Драйвер двигателей постоянного тока DRM-7710

Модуль: DRM-7710

Применение модуля

Рассматриваемый модуль предназначен для гибкого управления потребителем постоянного тока до 3 Ампер (кратковременно - до 15 Ампер) при напряжении от 6 до 30 вольт. Так же модуль может обеспечивать плавное регулирование отдаваемой мощности на нагрузке. Нагрузкой модуля может выступать как потребитель с чисто активным сопротивлением (лампы накаливания, нагреватели, элементы пельтье), так и индуктивным (обмотки шаговых моторов, обмотки трансформаторов, коллекторные двигатели).

• 
• 
• 
• 

<img>http://roboforum.ru/mediawiki/images/8/8e/Stepper_1b.png</img> Image:solenoid_1b.png Image:pelte_1b.png Image:motor_1b.png

Так как наиболее часто гибкое управление требуется при работе с коллекторным двигателем, то далее будет рассмотрено применение модуля совместно с данным типом нагрузки.

Под "гибким" подразумевается следующие виды управления:

• Изменение направления вращения ротора двигателя;
• Изменение скорости вращения ротора;
• Торможение двигателя;

Принцип работы

Как известно для изменения направления вращения ротора коллекторного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов достаточно изменить полярность питания на его выводах. Для этого применяют схему так называемого H-моста (ввиду схожести схемы с латинской буквой "H").

H-мост состоит из четырёх ключей S1, S2, S3, S4. Пары ключей S1, S2 и S3, S4 называют плечами H-моста. Таким образом, замыкая диагонально расположенные ключи S1 и S4 или S2 и S3 можно менять полярность питания на выводах мотора, а значит и направление вращения его ротора. Внимание! Следует заметить, что замыкание обоих ключей одного или обоих плечей одновременно, например S1 и S2, является недопустимым, так как в таком случае выводы источника питания будут замкнуты накоротко. Другим особенным состоянием ключей Н-моста является положение, при котором замкнуты противолежащие ключи S1 и S3 или S2 и S4. В таком положении якорь мотора будет электромагнитно заторможен, так как его выводы будут замкнуты между собой.

Для управления скоростью вращения мотора в основном применяют Широтно-Импульсную Модуляцию. ШИМ заключается в том, что питание на выводы мотора подаётся не постоянно, а периодически на короткое время. Регулируя длительность импульса напряжения на двигателе можно регулировать результирующую мощность, отдаваемую в двигатель. То есть пропуская ток периодично импульсами через одну из диагоналей Н-моста, регулируется и скорость вращения ротора мотора.

В качестве управляемого ключа наиболее распространены схемные решения построения Н-моста с использованием MOSFET транзисторов, разновидности полевых транзисторов, ввиду очень малого их сопротивления "сток-исток" в открытом состоянии. Существует так же множество специализированных микросхем-драйверов, которые уже включают в себя весь Н-мост, а часто и часть управляющей и вспомогательной электроники.

Один из таких драйверов в интегральном исполнении BTS7710GP применён в рассматриваемом модуле.

Характеристики модуля DRM-7710.

Микросхема BTS7710GP была разработана фирмой Infineon Technologies AG и специально оптимизирована для управления моторами постоянного тока и представляет собой четыре ключа на MOSFET-транзисторах, управляющую схему и схему диагностики ошибок.

Микросхема BTS7710GP имеет следующие основные электрические характеристики:

• Ток нагрузки до 3 Ампер (или импульсом до 15 Ампер);
• Сопротивление плеча Н-моста около 120 мОм;
• Защиту от замыканий в нагрузке или на общий провод;
• Защиту от перегрева и снижения напряжения питания;
• Напряжение питания от 5 до 40 Вольт;
• Возможность управлять ШИМ частотой до 50 кГц;

Полный справочный листок на BTS7710GP можно получить, например, по этой ссылке: BTS7710GP.

На этой микросхеме был собран достаточно мощный и малогабаритный модуль управления потребителем постоянного тока со следующими характеристиками:

• Продолжительный ток нагрузки: 3 Ампера;
• Напряжение питания: от 6 до 30 Вольт;
• Потребляемый ток: 7,6 мА;
• Размеры модуля без штекеров: 78 х 50 х 18 мм;

Ещё раз стоит напомнить, что применение модуля не ограничивается использованием только для коллекторного двигателя постоянного тока. Нагрузкой модуля может так же служить любой тип нагрузки, подходящий по напряжению и току.

Описание схемы и работы модуля.

Так как у драйвера BTS7710GP управляются все четыре ключа раздельно, на плате модуля дополнительно установлена микросхема логики 74HC02, что упростило управление и сэкономило количество управляющих выводов.

На разъём управления «CTRL» выведены сигналы управления Н-мостом, сигнал ошибки, выход с токового шунта для измерения потребляемого тока нагрузкой, а так же напряжение питания для вспомогательной микросхемы 74HC02.

Разъём «CTRL» имеет распиновку:

Вывод	Назначение
1	Motor 1 IN 1
2	Motor 1 IN 2
3	Motor 2 IN 1
4	Motor 2 IN 2
5	Вывод токоизмерительного шунта или ERROR-флаг
6	Enable Motor1 on (PWM)
7	ERROR-флаг или Вывод токоизмерительного шунта
8	Enable Motor2 on (PWM)
9	GND
10	VCC 5V

Наличие выводов управления Motor 1 и Motor 2 объясняется возможностью использования двух подобных модулей на одном кабеле. Выбор необходимого модуля в качестве драйвера для мотора-1 или мотора-2 производится установленными на плате джамперами.

Так же на плате установлены джамперы для выбора, на какой из пинов штекера «CTRL» будет выведен выход токового шунта или вывод «ERROR-флаг».

И в дополнение, если нет возможности запитки микросхемы 74HC02 от наружного стабилизированного источника питания, на плате расположен маломощный стабилизатор, который подключается дополнительным джампером (в версиях модуля DRM-7710-P и DRM-7710-M).

Пин «ERROR-флаг» может использоваться для контроля правильной работы модуля. При нормальной работе на этом выводе установлен лог. «1», в случае перегрева или замыкания на выходе драйвера пин «ERROR-флаг» переходит в состояние низкого логического уровня.

Наличие на плате модуля токоизмерительного шунта позволяет оценивать протекающий ток в нагрузке, что может быть необходимо в некоторых случаях. Что бы максимально уменьшить потери напряжения, сопротивление шунта выбрана 0,01 Ом. Напряжение 30 милливольт, снимаемые с шунта при нагрузке 3 Ампера, можно использовать для контроля протекающего через нагрузку тока. Применение радиатора на микросхеме драйвера облегчает его работу на предельных токах и при частых импульсных перегрузках.

Все выводы разъёма «CTRL», кроме вывода токоизмерительного шунта могут быть соединены с микросхемами стандартной логики с питанием от напряжения 5 вольт, а так же с распространёнными типами микроконтроллеров.

Конфигурирование модуля производится джамперами по следующей схеме:

IN1	IN2	PWM	Режим
			при такой конфигурации джамперов модуль обрабатывает сигналы для Motor 1
			при такой конфигурации джамперов модуль обрабатывает сигналы для Motor 2

LOGIC-VCC	Режим
	микросхема 74HC02 запитана от внешнего источника через разъём «CTRL».
	микросхема 74HC02 запитана от того же источника, что и мотор.

ERROR	Режим
	ERROR-флаг выведен на ножку 5 разъёма «CTRL».
	ERROR-флаг выведен на ножку 7 разъёма «CTRL».

CURRENT	Режим
	Вывод токоизмерительного шунта подключён к ножке 7 разъёма «CTRL».
	Вывод токоизмерительного шунта подключён к ножке 5 разъёма «CTRL».

Состояние ротора мотора в зависимости от логических уровней на выводах IN1, IN2 и PWM:

IN1	IN2	PWM
0	0	1	торможение вращения
0	1	0	торможение вращения вправо
1	0	0	торможение вращения влево
1	0	1	вращение вправо
0	1	1	вращение влево
0	0	0	свободное вращение
1	1	0	торможение вращения

Комплектация различных версий модуля.

Существует три основных версии модуля DRM-7710, отличия версий сведены в таблицу:

Опция	DRM-7710-P	DRM-7710-M	DRM-7710-L
Светодиод индикатор питания	+	+	+
Предохранитель MultiFuse	+	+	+
Встроенный стабилизатор 78L05	+	+	-
Токовый Шунт 0,01 Ом	+	-	-
Радиатор	+	-	-
Тип силовых контактов	штекер	штекер	клеммы
Рекомендуемый продолжительный ток нагрузки	3 А	до 2 А	до 2 А
Ориентировочная цена в евро	14	10	8

Существует так же вариант модуля с окончанием -W, например DRM-7710-L-W. В этом случае разъём «CTRL» располагается под углом 90° к плате.

От заводской печатной платы с шелкографией и металлизацией было решено отказаться в пользу низкой цены готового модуля. Печатная плата защищена от коррозии слоем ксилольно-канифольного лака, в переходные отверстия запаяны отрезки медного провода.

• 
• 
• 
• 

Результаты тестов.

Ниже показаны осциллограммы входа ШИМ и напряжения на резистивной нагрузке (3,71 Ом при 14 вольтах):

• 
• 

Результаты тестов модуля DRM-7710-P

1. Термический тест. Резистивная нагрузка 3,7 Ом при 14 вольтах с ШИМ 41кГц (8,1/15,6 мкс). Длительность теста 30 минут.
   Результат: температура радиатора достигла приблизительно 40°C и далее не повышалась.
2. Термический тест. Резистивная нагрузка 3,7 Ом при 14 вольтах с полностью открытым плечом. Длительность теста 30 минут.
   Результат: температура радиатора достигла около 70°C и далее не повышалась.
3. Электрический тест. Измерение минимального напряжения питания силовой части модуля. Микросхема 74HC02 питается от отдельного источника. ШИМ 41кГц (8,1/15,6 мкс).
   Результат: Импульсы напряжения на выходе зарегистрированы начиная от 4,5 вольт питания.