Драйвер двигателей постоянного тока DRM-7710
Модуль: DRM-7710
Содержание
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[1] |
| 6 | Enable Motor1 on (PWM) |
| 7 | ERROR-флаг или Вывод токоизмерительного шунта[1] |
| 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[2] | + | + | - |
| Токовый Шунт 0,01 Ом[2] | + | - | - |
| 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
- 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. - 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. - 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.
Сноски
- ↑ 1 2 выбирается установкой джамперов в соответствующие положение. Ошибка цитирования Неверный тег
<ref>: название «sel-jump» определено несколько раз для различного содержимого - ↑ 1 2 для сохранения правильной работы модуля в соответствующих местах платы установлены проволочные перемычки, а неиспользуемые джамперы отсутствуют. Ошибка цитирования Неверный тег
<ref>: название «perem» определено несколько раз для различного содержимого
