DIY High Current Motor Driver (h-bridge): 5 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Projektet är att uppgradera motorer och elektronik i denna Power Wheels-fyrhjuling för barn. Överväldigad av prestanda för denna 12V mini-quad. vi planerade att uppgradera till ett 24v -system med 2 nya borstade motorer från traxxis 775 efter att ha undersökt kommersiellt tillgängliga motordrivrutiner och funnit att de flesta var antingen ganska knasiga (se medföljande jämförelsefoto) eller ganska dyra, jag bestämde mig för att designa en enkel Arduino -baserad lösning Design Brief

24v minimum

dubbelriktad motorstyrning

PWM -kontroll

skalbar högströmskapabel (100AMP)

minimala komponenter

5v stepdown för logik

batterispänningskänsla

adruino nano kontroller

tillgång till ingångar för specifika användningsområden (gasreglage [inklusive övre och nedre trim], riktning, aktivering, 1extra)

tillgång till oanvända stift för utgångar (led ut)

den uppenbara lösningen är att använda den mosfetbaserade H-bryggkretsen

Jag ska visa dig hur jag utformade och byggde min högström H-bridge driver

Steg 1: Hitta en H-bridge Driver IC

H-bridge driver IC är chipet mellan Arduino- och MOSFET-utgångarna. denna IC tar HIGH/LOW -signaler från Arduino och matar ut samma förstärkta signal för att driva MOSFET -grindarna, speciellt är dess viktigaste funktion att öka spänningen till högsidans feta över VCC (batteri + ingång) så att alla kan användas N-MOSFETs vissa förare har också speciella kretsar för att förhindra genomskott (när två fötter skapar en direkt kortslutning till marken som förstör fötterna.) Jag bosatte mig så småningom på NXP MC33883 Full H-bridge driver ICchosen eftersom-det inkluderar 2 halvbroar (så jag behöver bara 1 IC)-inbyggd hög laddningspump-kräver bara 7 ytterligare komponenter (inklusive skyddskrets)-fungerar med 5,5-60V ingång (med under och över volt lockout) -1amp toppström

negativt tyvärr har inte skyddsskydd (så måste göras i mjukvara och testas med nuvarande begränsad strömförsörjning) kräver 5 insignaler ganska dyrt på $ 8,44 vardera på musenhttps://nz.mouser.com/ProductDetail/NXP-Freescale/…datablad https://nz.mouser.com/datasheet/2/302/MC33883-1126…

med detta chip i åtanke kan vi nu designa vår krets runt det

Steg 2: Kretsdesign

vi kommer att använda onlineverktyget EASYEDA (easyeda.com) för att designa kretsen (inte ansluten men verktyget fungerar bra och enkel beställning av kretskort via JLCPCB.com) Från databladet för MC33883 -drivrutinen kan vi hitta applikationsschemat (med extern skyddskrets) vi kommer att kopiera denna krets eftersom vi inte behöver uppfinna hjulet här bara använda den rekommenderade layouten och rekommenderade kondensatorvärden, vi kommer att lägga till 18v zenerdioder och kondensatorer för att täcka grindkällans spänning under den typiska MOSFET 20v max Vgs

Den enda skillnaden vi kommer att lägga till i kretsen är de valfria parallella MOSFET: erna för att öka strömförmågan för att göra detta, vi behöver bara se till att vi har ett motstånd på porten till varje FET. med parallella FET hjälper detta motstånd att balansera belastnings- och omkopplingsegenskaperna hos parallellparet (undersök mer för hög belastning för att undvika problem)

Beslut som ska fattas..max spänning? Jag kör 24v, så jag kan koppla ihop VCC och VCC2 på mitt mc33883 -chip (gränsen för vcc2 är 28v men jag kan ha separat strömförsörjning och ha en max VCC -spänning på 60v) Hur man driver Arduino? Jag gick med en liten 5v 500mA omkopplingsregulator som kommer förbyggd på en kretskort med 3 stift som fungerar mellan 6,5-36v perfekt!. Https: //nz.mouser.com/ProductDetail/490-VXO7805-50… allt jag behöver göra är lägg till en polaritetsskyddsdiod, ingångs- och utgångskondensatorer. Gjort.

Jag vill kunna få batterispänningen och stänga av när den är låg så en spänningsdelare för att begränsa spänningen till mina Arduino -stift. 8 motståndskuddar 2paralled och 4-serie loos så här +== | ==- detta borde innebära att jag enkelt kan konfigurera det annorlunda utan att ha specifika värden Räkna ut vilka utgångar vi behöver från Arduino till drivrutinen vi behöver 2 PWM för högsidans FET och 2 digitala (eller pwm) för FET på lågsidan och vi behöver också en aktiveringslinje för föraren som du kan få lust med någon form av NAND -grindlogik (och kanske vid fördröjning) för hårdvaruskott genom skydd om du behöver det.

Ingångar Jag valde att använda alla analoga ingångar för gasreglage, aktivering, riktning och trimning främst för att säkerställa att de var tillgängliga och utbrutna, alla har kuddar för nedrullningsmotstånd och en 5v -stift tillgänglig och ingångarna fungerar lika aktiva när de är höga. (Om aktiverat linjen var aktiv låg och gasreglaget fastnade om 5V -kabeln bröts, motorerna skulle gå kontinuerligt)

utgångar Jag inkluderade en 5pin +markutgångsrubrik för LED -batteriindikator/ åtkomst till stiften (återstående digitala stift) ingår också är en rubrik för den sista återstående PWM -stiftet (en anteckning om PWM jag valde att sätta höga sidofetar, låga sidofetar och PWM -utmatning var och en på separata timerkanaler i Arduino, detta borde tillåta mig att spela med timern på olika sätt etc. etc.)

Steg 3: Komponentval

för detta kort, bestämde jag mig för att gå med främst ytmonterade komponenter lödning smd är inte för svårt om du väljer dina enheter klokt. 805 storlekskomponenter för motstånd och kondensatorer är ganska enkla för lödning utan hjälp av ett mikroskop och endast pincett behövs för hantering.

vissa människor säger att 0603 inte är så illa men det börjar flytta gränsen.

glas zeners Jag tyckte att det var lite knepigt att manövrera

Komponentlista från ström till drivrutin till digital (vad jag använde)

8x TO220 N-ch mosfets 60V 80A IPP057N06N3 G4x 1N5401-G allmänt använddiod 100v 3A (200A topp) (dessa är fel jag borde ha använt Schottky-dioder se hur de går) 8x 0805 50ohm motstånd2x 0805 10ohm motstånd2x 0805 10nF 50V (skyddskrets)

2x 18v zenerdiod 0,5W ZMM5248B (skyddskrets) 1x nxp MC33883 H-bridge gate driver1x 0805 33nF 50V keramisk kondensator (för förare)

2x 0805 470nF 50V keramisk kondensator (för förare)

1x generisk genomgående hålpolaritetsskyddsdiod (hade det redan) 1x 3pin DC/DC-omvandlare max 36vin 5v ut VXO7805-500

3x smd 10uF 50V 5x5.3mm elektrolytkondensator 3x 0805 1uF 50V keramisk kondensator (5v logikkretsar)

9x 0805 10k motstånd (pulldowns och spänningsdelare konfigurerad för att göra 15k) 4x 0803 3k motstånd (konfigurerad serie parallell för att förbli 3k.. ett slöseri jag vet) 2x 10k genomgående håltrimmer potentiometrar1x Arduino nanovarious headers, heatsinks, other items like switches, potentiometer etc.

Jag beställde mina delar från mouser.com och beställde de flesta delar i massor av 10 och lade till flera andra delar till totalt $ 60 för att få gratis frakt till Nya Zeeland (en besparing på ~ nz $ 30)

Totala komponentkostnaden för att bygga cirka 23 USD +(vad du än köper extra för att få en bättre affär KÖP BULK) +PCB

Steg 4: PCB -DESIGN

Nu har vi valt komponenterna och förhoppningsvis har vi dem på väg att vi kan bekräfta komponentpaketen i schemat och börja layouta vår boardPCB -layout är en konstform och jag tänker inte försöka lära den. Prova youtube för det. Vad jag kan göra är att påpeka mina misstag på det här kortet

Jag lägger mina mosfeter horisontellt Jag utformade min H-bro för att fungera med min planerade kylflänslösning och som ett resultat har jag kraftspår som är betydligt smalare än jag skulle vilja att de skulle vara. Jag kompenserade genom att fördubbla spåren till brädans undersida och ta bort lödmasken till att jag kunde lägga till lödning för att öka strömhanteringen Strömanslutningar. Jag bestämde mig för att använda stora 10x10mm kuddar för att styra lödkablar för +v -v motorA- och motorB -anslutningar snarare än skruvplintar etc (jag inser att jag kommer att behöva mekanisk dragavlastning) men på grund av mina stora kylflänsar kommer det att vara svårt att löda kablarna till dessa dynor. livet skulle vara lättare om jag hade placerat dessa kuddar på motsatt sida av brädet mot kylflänsarna

Jag borde ha ökat storleken på vias för genomgående håls frihjulsdioder. som ett resultat är dessa nu ytmonterade (var uppmärksam på dina förpackningsstorlekar

konvertera din design till en Gerber -fil och skicka den till din favorit PCB -tillverkare. Jag kan rekommendera JLCPCB de gjorde ett bra jobb för mig och till rimliga priser

Steg 5: Montera och testa styrelsen !

Nu har du dina delar och kretskort det är dags att montera och säljer kanske en timme eller 2

Kontrollera först att du har alla delar och att ditt kretskort är i gott skick, samla ihop dina verktyg. grunderna behöver du lödkolvtvättsoldervicka och eller löd sugspoltång

som jag sa 0805 delar är inte för svårt att börja med de minsta komponenterna förstmotstånd, lock, diodesthen IC installera Arduino antingen direkt eller med rubriker för avtagbarhet installera rubrikerna

TESTA Tavlan för korta kretsar

ladda nu blinkskissen till Arduino och koppla ur USB -enheten och driva kortet från ett batteri eller strömförsörjning för att säkerställa att regulatorsektionen fungerar korrekt installera mosfets senast

TESTA Tavlan för korta kretsar

Ladda upp drivrutinsprogramvara och strömförsörjningskortet från en begränsad strömförsörjning, säg att 100mA borde vara mycket vi vill se till att H-bron i alla stater för att säkerställa att det inte sker någon genomskjutning. om det finns strömförsörjning omedelbart strömgräns och kortet kommer sannolikt att stängas av på grund av låg spänning

din bräda är nu redo att köra en motor eller 2