Вождение двигателей постоянного тока с полевыми транзисторами и микроконтроллером?

Я разрабатываю нано-квадрокоптер, используя микроконтроллер Atmega328, работающий от 3,3 В, и очень маленькие щеточные моторы постоянного тока. Средний ток, используемый этими двигателями, составляет около 800 мА при 3,7 В.

Изначально я использовал их для управления двигателем L293D, но этот компонент был довольно неэффективным. Ток, измеренный, когда двигатели работали на максимальной мощности, составлял около 500 мА, поэтому сила тяги была намного ниже, чем должна быть.

Теперь, чтобы решить эту проблему, я бы заменил драйвер мотора на 4 МОП-транзистора логического уровня. После долгих поисков я нахожу этот (2SK4033).

Вы знаете, должно ли это работать? Нужно ли использовать его вместе с диодом? Если ответ «да», как насчет этого (MBR360RLG)?

Я выбрал эти компоненты еще и потому, что могу купить их в том же интернет-магазине.

МОП-транзисторы должны очень хорошо работать для этого приложения. Вот несколько вещей для рассмотрения:

1:

При использовании FET для управления нагрузкой, вы можете выбрать конфигурацию верхней или нижней стороны. Верхняя сторона размещает полевой транзистор между шиной питания и нагрузкой, а другая сторона нагрузки заземляется. В конфигурации с низкой стороны один вывод нагрузки подключен к шине питания, а полевой транзистор расположен между нагрузкой и землей:

Самый простой способ управлять вашим двигателем (или другой нагрузкой) - это использовать N-канальный MOSFET в конфигурации с низкой стороны. N-FET начинает проводить, когда его напряжение затвора выше, чем его источник. Поскольку источник подключен к земле, затвор может управляться с помощью обычной логики включения-выключения. Существует порог, по которому напряжение на затворе должно превышать («Vth») перед проведением полевого транзистора. Некоторые полевые транзисторы имеют Vth в десятках вольт. Вам нужен N-FET «логического уровня» с порогом, который значительно меньше, чем у вашего Vcc.

Есть два недостатка конфигурации FET на нижней стороне:

• Обмотка двигателя подключена непосредственно к шине питания. Когда FET выключен, вся обмотка "горячая". Вы переключаете землю, а не подключение питания.

• У двигателя не будет истинного заземления. Его самый низкий потенциал будет выше, чем земля, на прямом напряжении FET.

Ничто из этого не должно иметь значения в вашем дизайне. Тем не менее, они могут быть проблематичными, если вы не ожидаете их! Особенно с более мощными цепями :)

Чтобы преодолеть эти проблемы, вы можете использовать P-FET в конфигурации верхнего уровня. Тем не менее, схема движения становится немного более сложной. У выключателя P-FET обычно затвор затянут к шине питания. Эта силовая шина выше, чем Vcc UC, поэтому вы не можете подключить контакты ввода / вывода UC непосредственно к шлюзу. Распространенным решением является использование меньшего N-FET нижней стороны, чтобы опустить затвор P-FET верхней стороны:

R1 и R3 существуют, чтобы держать FET выключенными до тех пор, пока Q2 не будет приведен в действие. Вам понадобится R3 даже в конфигурации с низкой стороной.

В вашем случае, я думаю, что простой N-FET с низкой стороны (с R3) послужит вам лучше.

2:

Обратите внимание на R2 на последней диаграмме. Затвор MOSFET действует как конденсатор, который должен заряжаться до того, как начнет течь ток истока-истока. При первом включении питания может быть значительный пусковой ток, поэтому необходимо ограничить этот ток, чтобы предотвратить повреждение выходного драйвера контроллера. Кепка на мгновение будет выглядеть как короткое замыкание, поэтому нет большой погрешности. Например, ваш конкретный Atmel может выдавать 40 мА. 3,3 В / 35 мА => 94,3 Ом. 100-омный резистор будет отлично работать.

Однако этот резистор замедляет время включения и выключения полевого транзистора, что накладывает верхний предел на частоту переключения. Кроме того, это продлевает количество времени, в течение которого полевой транзистор находится в линейной области работы, что тратит впустую энергию. Если вы переключаетесь на высокой частоте, это может быть проблемой. Один индикатор, если FET становится слишком горячим!

Решением этой проблемы является использование драйвера FET. Они фактически являются буферами, которые могут подавать больший ток, и поэтому могут заряжать затвор быстрее без необходимости в ограничивающем резисторе. Кроме того, большинство драйверов FET могут использовать более высокую шину питания, чем типичные Vcc. Это более высокое напряжение затвора уменьшает сопротивление полевого транзистора, экономя дополнительную мощность. В вашем случае вы можете запитать драйвер FET напряжением 3,7 В, а управлять им - 3,3 В.

3:

Наконец, вы захотите использовать диод Шоттки для защиты от скачков напряжения, вызванных двигателем. Делайте это каждый раз, когда вы переключаете индуктивную нагрузку:

Обмотка двигателя является большой индуктивностью, поэтому она будет противостоять любым изменениям тока. Представьте, что ток течет через обмотку, а затем вы выключаете FET. Индуктивность приведет к тому, что ток продолжит течь от двигателя, когда электрические поля разрушаются. Но нет места для этого потока! Так что он пробивает FET или делает что-то еще столь же разрушительное.

Шоттки, размещенный параллельно нагрузке, обеспечивает безопасный путь для тока. Пик напряжения максимален при прямом напряжении диода, которое составляет всего 0,6 В при 1 А для указанного вами.

Предыдущая картина, конфигурация нижней стороны с обратным диодом, проста, недорога и довольно эффективна.

Единственная проблема, которую я вижу при использовании решения MOSFET, заключается в том, что оно по своей природе является однонаправленным. Ваш оригинальный L293D - это драйвер с несколькими полумостами. Это позволяет вести двигатель в обоих направлениях. Визуализация подключения двигателя между 1Y и 2Y. L293D может сделать 1Y = Vdd и 2Y = GND, и двигатель вращается в одном направлении. Или, это может сделать 1Y = GND и 2Y = Vdd, и двигатель будет вращаться в другую сторону. Довольно удобно.

Удачи и приятного времяпровождения!

Вот что я бы посмотрел на любой MOSFET. Это из паспорта 2SK4033, кстати:

Вы говорите, что средний ток 800 мА, но может ли он увеличиться до 1 А под нагрузкой? В любом случае, при напряжении 1 А и напряжении возбуждения затвора 3,3 В полевой МОП-транзистор падает примерно на 0,15 В на своих клеммах при питании нагрузки 1 А. Можете ли вы жить с такой потерей мощности (150 мВт) и, что более важно, когда напряжение батареи падает ниже 3 В, можете ли вы жить с потерей производительности, поскольку напряжение на затворе неизбежно падает.

Только вы можете ответить на этот вопрос. Существуют лучшие MOSFET, чем эти, но вы должны рассчитать реальные токи нагрузки для двигателя, который вы ожидаете увидеть.

редактирует

Вот микросхема, с которой я столкнулся, которая может быть весьма полезна вместо MOSFET. Это DRV8850 от TI. Он содержит два полумоста, и это означает, что он может независимо управлять двумя из 4 двигателей без использования обратных диодов (в действительности верхний полевой транзистор работает как синхронный выпрямитель, и это, конечно, снижает потери). Сопротивление при включении для каждого полевого транзистора составляет 0,045 Ом, и оно рассчитано на 5 А (рассеиваемая мощность составляет около 1,1 Вт), но, учитывая, что ОП требует около 1 А, это становится очень тривиальным. Диапазон напряжения питания составляет от 2 до 5,5 В, поэтому, опять же, это очень удобно:

Поскольку используется щеточный двигатель постоянного тока, вам не обязательно использовать H-мост в качестве привода. Только два случая действительно требуют H-моста; необходимо внешнее переключение двигателя (например, безщеточные двигатели с постоянными магнитами) или обратное вращение. Ни один из них, кажется, не применяется здесь. Использование одного направления или привода с одним квадрантом (SQD) значительно упростит то, что вы пытаетесь сделать.

Полевой транзистор, который вы планируете использовать (2SK4033), не очень подходит для имеющегося напряжения привода (Энди уже указал, почему), и мы подробнее расскажем о выборе полевых транзисторов позже.

Приводные щеточные моторы постоянного тока с одним приводом квадранта (SQD)

$V_{\text{th}}$

$V_{\omega }$$R_{\text{wind}}$$R_g$$R_{\text{pd}}$$V_b$$V{\text{drv}}$ - напряжение от драйвера FET.

$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$

Основные критерии выбора FET (вид азбуки выбора 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 $T}_{J-A}$ <50C

  Подъем тепла действительно важен. Он учитывает все потери ... потери проводимости, потери затвора и потери при переключении.

Выборка детали на основе 3 критериев:

$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}}$ = 1 В

$R_{\text{th}}$

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

где

$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)}$

$I_m$

Незаконченные дела

• Поместите цепь привода и переключатели рядом с двигателем.

• В то время как для микропроцессора может быть возможным напрямую управлять полевым транзистором, хорошей идеей является драйвер для защиты микропроцессора (здесь может работать что-то вроде NC7WZ16 ).

• $C_{\text{iss}}$ более ранний вопрос, который входит в более подробно и может быть полезным.

• $I_m$