan deze kussens. het leven zou gemakkelijker zijn als ik deze pads aan de andere kant van het bord naar de koellichamen had geplaatst

Ik had de afmetingen van de via's voor de doorlopende vrijloopdiodes moeten vergroten. als gevolg hiervan zijn deze nu op het oppervlak gemonteerd (let op uw pakketgroottes)

converteer je ontwerp naar een Gerber-bestand en stuur het naar je favoriete PCB-fabrikant. Ik kan JLCPCB aanbevelen, ze hebben goed werk voor me gedaan en zijn redelijk geprijsd

Stap 5: Montage en TEST HET BOARD

Nu heb je je onderdelen en PCB's, het is tijd om te monteren en het solderen duurt misschien een uur of 2

controleer eerst of je alle onderdelen hebt en of je printplaat in goede staat is verzamel je gereedschap

zoals ik al zei 0805-onderdelen zijn niet al te moeilijk, begin met de kleinste componenten, eerst weerstanden, doppen, diodes, dan installeert de IC de Arduino rechtstreeks of met headers voor verwijderbaarheid installeer de headers

TEST HET KAART OP KORTE CIRCUIT

laad nu de knipperschets naar de Arduino en koppel de USB los en voed het bord van een batterij of voeding om ervoor te zorgen dat het regelgedeelte correct werkt installeer de mosfets als laatste

TEST HET BOARD OP KORTE CIRCUIT

upload driversoftware en voed het bord met een huidige beperkte voeding, zeg 100mA zou voldoende moeten zijn, we willen ervoor zorgen dat de H-brug in alle staten is om ervoor te zorgen dat er geen sprake is van doorschieten. zal waarschijnlijk uitschakelen als gevolg van lage spanning

je board is nu klaar om een motor of 2. aan te drijven