Керування двигунами постійного струму з MOSFET і мікроконтролером?

Я розробляю нано-квадрокоптер за допомогою мікроконтролера Atmega328, що працює на 3,3 В, і дуже маленьких щіткових двигунів постійного струму. Середній струм, який використовуються цими двигунами, становить приблизно 800mA @ 3,7V.

Спочатку для їх управління я використовував драйвер двигуна L293D, але цей компонент був досить неефективним. Струм, виміряний, коли двигуни працювали з максимальною потужністю, становив близько 500 мА, і тому тяга була значно нижчою, ніж повинна бути.

Тепер, щоб вирішити цю проблему, я замінив би цей драйвер двигуна з 4-ма логічними рівнями MOSFET. Після тривалого пошуку я знаходжу цей (2SK4033).

Чи знаєте ви, чи має це працювати? Чи потрібно використовувати його спільно з діодом? Якщо відповідь "так", що з цим (MBR360RLG)?

Я вибрав ці компоненти також тому, що можу придбати їх у тому ж інтернет-магазині.

MOSFET повинні дуже добре працювати для цього додатка. Ось деякі речі, які слід врахувати:

1:

Використовуючи FET для руху вантажу, ви можете вибрати конфігурацію високої або низької сторони. Висока сторона розміщує FET між силовою рейкою та вантажем, а інша сторона вантажу з'єднана із землею. У конфігурації з низькою стороною один провід вантажу підключається до силової шини, а FET розташовується між вантажем і землею:

Найпростіший спосіб керувати двигуном (або іншим навантаженням) - це використовувати N-канальний MOSFET в конфігурації низької сторони. N-FET починає проводитись, коли напруга його затвора вище, ніж джерело. Оскільки джерело з'єднано із землею, затвор можна керувати нормальною логікою включення. Існує поріг, який повинна перевищувати напруга на затворі ("Vth") перед тим, як проводити FET. Деякі БНТ мають Vth у десятках вольт. Ви хочете "логічного рівня" N-FET з порогом, який значно менший, ніж ваш Vcc.

У конфігурації FET з низькою стороною є два недоліки:

• Обмотка двигуна підключена безпосередньо до силової рейки. Коли FET вимкнено, вся обмотка "гаряча". Ви перемикаєте заземлення, а не електроживлення.

• У мотора не буде справжньої орієнтації на землю. Найнижчий потенціал буде вищим за землю напругою вперед FET.

Жодне з них не має значення у вашому дизайні. Однак вони можуть бути проблематичними, якщо ви їх не очікуєте! Особливо з схемами більшої потужності :)

Щоб подолати ці проблеми, ви можете використовувати P-FET у конфігурації на високій стороні. Хоча схема руху стає дещо складнішою. Перемикач P-FET зазвичай має затвор, підтягнутий до силової шини. Ця рейка потужності вище, ніж Vcc VC, тому ви не можете підключити штифти вводу-виводу UC безпосередньо до воріт. Поширене рішення - використовувати менший N-FET з низькою стороною для спуску затвора високої сторони P-FET:

R1 і R3 існують, щоб утримувати FETs, поки не запускається Q2. R3 вам знадобиться навіть у низькій стороні конфігурації.

У вашому випадку я думаю, що простий низький рівень F-FET (з R3) буде служити вам краще.

2:

Помітьте R2 на останній схемі. Затвор MOSFET діє як конденсатор, який повинен заряджатися до того, як починає надходити струм зливного джерела. Коли ви вперше подаєте живлення, може виникнути значний струм напруги, тому вам потрібно обмежити цей струм, щоб запобігти пошкодженню вихідного драйвера UC. Обмеження буде ненадовго виглядати як коротке, тому немає необхідності у великій помилці. Наприклад, ваш конкретний Atmel може отримати 40mA. 3.3V / 35mA => 94.3 Ом. Резистор на 100 Ом буде чудово працювати.

Однак цей резистор сповільнить час увімкнення та вимкнення FET, що поставить верхню межу вашої частоти комутації. Крім того, це збільшує кількість часу, коли FET знаходиться в лінійній області роботи, яка витрачає енергію. Якщо ви перемикаєтесь на високій частоті, це може бути проблемою. Один з показників - якщо FET стає занадто гарячим!

Рішення цієї проблеми - використовувати драйвер FET. Вони ефективно буфери, які можуть подавати більше струму, і тому можуть заряджати ворота швидше, не потребуючи обмежувального резистора. Крім того, більшість водіїв FET можуть використовувати рейку більшої потужності, ніж типові Vcc. Ця більш висока напруга на затворі знижує опір FET, економлячи додаткову потужність. У вашому випадку ви можете живити драйвер FET за допомогою 3,7 В, а також керувати ним за допомогою 3В В uC.

3:

Нарешті, вам потрібно буде використовувати діод Шоткі для захисту від сплеску напруги, викликаного двигуном. Робіть це будь-коли, коли ви перемикаєте індуктивне навантаження:

Обмотка двигуна - великий індуктор, тому він буде протистояти будь-якій зміні потоку струму. Уявіть, що через обмотку протікає струм, і тоді ви вимикаєте FET. Індуктивність призведе до того, що струм буде продовжувати надходити з двигуна при руйнуванні електричних полів. Але для цього струму немає місця! Так воно пробивається через БНТ, або робить щось інше настільки ж руйнівне.

Шоткі, розміщений паралельно навантаженню, дає безпечний шлях для проходження струму. Спід напруги максимумує при напрузі переднього діода, яка становить лише 0,6 В при 1А для тієї, яку ви вказали.

Попередня картина, конфігурація з низькою стороною з відкидним діодом, проста, недорога і досить ефективна.

Єдине інше питання, яке я бачу при використанні рішення MOSFET, - це те, що воно за своєю суттю односпрямоване. Ваш оригінальний L293D - це декілька драйверів на півмості. Це дає можливість керувати мотором в обох напрямках. Зображення підключення двигуна між 1Y та 2Y. L293D може скласти 1Y = Vdd і 2Y = GND, а двигун крутиться в одному напрямку. Або він може скласти 1Y = GND і 2Y = Vdd, а мотор буде крутитися в інший бік. Досить зручно.

Хай щастить!

Ось, що я хотів би розглянути будь-який MOSFET. Це, до речі, з інформаційного аркуша 2SK4033:

Ви кажете, що 800mA - це середній струм, але чи може це збільшитися до 1А під навантаженням? У будь-якому випадку, при напрузі 1А та напрузі приводу 3,3 В, MOSFET падає приблизно на 0,15 В через його клеми під час живлення навантаження 1А. Чи можете ви жити з цією втратою електроенергії (150 мВт) і, що ще важливіше, коли напруга акумулятора падає нижче 3 В, чи можете ви жити з втратою продуктивності, коли напруга на воротах неминуче падає.

Тільки ви можете відповісти на це питання. Є кращі MOSFET, ніж це, але вам доведеться обчислити реальні струми навантаження для двигуна, які ви очікуєте побачити.

РЕДАКТИ

Ось фішка, яку я натрапив, яка може бути дуже корисною замість MOSFET. Це DRV8850 від TI. Він містить два напівмости, а це означає, що він може самостійно приводити в рух два з 4 двигунів, не потребуючи віддалених діодів (фактично верхній FET працює як синхронний випрямляч, і це, звичайно, зменшує втрати). Коефіцієнт опору для кожного FET становить 0,045 Ом і він оцінюється в 5 А (розсіяна потужність близько 1,1 Вт), але, враховуючи, що ОП хоче близько 1А, це стає дуже банальним. Діапазон напруги живлення від 2 до 5,5 В, тому знову це дуже підходить:

Оскільки використовується щіточний двигун постійного струму, вам не обов'язково потрібен Н-міст як привід. Лише у двох випадках справді потрібен міст H; необхідність зовнішнього комутації двигуна (наприклад, безщіткові двигуни ПМ) або необхідність обертання назад. Ні один із них тут не застосовується. Використання одного напряму або одного приводу квадрантів (SQD) значно спростить те, що ви намагаєтеся зробити.

FET, який ви думаєте використовувати (2SK4033), не є великим співвідношенням наявної напруги накопичувача (Енді вже вказав чому), і ми дізнаємось детальніше про вибір FETs пізніше.

Керування щітковими двигунами постійного струму з однопривідним приводом (SQD)

$V_{\text{th}}$

$V_{\omega }$$R_{\text{wind}}$$R_g$$R_{\text{pd}}$$V_b$$V{\text{drv}}$

$I_m$$I_{d-pk}$$I_{d-rms}$$I_{\text{cr-ave}}$

• $I_{d-pk}$$I_m$
• $I_{\text{d-rms}}^2$$I_m^2$
• $I_{\text{cr-ave}}$$I_m$

Основні критерії вибору FET (різновид ABC вибору FET):

• $V_{\text{DS}}$$1.5 V_{\text{B-max}}$

$V_{\text{DS}}$

• $V_{\text{th-max}}$$\frac{V_{\text{Drv-min}}}{3}$

  $V_{\text{th-max}}$$R_{\text{ds}}$

• $\text{$\Delta $T}_{J-A}$

  Підйом тепла - це дійсно важливо. Він припадає на всі втрати ... втрати на провідність, втрати на воротах та втрати при комутації.

Вибір вибірки деталей на основі 3 критеріїв:

$V_{\text{B-max}}$$V_{\text{Drv-min}}$$V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$$R_{\text{DS}}$

• $V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$

$R_{\text{th}}$

$P_T$$P_{\text{cond}}$$P_{\text{sw}}$

де

$P_{\text{cond}}$$R_{\text{ds}}$$I_m^2$

$P_{\text{sw}}$$\frac{1}{2} I_m V_b F_{\text{PWM}} \left(\tau _f + \tau _r\right)$

$V_{\text{gs}}$$V_{\text{ds}}$$V_{\text{gs}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{ds}}$

$Q_{\text{mp}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$$R_g$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$

$Q_{\text{mp}}$$\frac{\tau V_{\text{drv}}}{2 R_g}$$\tau$$\frac{2 R_g Q_{\text{mp}}}{V_{\text{drv}}}$$\frac{2(100 Ohms) \text{(4nC)}}{\text{3.3V}}$

$I_m$$R_{\text{ds}}$$R_{\text{ds}}$

$P_T$$0.9 \text{(33mOhm)} \text{(1.2A)}^2$$\text{(3.3V)} \text{(1.2A)} \text{(242nSec)} \text{(20kHz)}$

$I_m$

Вільні кінчики

• Поставте ланцюг приводу і перемикачі близько до двигуна.

• Хоча мікро може керувати FET безпосередньо, драйвер для захисту мікро - хороша ідея ( тут може працювати щось на зразок NC7WZ16 ).

• $C_{\text{iss}}$

• $I_m$