Ինչպես է աշխատում շարժիչի վարորդը

Միկրոկառավարիչները և շարժիչները ապրում են բոլորովին տարբեր էլեկտրական միջավայրերում: Տրամաբանական սխեմաները շշնջում են միլիամպերով և գործում են ճշգրիտ ցածր լարման դեպքում: Նրանք հիանալի մշակում են տեղեկատվությունը, բայց չունեն ֆիզիկական ուժ: Շարժիչները տարբեր կերպ են աշխատում. Նրանք մռնչում են բարձր լարումների և զանգվածային հոսանքների համար՝ ֆիզիկական ոլորող մոմենտ ստեղծելու համար: Դուք չեք կարող միացնել թվային ուղեղը ուղղակիորեն մեխանիկական մկանին: Եթե ​​դուք միացնեք ստանդարտ միկրոկոնտրոլերի փին ուղղակիորեն ուղղակի հոսանքի (DC) շարժիչին, դուք անմիջապես կտապակեք տրամաբանական տախտակը:

Ա շարժիչի վարորդը կամրջում է այս կրիտիկական բացը: Այն հանդես է գալիս որպես էլեկտրամեխանիկական նախագծման հիմնական միջնորդ բաղադրիչ: Սարքը փոխակերպում է ցածր էներգիայի հրամանի ազդանշանները կարգավորիչից բեռի համար պահանջվող բարձր հզորության ֆիզիկական շարժման: Մտածեք դրա մասին որպես ընթացիկ ուժեղացուցիչ: Այն վերցնում է նուրբ կառավարման ազդանշան և օգտագործում այն ​​առանձին, շատ ավելի մեծ սնուցման աղբյուրը շնչափողի համար:

Այս հոդվածը վերծանում է շարժիչի վարորդի ներքին մեխանիզմը: Մենք կուսումնասիրենք հիմքում ընկած ճարտարապետությունները, կքննարկենք բաղադրիչի սահմանափակումները և կտրամադրենք գործնական շրջանակ: Դուք կսովորեք, թե ինչպես կարդալ տվյալների թերթիկները ինժեների նման և ընտրել ճշգրիտ սարքաշար, որն անհրաժեշտ է ձեր շարժման կառավարման համակարգի համար:

Հիմնական Takeaways

• Հիմնական գործառույթ. Շարժիչի շարժիչները գործում են որպես ընթացիկ ուժեղացուցիչներ՝ օգտագործելով արտաքին սնուցման աղբյուրները տրամաբանական ազդանշանների վրա հիմնված շարժիչները վարելու համար՝ առանց առաջնային միկրոկարգավորիչը տապակելու:

• H-Bridge մեխանիզմը. երկկողմանի հսկողության հիմնական սխեման հիմնված է պինդ վիճակի անջատիչների ռազմավարական բացման և փակման վրա (MOSFET կամ BJT):

• Տվյալների աղյուսակի իրականության ստուգում. շարունակական ընթացիկ վարկանիշները և ներքին դիմադրությունը ($R_{DS(on)}$) շատ ավելի կարևոր գնահատման չափումներ են, քան շուկայավարվող 'գագաթնակետային ընթացիկ' հզորությունները:

• Համակարգի պաշտպանություն. Կենսունակ առևտրային շարժիչների շարժիչները պահանջում են ինտեգրված երաշխիքներ ինդուկտիվ ատկատից (Հետ EMF), գերհոսանքից և ջերմային արտահոսքից:

Ինժեներական խնդիր. ինչու ուղղակի միկրոկոնտրոլերի միացումները ձախողվում են

Ինժեներները հաճախ բախվում են ապարատային ձախողումների՝ վաղաժամ շարժման համակարգերի նախատիպերը ստեղծելիս: Տրամաբանական տախտակների և մեխանիկական բեռների միջև ուղիղ միացումներն անխուսափելիորեն ավարտվում են բաղադրիչի աղետալի ձախողմամբ: Մենք պետք է հասկանանք հիմքում ընկած էլեկտրական հակամարտությունները՝ ամուր համակարգեր նախագծելու համար:

Էլեկտրաէներգիայի դեֆիցիտը

Միկրոկառավարիչները արդյունավետ կերպով մշակում են տվյալները, բայց թողարկում են աներևակայելի ցածր էներգիա: Տիպիկ տրամաբանական մուտքային/ելքային (I/O) փին մատակարարում է մոտավորապես 20-ից 40 միլիամպեր հոսանք: Ընդհակառակը, նույնիսկ մանրանկարչություն DC շարժիչները պահանջում են հարյուրավոր միլիամպեր՝ պարզապես ֆիզիկական իներցիան հաղթահարելու համար: Մենք սա անվանում ենք տաղավար հոսանք: Երբ շարժիչն առաջին անգամ սկսում է պտտվել, կամ երբ այն կանգ է առնում ծանր բեռի տակ, այն գործում է գրեթե կարճ միացման պես: Էլեկտրաէներգիայի պահանջարկը հեշտությամբ գերազանցում է տրամաբանական կապի սահմանները տասը կամ ավելի գործակցով: Տրամաբանական քորոցը պարզապես հալվում է բեռի տակ:

Ինդուկտիվ ատկատի սպառնալիքը (Հետ EMF)

Շարժիչները, ըստ էության, մետաղալարերի կծիկներ են, որոնք պտտվում են մագնիսական դաշտերի ներսում: Այս դիզայնը երկրորդական խնդիր է ստեղծում. Երբ դուք հոսանքազրկում եք պտտվող շարժիչին, մեխանիկական իներցիան պահում է ռոտորի պտույտը: Շարժիչը ակնթարթորեն դառնում է գեներատոր։ Այն ետ է մղում էներգիան դեպի միացում:

• Լարման բարձրացումներ. այս վերադարձող էներգիան առաջացնում է հակադարձ լարման զանգվածային բարձրացումներ:

• Բաղադրիչների ոչնչացում. այս հասկերը հեշտությամբ թափանցում են միկրոկոնտրոլերի նուրբ սիլիկոնային հանգույցների միջով:

• Թռիչքի անհրաժեշտություն. մենք պետք է այս էներգիան ապահով կերպով ուղղորդենք դեպի գետնին, նախքան այն հասնի տրամաբանական փուլին:

Երկու էներգիայի մատակարարման պահանջը

Ամուր դիզայնը միշտ մեկուսացնում է տրամաբանական էներգիայի մատակարարումը շարժիչի սնուցման աղբյուրից: Երբ շարժիչը քաշում է գործարկման իր զանգվածային հոսանքը, այն իջեցնում է համակարգի լարումը: Եթե ​​տրամաբանական տախտակը կիսում է այս հոսանքի գիծը, լարման հանկարծակի անկումը հանգեցնում է խզման: Միկրոկառավարիչը բազմիցս զրոյանում է ամեն անգամ, երբ շարժիչը փորձում է գործարկել: Նվիրված շարժիչի վարորդը մեկուսացնում է այս երկու տիրույթները: Այն օգտագործում է տրամաբանական ազդանշանը պարզապես որպես ձգան՝ անկախ մարտկոցից կամ էներգաբլոկից ծանր հոսանք քաշելիս:

Ինչպես է աշխատում շարժիչի վարորդը. հիմնական մեխանիկա և ազդանշանների թարգմանություն

Ներքին մեխանիկայի հասկանալն օգնում է ձեզ լուծել համակարգի անկանոն վարքագիծը: Շարժիչի շարժիչը հիմնովին հենվում է պինդ վիճակի ուղղակի հոսանքի անցման վրա:

H-Bridge Architecture

H-կամուրջը ծառայում է որպես ժամանակակից երկկողմանի շարժման կառավարման հիմք: Շղթան նման է 'H' մեծատառին: Շարժիչը գտնվում է հորիզոնական կենտրոնական գծում: Չորս էլեկտրոնային անջատիչներ նստած են չորս ուղղահայաց թեւերի վրա: Այս չորս անջատիչների մանիպուլյացիայի միջոցով մենք թելադրում ենք, թե ինչպես է հոսանքի հոսքը կենտրոնական շարժիչով:

1. Առաջ շարժում. Մենք փակում ենք վերևից ձախ և ներքևից աջ անջատիչները: Ընթացքը հոսում է շարժիչով ձախից աջ:

2. Հակադարձ շարժում. մենք բացում ենք առաջին զույգը և փակում վերևի աջ և ներքևից ձախ անջատիչները: Հոսանքը հոսում է աջից ձախ՝ շրջելով ռոտացիան։

3. Արգելակում. Մենք փակում ենք երկու ստորին անջատիչները: Սա կարճ միացում է ստեղծում շարժիչի տերմինալների միջով, ինչը կտրուկ դադարեցնում է այն:

4. Coasting. Մենք բացում ենք բոլոր անջատիչները: Շարժիչը ազատորեն պտտվում է այնքան ժամանակ, մինչև շփումը դադարեցնի այն:

Անջատիչ տեխնոլոգիաներ. MOSFET-ներ ընդդեմ BJT-ների

Ավելի հին նմուշները հիմնված էին երկբևեռ միացման տրանզիստորների վրա (BJT): BJT-ները գործում են որպես ընթացիկ կառավարվող փականներ: Ցավոք, նրանք տառապում են ներքին լարման զգալի անկումներից՝ վատնելով էներգիան որպես մաքուր ջերմություն։ Ժամանակակից համակարգերը օգտագործում են Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs): MOSFET-ները գործում են որպես լարման կառավարվող ռեզիստորներ: Նրանք անհավանական արագ են փոխում վիճակները և պարծենում են գրեթե զրոյական ներքին դիմադրությամբ: Այս արդյունավետությունը թույլ է տալիս ժամանակակից ինտեգրալ սխեմաներին սառը մնալ նույնիսկ ծանր մեխանիկական բեռների դեպքում:

Զարկերակային լայնության մոդուլյացիա (PWM) արագության վերահսկման համար

Միայն ուղղությունը հազվադեպ է բավարարում ինժեներական պահանջները: Մեզ անհրաժեշտ է նաև արագության ճշգրիտ վերահսկում։ Մենք դրան հասնում ենք իմպուլսային լայնության մոդուլյացիայի (PWM) միջոցով: Մշտական ​​լարման մատակարարման փոխարեն տրամաբանական տախտակը վայրկյանում հազարավոր անգամ արագ միացնում և անջատում է վարորդը:

Եթե ​​անջատիչը միացնենք ցիկլի 50%-ում և անջատենք 50%-ը, ապա շարժիչն իրեն պահում է այնպես, ասես ստանում է առավելագույն լարման ուղիղ կեսը: Այստեղ դուք պետք է համոզվեք, որ ձեր սարքաշարը ուշադիր համընկնում է: Ձեր վարորդի միացման առավելագույն հաճախականությունը պետք է համապատասխանի ձեր տրամաբանական կարգավորիչի PWM ելքային հաճախականությանը: Անհամապատասխանությունները առաջացնում են անկանոն բզզոց և ուժեղ ջերմային սթրես:

Լուծումների կատեգորիաներ. Վարորդի համապատասխանեցում շարժիչի տեսակին

Դուք չեք կարող օգտագործել շարժման վերահսկման ունիվերսալ մոտեցում: Տարբեր մեխանիկական ճարտարապետություններ պահանջում են հստակ էլեկտրոնային կառավարման ռազմավարություններ: Սխալ կատեգորիայի ընտրությունը հանգեցնում է անհամատեղելիության:

Brushed DC Motor Drivers

Սրանք ներկայացնում են շարժման վերահսկման ամենապարզ և ամենատարածված ձևը: Նրանք օգտագործում են ստանդարտ H-կամուրջի կոնֆիգուրացիա: Նրանց հիմնական աշխատանքը ներառում է պարզ առաջ և հետադարձ միացում՝ զուգորդված PWM արագության հիմնական կարգավորման հետ: Նրանք միկրոկառավարիչից չեն պահանջում ժամանակի բարդ ալգորիթմներ:

Stepper Motor Drivers

Քայլային շարժիչները գործում են դիսկրետ մագնիսական քայլերով, այլ ոչ թե շարունակական պտույտով: Նրանց դրայվերները պահանջում են ներքին տրամաբանական բաղադրիչներ, որոնք կոչվում են ինդեքսիչներ: Տրամաբանական տախտակը ուղարկում է պարզ 'քայլ' իմպուլս և 'ուղղություն' ազդանշան: Այնուհետև վարորդը այս հիմնական ազդանշանները թարգմանում է բարդ փուլային հաջորդականության մի քանի ներքին պարույրների միջով: Ընդլայնված stepper տարբերակները առաջարկում են microstepping: Այս հատկությունը ֆիզիկական քայլերը բաժանում է հարյուրավոր փոքր էլեկտրական քայլերի՝ չափազանց հարթ դիրքավորման համար:

Անխոզանակ DC (BLDC) և Servo Drivers

Առանց խոզանակների համակարգերը վերացնում են ֆիզիկական խոզանակները՝ զգալիորեն նվազեցնելով մեխանիկական մաշվածությունը: Այնուամենայնիվ, նրանք պահանջում են խիստ բարդ էլեկտրոնային հսկողություն: BLDC վարորդը համակարգում է երեք առանձին կիսակամուրջներ: Այն պետք է միշտ իմանա ռոտորի ճշգրիտ դիրքը, որպեսզի լարվի ճիշտ կծիկները: Նրանք դրան հասնում են՝ օգտագործելով Hall-էֆեկտի սենսորները կամ չափելով չսնուցված կծիկների հետևի EMF-ը: Սերվո վարորդներն ավելի են տանում դա՝ ներառելով հետադարձ կապի կոշտ օղակներ՝ պտտվող մոմենտների ճշգրիտ ճշգրտումները կառավարելու համար:

Գնահատման չափերը. Տվյալների աղյուսակը ինժեների նման կարդալը

Շուկայավարման նյութերը սովորաբար ուռճացնում են ապարատային հնարավորությունները: Հուսալի համակարգ նախագծելու համար դուք պետք է անտեսեք վաճառքի պատճենը և ուղղակիորեն գնահատեք չմշակված տվյալների աղյուսակի չափումները:

Շարունակական ընթացիկ ընդդեմ գագաթնակետային հոսանքի

Երբեք մի ընտրեք ձեր սարքավորումը՝ հիմնվելով ընթացիկ առավելագույն գնահատականների վրա: Արտադրողները հաճախ նշում են տուփի վրա հսկայական 'գագաթնակետ' թիվը: Այնուամենայնիվ, այս վարկանիշը ներկայացնում է բացարձակ առավելագույն հոսանքը, որը չիպի գոյատևում է ընդամենը մի քանի միլիվայրկյան: Շարունակական գործող հոսանքը ծառայում է որպես իրական չափանիշ: Այս չափանիշը ցույց է տալիս, թե ինչ է չիպը անվտանգ աշխատում ամբողջ օրվա ընթացքում: Միշտ գնահատեք շարունակական հոսանքը համակարգի շրջակա միջավայրի աշխատանքային ջերմաստիճանին զուգահեռ:

Լարման անկում և $R_{DS(on)}$

Յուրաքանչյուր անջատիչ ստեղծում է որոշակի դիմադրություն: MOSFET-ի վրա հիմնված համակարգերում մենք հետևում ենք այս չափմանը որպես $R_{DS(on)}$ (Resistance Drain-to-Source On): Այս թիվը թելադրում է, թե որքան էներգիա է վատնում չիպը:

Էլեկտրաէներգիայի կորուստը ուղղակիորեն վերածվում է ջերմության: Հաշվարկը հետևում է պարզ ֆիզիկային. Էլեկտրաէներգիայի կորուստ = Ընթացիկ քառակուսի բազմապատկած դիմադրությամբ: Ավելի ցածր $R_{DS(on)}$ նշանակում է, որ ավելի շատ էլեկտրական էներգիա է հասնում ֆիզիկական բեռին, և ավելի քիչ էներգիա վերածվում է կործանարար թափոնների ջերմության: Երկու նմանատիպ չիպերը համեմատելիս միշտ ընտրեք այն մեկը, որն առաջարկում է ավելի ցածր ներքին դիմադրություն:

Ջերմային ցրման պահանջներ

Շարունակական ընթացիկ վարկանիշը մնում է պայմանական: Այն ենթադրում է, որ դուք ճիշտ եք կառավարում ջերմությունը: Նախագծման փուլում դուք պետք է գնահատեք ջերմային ցրման ռազմավարությունները:

• Պասիվ սառեցում: Հարմար է ցածր էներգիայի գործառնությունների համար: Այն մեծապես հենվում է տպագիր տպատախտակի ներսում գտնվող հաստ պղնձի հարթությունների վրա՝ ջերմությունը սիլիցիումից հեռացնելու համար:

• Ակտիվ սառեցում: Պարտադիր է բարձր հոսանքի արդյունաբերական ծրագրերի համար: Այն պահանջում է ֆիզիկական ալյումինե ջերմատաքացուցիչների մոնտաժում կամ չիպերի պատյանում սառեցնող օդափոխիչների ինտեգրում:

Ինտեգրված պաշտպանության միացում

Ժամանակակից առևտրային տեղակայումները ձախողվում են առանց ներկառուցված երաշխիքների: Մերկ սիլիցիումային H-կամուրջները պատկանում են միայն լաբորատոր փորձերին: Արտադրական համակարգերը պահանջում են անսարքությունների կայուն հանդուրժողականություն:

Իրականացման ռիսկերը և նախագծման իրողությունները

Տեսական գիտելիքները ձեզ միայն հեռու են տանում։ Իրական աշխարհում իրականացումը ներկայացնում է եզակի մակաբուծական մարտահրավերներ: Մենք հաճախ տեսնում ենք, որ հուսալի IC-ները ձախողվում են միացման վատ ինտեգրման պատճառով:

Անբավարար անջատող և շրջանցող կոնդենսատորներ

Բարձր հաճախականության միացումն առաջացնում է զանգվածային էլեկտրական աղմուկ: Երբ վարորդը արագորեն միացնում է հոսանքը, դա մեծ տեղայնացված պահանջարկ է ստեղծում: Եթե ​​դուք բաց թողնեք մեծածավալ հզորությունը վարորդի պտուտակների մոտ, լարումը մի պահ նվազում է: Այս բարձր հաճախականությամբ ալիքները վերադառնում են տրամաբանական տախտակ: Դրանք առաջացնում են անկանոն վարքագիծ, բաց թողնված քայլեր և միկրոկոնտրոլերի հանկարծակի զրոյացում: Միշտ տեղադրեք համապատասխան չափի անջատող կոնդենսատորները, որքան հնարավոր է, ֆիզիկապես մոտ վարորդի հոսանքի միններին:

Կրակել հոսանքների միջով

H-կամուրջը կանգնած է մեկ մահացու խոցելիության հետ: Եթե ​​վերևի և ներքևի անջատիչները միևնույն կողմում փակվում են միաժամանակ, նրանք ուղիղ ճանապարհ են ստեղծում իշխանությունից դեպի գետնին: Մենք սա անվանում ենք կարճ միացում կամ 'shoot-through': Այն ակնթարթորեն ոչնչացնում է ապարատը ծխի մեջ:

Դա տեղի է ունենում այն ​​պատճառով, որ տրանզիստորները մի քանի նանվայրկյան են պահանջում, որպեսզի ամբողջովին անջատվեն: Եթե ​​տրամաբանական տախտակը հրամայում է ակնթարթային հակադարձել, ապա նոր ակտիվացված անջատիչը միանում է նախքան հին անջատիչը լիովին անջատելը: Որակյալ սարքավորումն ինտեգրում է «մեռած ժամանակը»: Սա մի միկրովայրկյան ուշացում է մտցնում վիճակի փոփոխությունների միջև՝ երաշխավորելով, որ մի անջատիչը լիովին բացվում է մինչև մյուսի փակումը:

Հողային հանգույցներ և մեկուսացում

Զանգվածային մեխանիկական բեռների և զգայուն տրամաբանական չիպերի միացումը նույն տախտակի վրա առաջացնում է հիմնավորման խնդիրներ: Շարժիչի ծանր հոսանքները կարող են բարձրացնել հողի հղման լարումը: Տրամաբանական չիպն ակնկալում է, որ հողը լինի զրոյական վոլտ: Եթե ​​ծանր հոսանքները բարձրացնում են այն մինչև երկու վոլտ, տրամաբանական տախտակը սխալ է կարդում ազդանշանները:

Ստանդարտ համակարգերը պահանջում են զգույշ 'աստղային հող' երթուղի: Բարձր լարման արդյունաբերական կիրառությունները պահանջում են ամբողջական ֆիզիկական տարանջատում: Ինժեներներն օգտագործում են օպտիզատորներ։ Այս սարքերը տրամաբանական ազդանշաններ են փոխանցում ֆիզիկական բացվածքով՝ օգտագործելով լույսը: Նրանք երաշխավորում են, որ բարձր լարման ցատկերը չեն կարող հետ շարժվել վերգետնյա ուղիներով դեպի զգայուն տրամաբանական տիրույթ:

Եզրակացություն

Շարժիչի վարորդը երբեք չի հանդիսանում բոլորին հարմար բաղադրիչ: Դուք պետք է գնահատեք ապարատը խիստ ինժեներական չափսերի միջոցով: Այն պահանջում է ճշգրիտ համապատասխանություն մեխանիկական հոսանքի, մուտքային տրամաբանական հաճախականության և ձեր հատուկ կիրառման շրջակա միջավայրի ջերմային սահմանափակումների հետ:

Սարքավորումներ գնելուց առաջ կատարեք հետևյալ կոնկրետ քայլերը.

1. Հաշվեք ձեր համակարգի առավելագույն բեռնվածության հոսանքը մեխանիկական խցանման վատթարագույն դեպքում:

2. Այս առավելագույն հաշվարկին ավելացրեք խիստ 20-30% անվտանգության մարժան:

3. Համեմատեք շարունակական ընթացիկ սահմանները տվյալների թերթիկների միջև:

4. Գնահատեք կիսահաղորդիչների հեղինակավոր արտադրողների $R_{DS(on)}$ թվերը՝ ապահովելու կառավարելի ջերմության արտադրություն:

Հարգելով այս չափումները՝ դուք կառուցում եք ճկուն համակարգեր, որոնք կարող են դիմակայել իրական աշխարհի անսպասելի մեխանիկական սթրեսներին՝ առանց էլեկտրական խափանումների:

ՀՏՀ

Հարց: Ո՞րն է տարբերությունը շարժիչի վարորդի և շարժիչի վերահսկիչի միջև:

A: Կարգավորիչը գործում է որպես ուղեղ՝ առաջացնելով տրամաբանության, ժամանակի և որոշումների կայացման ազդանշաններ: Վարորդը հանդես է գալիս որպես մկան՝ ստանալով այդ թույլ ազդանշանները և կատարելով բարձր հզորության ֆիզիկական գործողություն՝ կառավարելով զանգվածային հոսանքները:

Հարց: Ինչու՞ են ինձ անհրաժեշտ թռչող դիոդներ շարժիչի վարորդով:

A. Flyback դիոդները անվտանգ կերպով հեռացնում են բարձր լարման վնասակար ցատկերը զգայուն բաղադրիչներից: Այս հասկերը տեղի են ունենում, երբ կանգառի շարժիչի փլուզվող մագնիսական դաշտը հանդես է գալիս որպես գեներատոր: Շատ ժամանակակից վարորդական IC-ներ այժմ ունեն այս դիոդները ներկառուցված:

Հարց. Ինչպե՞ս կարող եմ չափել շարժիչի շարժիչը իմ կոնկրետ շարժիչի համար:

A. Որպես վստահելի կանոն, վարորդի շարունակական հոսանքի գնահատականը պետք է հարմարավետորեն գերազանցի շարժիչի բացարձակ կանգառի հոսանքը առավելագույն ակնկալվող ֆիզիկական ծանրաբեռնվածության դեպքում: Միշտ ներառեք անվտանգության սահմանը:

Հարց. Կարո՞ղ եմ մի քանի շարժիչներ վարել մեկ վարորդով:

A: Այո, եթե շարժիչները զուգահեռ եք լարում: Այնուամենայնիվ, համակցված հոսանքը չպետք է գերազանցի վարորդի շարունակական սահմանները: Ավելին, դուք կզոհաբերեք անկախ վերահսկողությունը. նրանք կպտտվեն ճիշտ նույն կերպ միաժամանակ: