Управление двигателями постоянного тока с полевыми МОП-транзисторами и микроконтроллером?

МОП-транзисторы должны работать очень хорошо для этого приложения. Вот некоторые вещи, которые следует учитывать:

1:

При использовании полевого транзистора для управления нагрузкой вы можете выбрать либо конфигурацию верхнего плеча, либо конфигурацию нижнего плеча. Верхняя сторона помещает полевой транзистор между шиной питания и нагрузкой, а другая сторона нагрузки подключается к земле. В конфигурации с низкой стороной один вывод нагрузки подключается к шине питания, а полевой транзистор располагается между нагрузкой и землей:

Самый простой способ управлять вашим двигателем (или другой нагрузкой) — использовать N-канальный полевой МОП-транзистор в конфигурации нижнего плеча. N-FET начинает работать, когда напряжение на его затворе выше, чем на истоке. Поскольку источник подключен к земле, затвор может управляться обычной логикой включения-выключения. Существует пороговое значение, которое напряжение на затворе должно превысить («Vth»), прежде чем полевой транзистор откроется. Некоторые полевые транзисторы имеют Vth в десятки вольт. Вам нужен N-FET «логического уровня» с порогом, который значительно меньше, чем ваш Vcc.

У конфигурации полевого транзистора нижнего плеча есть два недостатка:

• Обмотка двигателя подключается непосредственно к шине питания. Когда полевой транзистор выключен, вся обмотка «горячая». Вы переключаете землю, а не соединение с питанием.

• Двигатель не будет иметь истинного заземления. Его самый низкий потенциал будет выше, чем земля, на прямое напряжение полевого транзистора.

Ни один из них не должен иметь значения в вашем дизайне. Однако они могут быть проблематичными, если вы их не ожидаете! Особенно с более мощными цепями :)

Чтобы преодолеть эти проблемы, вы можете использовать P-FET в конфигурации верхнего плеча. Однако схема привода становится немного сложнее. Затвор переключателя P-FET обычно подтянут к шине питания. Эта шина питания выше, чем Vcc UC, поэтому вы не можете подключить контакты ввода-вывода UC напрямую к затвору. Обычное решение состоит в том, чтобы использовать меньший N-FET нижнего плеча, чтобы открыть затвор P-FET верхнего плеча:

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

В вашем случае, я думаю, вам лучше подойдет простой N-FET с низкой стороной (с R3).

2:

Обратите внимание на R2 на последней диаграмме. Затвор MOSFET действует как конденсатор, который должен зарядиться до того, как начнет течь ток сток-исток. Когда вы впервые включаете питание, может возникнуть значительный пусковой ток, поэтому вам необходимо ограничить этот ток, чтобы предотвратить повреждение выходного драйвера UC. Крышка будет выглядеть как короткая только на мгновение, поэтому нет необходимости в большой погрешности. Например, ваш конкретный Atmel может выдавать 40 мА. 3,3 В / 35 мА => 94,3 Ом. Резистор на 100 Ом отлично подойдет.

Однако этот резистор замедлит время включения и выключения полевого транзистора, что поставит верхний предел вашей частоты переключения. Кроме того, это увеличивает количество времени, в течение которого полевой транзистор находится в линейной области работы, что приводит к потере мощности. Если вы переключаетесь на высокой частоте, это может быть проблемой. Одним из индикаторов является то, что полевой транзистор становится слишком горячим!

Решением этой проблемы является использование драйвера FET. Они эффективно являются буферами, которые могут генерировать больший ток и, таким образом, могут заряжать затвор быстрее без необходимости в ограничительном резисторе. Кроме того, большинство драйверов FET могут использовать более высокую шину питания, чем типичный Vcc. Это более высокое напряжение на затворе снижает сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии, экономя дополнительную мощность. В вашем случае вы можете питать драйвер FET с помощью 3,7 В и управлять им с помощью 3,3 В UC.

3:

Наконец, вы захотите использовать диод Шоттки для защиты от скачков напряжения, вызванных двигателем. Делайте это каждый раз при переключении индуктивной нагрузки:

Обмотка двигателя представляет собой большой индуктор, поэтому она будет сопротивляться любому изменению тока. Представьте, что по обмотке течет ток, а затем вы отключаете полевой транзистор. Индуктивность заставит ток продолжать течь от двигателя по мере того, как электрические поля исчезают. Но этому току деваться некуда! Таким образом, он пробивает полевой транзистор или делает что-то еще столь же разрушительное.

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

Предыдущее изображение, конфигурация нижнего плеча с обратным диодом, проста, недорога и довольно эффективна.

Единственная другая проблема, которую я вижу при использовании решения MOSFET, заключается в том, что оно по своей сути является однонаправленным. Ваш оригинальный L293D является многократным полумостовым драйвером. Это позволяет управлять двигателем в обоих направлениях. Изображение подключения двигателя между 1Y и 2Y. L293D может сделать 1Y=Vdd и 2Y=GND, и двигатель будет вращаться в одном направлении. Или он 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. Кстати, это из техпаспорта 2SK4033:

Вы говорите, что 800 мА - это средний ток, но может ли он увеличиться до 1 А под нагрузкой? В любом случае, при токе 1 А и напряжении управления затвором 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 этой 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. Есть лучшие МОП-транзисторы, чем этот, но вы должны рассчитать реальные токи нагрузки для двигателя, который вы ожидаете увидеть.

ПРАВКИ

Вот микросхема, с которой я столкнулся, может быть весьма полезной вместо полевых МОП-транзисторов. Это DRV8850 от TI. Он содержит два полумоста, и это означает, что он может независимо управлять двумя из 4 двигателей, не нуждаясь в обратных диодах (по сути, верхний полевой транзистор работает как синхронный выпрямитель, и это, конечно, снижает потери). Сопротивление в открытом состоянии для каждого полевого транзистора составляет 0,045 Ом и рассчитано на 5 А (рассеиваемая мощность составляет около 1,1 Вт), но, учитывая, что OP требуется около 1 А, это становится очень тривиальным. Диапазон напряжения питания составляет от 2 В до 5,5 В, поэтому снова очень подходит:

Поскольку используется коллекторный двигатель постоянного тока, вам не обязательно нужен H-мост в качестве привода. Только в двух случаях действительно требуется H-Bridge; необходимо внешне коммутировать двигатель (например, бесщеточные двигатели с постоянными магнитами) или необходимо реверсировать вращение. Ни один из них, кажется, не применим здесь. Использование одного направления или одноквадрантного привода (SQD) значительно упростит то, что вы пытаетесь сделать.

Полевой транзистор, который вы планируете использовать (2SK4033), не очень подходит для доступного напряжения привода (Энди уже указал, почему), и мы более подробно рассмотрим выбор полевых транзисторов позже.

Управление щеточными двигателями постоянного тока с одноквадрантным приводом (SQD)

В основном речь пойдет о выборе полевого транзистора в качестве управляющего элемента. Мы предполагаем только одно направление вращения, что означает, что одноквадрантного привода (SQD) будет достаточно. Для SQD можно использовать либо P-канальный, либо N-канальный полевой транзистор. Часть канала N будет переключателем низкой стороны, а часть канала P будет переключателем высокой стороны. Край перешел бы к N-канальной части, поскольку схема возбуждения была бы немного проще (на одну инверсию меньше), потери проводимости были бы ниже для данного размера кристалла, и было бы легче найти низкие$V_{\text{th}}$единицы измерения. Вот схема базового SQD с использованием N-канального полевого транзистора.

Это может не выглядеть так, но это всего лишь понижающий модулятор мощности, подобный тому, который используется для подачи тока через светодиод. Только здесь вместо светодиода последовательно с индуктором моторная ЭДС ($V_{\omega }$) и потери в обмотке ($R_{\text{wind}}$).$R_g$— полное сопротивление цепи затвора, включая сопротивление в драйвере, межсоединении и корпусе полевого транзистора (значение 100 Ом было выбрано только для удобства, а не по реальной причине).$R_{\text{pd}}$это подтягивающий резистор, чтобы держать полевой транзистор выключенным, пока подается питание.$V_b$напряжение батареи.$V{\text{drv}}$напряжение от драйвера полевого транзистора.

Токи, напряжения и частичная рассеиваемая мощность в основном такие же, как у Buck. Чтобы упростить ситуацию, мы делаем допущение, что ток пульсаций двигателя пренебрежимо мал, что в значительной степени верно для тока пульсаций менее 10% от тока двигателя. Для тока двигателя ($I_m$) и заданный рабочий цикл ШИМ (постоянный ток), будут токи полевых транзисторов (пиковые$I_{d-pk}$, среднеквадратичное значение$I_{d-rms}$) и диодные токи (средний$I_{\text{cr-ave}}$) связаны как:

• $I_{d-pk}$знак равно$I_m$
• $I_{\text{d-rms}}^2$= постоянный ток$I_m^2$
• $I_{\text{cr-ave}}$= (1-DC)$I_m$

Основные критерии выбора полевого транзистора (своего рода азбука выбора полевого транзистора):

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

$V_{\text{DS}}$Меньше быть не должно, но и сильно выше тоже не нужно. Фактически, детали с более высоким напряжением имеют больший кристалл, а размер корпуса превышает ~ 55 В.

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

  Выбор$V_{\text{th-max}}$таким образом, вы получите полную выгоду от$R_{\text{ds}}$части.

• $\text{$\Delta $T}_{J-A}$< 50С

  Повышение температуры действительно важно. Он учитывает все потери... потери проводимости, потери затвора и потери переключения.

Выбор образца детали по 3 критериям:

В этом случае с$V_{\text{B-max}}$= 3,7 В и$V_{\text{Drv-min}}$= 3,3 В, ищите N-канальную часть с$V_{\text{DS}}$> 5,6 В и$V_{\text{th-max}}$< 1,1 В и предположим,$R_{\text{DS}}$~ 40 мОм просто получить примерно. Я поместил это в экран цифрового ключа, но любой аналогичный поставщик будет работать. Получилось несколько частей. Поскольку часть, которую вы упомянули, принадлежит Toshiba, мы выбрали одну из них для дальнейшего изучения.

• ССМ3К123ТУ :$V_{\text{DS}}$= 20В,$V_{\text{th-max}}$= 1В

Следующим шагом является определение повышения температуры. Какую мощность может принять эта часть и при этом иметь рост менее 50°С? Это небольшая деталь размером 2 мм X 2,1 мм. Глядя на график термического сопротивления в техпаспорте (лист 5, кривая в), видим, что для самой минимально монтируемой детали$R_{\text{th}}$сходится к 500C/Вт. Таким образом, для повышения мощности полевого транзистора до 50 °C необходимо ограничить общую мощность 0,1 Вт, чтобы эта часть была приемлемой. Мощность полевого транзистора представляет собой сумму потерь проводимости и потерь переключения:

$P_T$знак равно$P_{\text{cond}}$+$P_{\text{sw}}$

куда

$P_{\text{cond}}$знак равно$R_{\text{ds}}$ОКРУГ КОЛУМБИЯ$I_m^2$

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

Когда полевой транзистор переключается, все происходит на плато Миллера. Чтобы включить полевой транзистор, как$V_{\text{gs}}$увеличивается, в какой-то момент$V_{\text{ds}}$начнет падать. Это начало Плато Миллера.$V_{\text{gs}}$застрянет на этом напряжении (напряжение Плато Миллера$V_{\text{mp}}$) до тех пор, пока полевой транзистор не будет включен и$V_{\text{ds}}$достигает 0В. Время, необходимое для этого, является временем спада сигнала переключения.

Это плато Миллера для SSM3K123. Видишь, это обведено красным? Похоже, что его ширина составляет около 4 нК. Таким образом, время, необходимое для переключения полевого транзистора, равно времени, которое требуется схеме управления затвором для обработки (с помощью тока смещения) 4 нКл заряда плато Миллера ($Q_{\text{mp}}$). Ток в драйвере будет определяться ($V_{\text{mp}}$-$V_{\text{drv}}$)/$R_g$. Также аппроксимируйте это$V_{\text{mp}}$составляет 1/2$V_{\text{drv}}$, так что:

$Q_{\text{mp}}$знак равно$\frac{\tau V_{\text{drv}}}{2 R_g}$или$\tau$знак равно$\frac{2 R_g Q_{\text{mp}}}{V_{\text{drv}}}$знак равно$\frac{2(100 Ohms) \text{(4nC)}}{\text{3.3V}}$= 242 нсек

Время для некоторых операционных предположений. Температура окружающей среды составляет 50°C (поэтому максимальная температура кристалла полевого транзистора составляет 100°C), частота ШИМ составляет 20 кГц (потому что более низкие частоты слышны, а на самом деле от 5 кГц до 10 кГц просто неприятны), рабочий цикл (DC) составляет 90%, а ток двигателя ($I_m$) составляет 1,2А. Из$R_{\text{ds}}$кривая зависимости от температуры на странице 3 таблицы данных мы видим, что при 100C,$R_{\text{ds}}$составляет 33 мОм. Теперь мы готовы рассчитать потери мощности в полевом транзисторе.

$P_T$знак равно$0.9 \text{(33mOhm)} \text{(1.2A)}^2$+$\text{(3.3V)} \text{(1.2A)} \text{(242nSec)} \text{(20kHz)}$= 36 мВт + 19 мВт = 55 мВт

Таким образом, для этих условий нагрев полевого транзистора составляет примерно 1/2 предела 100 мВт. По факту,$I_m$может быть 1,65 А, а полевой транзистор все равно будет в бюджете на нагрев.

Незаконченные дела

• Поместите цепь привода и переключатели близко к двигателю.

• Хотя микроконтроллер может напрямую управлять полевым транзистором, хорошей идеей будет драйвер для защиты микроконтроллера (здесь может работать что-то вроде NC7WZ16 ).

• Сопротивление цепи затвора становится упражнением в согласовании импедансов. Наименьшее сопротивление цепи затвора должно быть равно характеристическому импедансу паразитной L и полевого транзистора в цепи затвора.$C_{\text{iss}}$. Вот более ранний вопрос, который более подробно описан и может быть полезен.

• Выберите диод с таким же номинальным напряжением, как у полевого транзистора, и номинальным током выше максимального.$I_m$. Шоттки будет иметь меньшие потери, но если рабочий цикл полевого транзистора составляет> ~ 70%, не имеет большого значения, используется ли вместо него переключающий диод.