Драйвер двигателей постоянного тока DRM-7710

Материал из roboforum.ru Wiki
Версия от 18:19, 27 декабря 2008; Vooon (обсуждение | вклад) (Новая: Модуль: '''DRM-7710''' == Применение модуля == Рассматриваемый модуль предназначен для гибкого управления по...)
(разн.) ← Предыдущая | Текущая версия (разн.) | Следующая → (разн.)
Перейти к: навигация, поиск

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).

Stepper 1b.png Solenoid 1b.png
Pelte 1b.png 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-bridge 1.png

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.

Принципиальная схема модуля

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
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
[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/12.gif[/img]

[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/12.gif[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/12.gif[/img] при такой конфигурации джамперов модуль

[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/in1.gif[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/in1.gif[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/pwm.gif[/img] обрабатывает сигналы для Motor 1[/quote][quote]

[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/23.gif[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/23.gif[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/23.gif[/img] при такой конфигурации джамперов модуль

[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/in1.gif[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/in1.gif[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/pwm.gif[/img] обрабатывает сигналы для Motor 2[/quote][quote][img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/12.gif[/img] микросхема 74HC02 запитана от

[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/vcc.gif[/img] внешнего источника через разъём «CTRL».[/quote][quote][img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/23.gif[/img] микросхема 74HC02 запитана от [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/vcc.gif[/img] того же источника, что и мотор.[/quote][quote][img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/12.gif[/img] ERROR-флаг выведен на [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/error.gif[/img] ножку 5 разъёма «CTRL».[/quote][quote][img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/23.gif[/img] ERROR-флаг выведен на [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/error.gif[/img] ножку 7 разъёма «CTRL».[/quote][quote][img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/12.gif[/img] Вывод токоизмерительного шунта [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/current.gif[/img] подключён к ножке 7 разъёма «CTRL».[/quote][quote][img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/23.gif[/img] Вывод токоизмерительного шунта [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/current.gif[/img] подключён к ножке 5 разъёма «CTRL».[/quote]

[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/pcb-elements_1.png[/img] Расположение джамперов на печатной плате.

Состояние ротора мотора в зависимости от логических уровней на выводах [i]IN1[/i], [i]IN2[/i] и [i]PWM[/i]: [code=off] input pin: 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

[/code]

[b]5. Комплектация различных версий модуля.[/b] Существует три основных версии модуля DRM-7710, отличия версий сведены в таблицу:

[code=off] 

                                           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 [/code] [i]* - для сохранения правильной работы модуля в соответствующих местах платы установлены проволочные перемычки, а неиспользуемые джамперы отсутствуют.[/i]

Существует так же вариант модуля с окончанием [b]-W[/b], например [i]DRM-7710-L-W[/i]. 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.

[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/DRM-7710-P_1.jpg[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/DRM-7710-M_1.jpg[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/DRM-7710-L_1.jpg[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/DRM-7710-P-W_1.jpg[/img]

[b]5. Результаты тестов.[/b] Ниже показаны осциллограммы входа ШИМ и напряжения на [i]резистивной[/i] нагрузке (3,71 Ом при 14 вольтах):

[img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/imp_in_1.jpg[/img] [img]http://nest.roboterbastler.de/kom_DRM-7710/scr/imp_out_1.jpg[/img]

[u]Результаты тестов модуля DRM-7710-P:[/u]

1. [i]Термический тест.[/i] Резистивная нагрузка 3,7 Ом при 14 вольтах с ШИМ 41кГц (8,1/15,6 мкс). Длительность теста 30 минут. [i]Результат:[/i] температура радиатора достигла приблизительно 40°C и далее не повышалась.

2. [i]Термический тест.[/i] Резистивная нагрузка 3,7 Ом при 14 вольтах с полностью открытым плечом. Длительность теста 30 минут. [i]Результат:[/i] температура радиатора достигла около 70°C и далее не повышалась.

3. [i]Электрический тест.[/i] Измерение минимального напряжения питания силовой части модуля. Микросхема 74HC02 питается от отдельного источника. ШИМ 41кГц (8,1/15,6 мкс). [i]Результат:[/i] Импульсы напряжения на выходе зарегистрированы начиная от 4,5 вольт питания.

  1. ↑ 1 2 выбирается установкой джамперов в соответствующие положение. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>: название «sel-jump» определено несколько раз для различного содержимого
Источник — «http://wiki.roboforum.ru/index.php?title=Драйвер_двигателей_постоянного_тока_DRM-7710&oldid=6022»