Микроконтроллерууд болон моторууд нь огт өөр цахилгаан орчинд амьдардаг. Логик хэлхээ нь миллиампераар шивнэж, бага хүчдэлд яг нарийн ажилладаг. Тэд мэдээллийг төгс боловсруулдаг боловч биеийн хүч дутмаг байдаг. Моторууд өөр өөрөөр ажилладаг. Тэд физик эргүүлэх хүчийг бий болгохын тулд өндөр хүчдэл, асар их гүйдлийн төлөө архирдаг. Та дижитал тархийг механик булчинд шууд холбож чадахгүй. Хэрэв та стандарт микроконтроллерийн зүүг шууд гүйдлийн (DC) моторт шууд холбовол логик самбарыг шууд хуурна.
А моторын жолооч энэ чухал цоорхойг нөхдөг. Энэ нь цахилгаан механик дизайны чухал зуучлагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Төхөөрөмж нь хянагчаас бага чадлын тушаалын дохиог ачаалалд шаардагдах өндөр чадлын физик хөдөлгөөнд хөрвүүлдэг. Үүнийг одоогийн өсгөгч гэж төсөөлөөд үз дээ. Энэ нь нарийн хяналтын дохиог авч, тусдаа, илүү том цахилгаан хангамжийг тохируулахад ашигладаг.
Энэ нийтлэл нь моторын жолоочийн дотоод механикийн кодыг тайлсан болно. Бид үндсэн архитектуруудыг судалж, бүрэлдэхүүн хэсгийн хязгаарлалтын талаар ярилцаж, практик хүрээг өгөх болно. Та инженер шиг өгөгдлийн хуудсыг хэрхэн уншиж, хөдөлгөөний удирдлагын системдээ шаардлагатай техник хангамжийг сонгох талаар суралцах болно.
Гол арга хэмжээ
Үндсэн функц: Мотор драйверууд нь үндсэн микроконтроллерыг хууралгүйгээр логик дохион дээр тулгуурлан моторыг жолоодохын тулд гадаад тэжээлийн эх үүсвэрийг ашиглан одоогийн өсгөгчийн үүрэг гүйцэтгэдэг.
H-гүүрний механизм: Хоёр чиглэлтэй удирдлагын үндсэн хэлхээ нь хатуу төлөвт шилжүүлэгчийг (MOSFETs эсвэл BJTs) стратегийн хувьд нээх, хаахад тулгуурладаг.
Өгөгдлийн хуудасны бодит байдлыг шалгах: Тасралтгүй гүйдлийн үнэлгээ ба дотоод эсэргүүцэл ($R_{DS(on)}$) нь зах зээлд нийлүүлэгдсэн 'оргил гүйдлийн' хүчин чадлаас хамаагүй илүү чухал үнэлгээний хэмжүүрүүд юм.
Системийн хамгаалалт: Амьдрах боломжтой арилжааны мотор жолооч нар индуктив буцаалт (Буцах EMF), хэт гүйдэл, дулааны гүйлтийн эсрэг нэгдсэн хамгаалалт шаарддаг.
Инженерийн асуудал: Микроконтроллерийн шууд холболт яагаад бүтэлгүйтдэг вэ?
Инженерүүд эхэн үеийн хөдөлгөөний системийг бүтээхдээ ихэвчлэн техник хангамжийн доголдолтой тулгардаг. Логик самбар ба механик ачааллын хоорондох шууд холболт нь зайлшгүй сүйрлийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн эвдрэлээр төгсдөг. Бат бөх системийг зохион бүтээхийн тулд бид цахилгааны үндсэн зөрчлийг ойлгох ёстой.
Эрчим хүчний хомсдол
Микроконтроллерууд өгөгдлийг үр ашигтай боловсруулдаг боловч гайхалтай бага хүчийг гаргадаг. Ердийн логик оролт/гаралтын (I/O) зүү нь ойролцоогоор 20-40 миллиампер гүйдлийг хангадаг. Эсрэгээр, бяцхан DC мотор хүртэл физик инерцийг даван туулахын тулд хэдэн зуун миллиампер шаарддаг. Үүнийг бид зогсолтын гүйдэл гэж нэрлэдэг. Мотор анх эргэлдэж эхлэх эсвэл хүнд ачааны дор зогсох үед энэ нь бараг л богино холболт шиг ажилладаг. Эрчим хүчний хэрэгцээ нь логик зүү хязгаараас арав ба түүнээс дээш дахин давдаг. Логик зүү нь ачааллын дор зүгээр л хайлдаг.
Индуктив буцаалтын аюул (Буцах EMF)
Мотор нь үндсэндээ соронзон орны дотор эргэлддэг утаснуудын ороомог юм. Энэ загвар нь хоёрдогч асуудал үүсгэдэг. Ээрэх моторын хүчийг таслах үед механик инерци нь роторыг эргүүлэхэд хүргэдэг. Мотор нь тэр даруй генератор болж хувирдаг. Энэ нь эрчим хүчийг хэлхээнд буцааж түлхэж өгдөг.
Хүчдэлийн огцом өсөлт: Энэ буцах энерги нь урвуу хүчдэлийн асар их өсөлтийг үүсгэдэг.
Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн эвдрэл: Эдгээр өргөлтүүд нь микроконтроллерийн нарийн цахиурын уулзваруудыг хялбархан нэвт цохино.
Нисэх шаардлага: Бид энэ энергийг логик үе шатанд хүрэхээс нь өмнө газарт найдвартай дамжуулах ёстой.
Хоёр цахилгаан хангамжийн шаардлага
Бат бөх загвар нь хөдөлгүүрийн тэжээлийн хангамжаас логик тэжээлийн хангамжийг үргэлж тусгаарладаг. Мотор нь асаах гүйдлээ татах үед системийн хүчдэлийг доош татдаг. Хэрэв логик самбар энэ цахилгааны шугамыг хуваалцвал хүчдэлийн гэнэтийн уналт нь гажиг үүсгэдэг. Микроконтроллер моторыг эхлүүлэхийг оролдох бүрт дахин дахин тохируулагдана. Зориулалтын мотор драйвер нь эдгээр хоёр домэйнийг тусгаарладаг. Энэ нь бие даасан батерей эсвэл эрчим хүчний нэгжээс хүнд гүйдэл татах үед логик дохиог зөвхөн гох болгон ашигладаг.
Моторын жолооч хэрхэн ажилладаг вэ: Үндсэн механик ба дохионы орчуулга
Дотоод механикийг ойлгох нь системийн тогтворгүй байдлыг арилгахад тусална. Моторын драйвер нь үндсэндээ хатуу төлөвийг шууд гүйдлийн урсгал руу шилжүүлэхэд тулгуурладаг.
H-гүүрийн архитектур
H-гүүр нь орчин үеийн хоёр чиглэлтэй хөдөлгөөнийг удирдах үндэс суурь болдог. Энэ хэлхээ нь 'H' том үсэгтэй төстэй. Мотор нь хэвтээ төвийн шугамд байрладаг. Дөрвөн электрон унтраалга нь дөрвөн босоо гар дээр сууна. Эдгээр дөрвөн унтраалгатай ажиллах замаар бид төв мотороор гүйдэл хэрхэн урсахыг яг таг зааж өгдөг.
Урагш хөдөлгөөн: Бид зүүн дээд ба баруун доод товчлууруудыг хаадаг. Гүйдэл нь мотороор зүүнээс баруун тийш урсдаг.
Урвуу хөдөлгөөн: Бид эхний хосыг нээж, баруун дээд, зүүн доод товчлууруудыг хаадаг. Гүйдэл нь баруунаас зүүн тийш урсаж, эргэлтийг эргүүлнэ.
Тоормослох: Бид хоёр доод унтраалгыг хаадаг. Энэ нь моторын терминалууд дээр богино холболт үүсгэж, түүнийг гэнэт зогсооно.
Coasting: Бид бүх унтраалга нээнэ. Мотор нь үрэлтийг зогсоох хүртэл чөлөөтэй эргэлддэг.
Switching Technologies: MOSFETs vs. BJTs
Хуучин загварууд нь Bipolar Junction Transistors (BJTs) дээр тулгуурладаг. BJT нь одоогийн удирдлагатай хавхлагууд шиг ажилладаг. Харамсалтай нь тэд дотоод хүчдэлийн мэдэгдэхүйц бууралтаас болж эрчим хүчийг цэвэр дулаан болгон үрдэг. Орчин үеийн системүүд нь металл-оксид-хагас дамжуулагч талбайн нөлөөллийн транзисторуудыг (MOSFETs) ашигладаг. MOSFET нь хүчдэлийн удирдлагатай резистор шиг ажилладаг. Тэд төлөвийг гайхалтай хурдан сольж, бараг тэгтэй тэнцэх дотоод эсэргүүцэлтэй байдаг. Энэхүү үр ашиг нь орчин үеийн нэгдсэн хэлхээг хүнд механик ачаалалтай байсан ч сэрүүн байлгах боломжийг олгодог.
Хурдны хяналтын импульсийн өргөн модуляц (PWM).
Зөвхөн чиглэл нь инженерийн шаардлагыг хангах нь ховор. Бидэнд мөн хурдны нарийн зохицуулалт хэрэгтэй. Бид үүнийг импульсийн өргөн модуляц (PWM) ашиглан хийдэг. Тогтмол хүчдэл өгөхийн оронд логик самбар нь секундэд хэдэн мянган удаа драйверийг асааж унтраадаг.
Хэрэв бид унтраалгыг мөчлөгийн 50% -д нь асааж, 50% -д нь унтраавал мотор хамгийн их хүчдэлийн яг хагасыг хүлээн авсан мэт ажилладаг. Энд та өөрийн техник хангамж таарч байгаа эсэхийг сайтар шалгах хэрэгтэй. Таны драйверын хамгийн их шилжих давтамж нь таны логик хянагчийн PWM гаралтын давтамжтай тохирч байх ёстой. Тохиромжгүй байдал нь тогтворгүй дуугарах, хүчтэй дулааны стресс үүсгэдэг.
Шийдлийн ангилал: Драйверыг моторын төрөлд тохируулах
Хөдөлгөөнийг хянах бүх нийтийн аргыг ашиглах боломжгүй. Янз бүрийн механик архитектурууд нь өөр өөр цахим хяналтын стратеги шаарддаг. Буруу ангиллыг сонгох нь шууд үл нийцэх байдалд хүргэдэг.
Жолоочийн төрөл |
Техник хангамжийн нарийн төвөгтэй байдал |
Үндсэн хэрэглээний тохиолдол |
Гол онцлогууд |
Сойзтой DC |
Бага |
Тасралтгүй эргэлт, энгийн тоглоом, үндсэн шахуургууд. |
Үндсэн H-гүүр, хоёр чиглэлтэй удирдлага, стандарт PWM зохицуулалт. |
Stepper |
Дунд зэрэг |
3D принтер, CNC машин, нарийн байрлал тогтоох. |
Дотоод индексжүүлэгч, бичил алхам хийх чадвар, фазын дараалал. |
BLDC / Servo |
Өндөр |
Дрон, үйлдвэрлэлийн автоматжуулалт, робот техник. |
Гурван фазын удирдлага, Холл-эффект мэдрэгч, хаалттай хүрд санал. |
Brushed DC мотор драйверууд
Эдгээр нь хөдөлгөөнийг хянах хамгийн энгийн бөгөөд түгээмэл хэлбэрийг төлөөлдөг. Тэд стандарт H-гүүрийн тохиргоог ашигладаг. Тэдний үндсэн ажил бол PWM хурдны үндсэн зохицуулалттай хослуулсан энгийн урагш ба урвуу шилжих явдал юм. Тэд микроконтроллероос цаг хугацааны нарийн төвөгтэй алгоритм шаарддаггүй.
Stepper моторын жолооч
Stepper мотор нь тасралтгүй эргэлтээс илүүтэйгээр салангид соронзон алхмуудаар ажилладаг. Тэдний драйверууд нь индексжүүлэгч гэж нэрлэгддэг дотоод логик бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг шаарддаг. Логик самбар нь энгийн 'алхам' импульс ба 'чиглэл' дохиог илгээдэг. Дараа нь драйвер нь эдгээр үндсэн дохиог олон дотоод ороомог дахь нарийн төвөгтэй фазын дараалал болгон хөрвүүлдэг. Нарийвчилсан шатлалын хувилбарууд нь микро алхамыг санал болгодог. Энэ функц нь маш жигд байрлалыг тогтоохын тулд физик алхмуудыг хэдэн зуун жижиг цахилгаан алхмуудад хуваадаг.
Brushless DC (BLDC) болон Servo драйверууд
Сойзгүй систем нь биет сойзыг арилгаж, механик элэгдлийг эрс багасгадаг. Гэсэн хэдий ч тэд маш нарийн төвөгтэй цахим хяналт шаарддаг. BLDC жолооч гурван тусдаа хагас гүүрийг зохицуулдаг. Энэ нь зөв ороомогуудыг эрчим хүчээр хангахын тулд роторын яг байрлалыг үргэлж мэдэж байх ёстой. Тэд үүнийг Hall-effect мэдрэгч ашиглан эсвэл цахилгаангүй ороомгийн арын EMF-ийг хэмжих замаар хийдэг. Серво драйверууд нь эргүүлэх моментийн нарийн тохируулгыг шууд удирдахын тулд нягт санал хүсэлтийн гогцоог оруулснаар үүнийг урагшлуулдаг.
Үнэлгээний хэмжигдэхүүн: Мэдээллийн хуудсыг инженер шиг унших
Маркетингийн материалууд нь тоног төхөөрөмжийн чадавхийг байнга хэтрүүлдэг. Найдвартай системийг зохион бүтээхийн тулд та борлуулалтын хуулбарыг үл тоомсорлож, түүхий мэдээллийн хуудасны хэмжүүрийг шууд үнэлэх хэрэгтэй.
Тасралтгүй гүйдэл ба оргил гүйдэл
Тоног төхөөрөмжөө хэзээ ч дээд зэргийн одоогийн үнэлгээнд үндэслэн бүү сонго. Үйлдвэрлэгчид хайрцган дээрх асар том 'оргил' тоог ихэвчлэн онцолж өгдөг. Гэсэн хэдий ч энэ үнэлгээ нь чипийн хэдхэн миллисекунд тэсвэрлэх үнэмлэхүй хамгийн их гүйдлийг илэрхийлдэг. Тасралтгүй ажиллах гүйдэл нь жинхэнэ жишиг болж өгдөг. Энэхүү хэмжүүр нь чип нь өдрийн турш юуг аюулгүйгээр зохицуулж байгааг харуулж байна. Системийн орчны температурын зэрэгцээ тасралтгүй гүйдлийг үргэлж үнэл.
Хүчдэлийн уналт ба $R_{DS(on)}$
Шилжүүлэгч бүр тодорхой эсэргүүцэл үүсгэдэг. MOSFET-д суурилсан системд бид энэ хэмжигдэхүүнийг $R_{DS(on)}$ (Эх сурвалжаас урсгах эсэргүүцэл асаалттай) гэж хянадаг. Энэ тоо нь чип хэр их хүч зарцуулж байгааг тодорхойлдог.
Эрчим хүчний алдагдал нь шууд дулаан болж хувирдаг. Тооцоолол нь энгийн физикийн дагуу явагдана: Эрчим хүчний алдагдал = Гүйдлийн квадратыг Эсэргүүцлээр үржүүлсэн. Бага $R_{DS(on)}$ нь илүү их цахилгаан эрчим хүч физик ачаалалд хүрч, бага энерги нь хор хөнөөлтэй дулаан болж хувирдаг гэсэн үг юм. Хоёр ижил төрлийн чипийг харьцуулахдаа дотоод эсэргүүцэл багатайг нь сонгоорой.
Дулаан дамжуулалтын шаардлага
Тасралтгүй гүйдлийн үнэлгээ нь нөхцөлт хэвээр байна. Энэ нь та дулааныг зөв зохицуулдаг гэж үздэг. Та дизайны үе шатанд дулаан ялгаруулах стратегийг үнэлэх ёстой.
Идэвхгүй хөргөлт: Бага хүчин чадалтай ажиллахад тохиромжтой. Энэ нь цахиураас дулааныг татахын тулд хэвлэмэл хэлхээний самбар доторх зузаан зэс хавтгайд ихээхэн тулгуурладаг.
Идэвхтэй хөргөлт: Аж үйлдвэрийн өндөр гүйдлийн хэрэглээнд зайлшгүй шаардлагатай. Энэ нь физик хөнгөн цагаан халаагуур суурилуулах эсвэл чипний бүрхүүл дээр хөргөх сэнс суурилуулах шаардлагатай.
Хамгаалалтын нэгдсэн хэлхээ
Орчин үеийн арилжааны суурилуулалт нь суурилуулсан хамгаалалтгүйгээр бүтэлгүйтдэг. Нүцгэн цахиурын H-гүүр нь зөвхөн лабораторийн туршилтанд хамаарна. Үйлдвэрлэлийн системүүд нь бат бөх гэмтэл тэсвэрлэх чадварыг шаарддаг.
Хамгаалалтын онцлог |
Товчлол |
Үйл ажиллагааны ашиг тус |
Доод хүчдэлийн түгжээ |
UVLO |
Үндсэн тэжээлийн хүчдэл аюултай бага унасан тохиолдолд хэсэгчилсэн шилжих тогтворгүй байдлаас сэргийлнэ. |
Хэт гүйдлийн хамгаалалт |
OCP |
Мотор зогссон эсвэл физик утсанд богино холболт үүссэн тохиолдолд цахилгааныг шууд тасалдаг. |
Дулааны унтрах |
TSD |
Цахиур хайлах цэгтээ хүрэхээс өмнө дотоод логикийг автоматаар унтраадаг. |
Хэрэгжүүлэх эрсдэл ба дизайны бодит байдал
Онолын мэдлэг таныг өдий зэрэгт хүргэнэ. Бодит амьдрал дээр хэрэгжүүлэх нь шимэгч хорхойн өвөрмөц сорилтуудыг бий болгодог. Хэлхээний интеграц муутайн улмаас найдвартай IC-ууд бүтэлгүйтдэгийг бид байнга хардаг.
Тохиромжгүй салгах болон тойрч гарах конденсаторууд
Өндөр давтамжийн шилжүүлэлт нь асар их цахилгаан дуу чимээ үүсгэдэг. Жолооч гүйдлийг хурдан солих үед энэ нь орон нутгийн эрэлт хэрэгцээг бий болгодог. Хэрэв та жолоочийн тээглүүрүүдийн ойролцоо их хэмжээний багтаамжийг орхигдуулсан бол хүчдэл түр зуур буурдаг. Эдгээр өндөр давтамжийн долгион нь логик самбар руу буцаж очдог. Эдгээр нь тогтворгүй үйлдэл, алдсан алхам, микроконтроллерийн гэнэтийн тохиргоонд хүргэдэг. Тохиромжтой хэмжээтэй салгах конденсаторыг жолоочийн тэжээлийн тээглүүрт аль болох ойр байрлуул.
Shoot-Through Currents
H-гүүр нь үхлийн аюултай нэг эмзэг байдалтай тулгардаг. Хэрэв дээд ба доод унтраалга нь яг ижил талдаа нэгэн зэрэг хаагдах юм бол тэдгээр нь цахилгаанаас газар хүртэлх шууд замыг үүсгэдэг. Бид үүнийг богино холболт буюу 'харгалзах' гэж нэрлэдэг. Энэ нь утаанд тэр даруй техник хангамжийг устгадаг.
Энэ нь транзисторыг бүрэн унтраахад хэдэн нано секунд зарцуулдагтай холбоотой юм. Хэрэв логик самбар нь агшин зуур эргүүлэх тушаал өгвөл хуучин унтраалга бүрэн унтрахаас өмнө шинээр идэвхжүүлсэн унтраалга асна. Чанарын техник хангамж нь 'үхсэн цаг'-ыг нэгтгэдэг. Энэ нь төлөвийн өөрчлөлтийн хооронд микросекундын саатал оруулснаар нэг унтраалга нөгөө нь хаагдахаас өмнө бүрэн нээгдэнэ.
Газрын гогцоо ба тусгаарлалт
Их хэмжээний механик ачаалал болон мэдрэмтгий логик чипүүдийг нэг самбар дээр холбох нь газардуулгын асуудалд хүргэдэг. Хөдөлгүүрийн хүнд гүйдэл нь газрын лавлагааны хүчдэлийг өргөж болно. Логик чип нь газардуулга нь тэг вольт байх ёстой гэж үздэг. Хэрэв хүнд гүйдэл нь хоёр вольт хүртэл өргөх юм бол логик самбар дохиог буруу уншдаг.
Стандарт системүүд нь 'одтой газар' чиглүүлэлтийн болгоомжтой байхыг шаарддаг. Өндөр хүчдэлийн үйлдвэрлэлийн хэрэглээ нь бүрэн физик тусгаарлалтыг шаарддаг. Инженерүүд optoisolator ашигладаг. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь гэрлийн тусламжтайгаар логик дохиог физик цоорхойгоор дамжуулдаг. Эдгээр нь өндөр хүчдэлийн үсрэлтүүд нь газрын замаар буцаж, мэдрэмтгий логик домайн руу шилжихгүй байхыг баталгаажуулдаг.
Дүгнэлт
Моторын жолооч хэзээ ч нэг төрлийн бүрэлдэхүүн хэсэг биш юм. Та техник хангамжийг нарийн инженерийн хэмжүүрээр үнэлэх ёстой. Энэ нь таны тусгай хэрэглээний механик зогсолтын гүйдэл, оролтын логик давтамж, орчны дулааны хязгаарлалттай нарийн тааруулахыг шаарддаг.
Техник хангамж худалдаж авахаасаа өмнө дараах тодорхой алхмуудыг хийгээрэй.
Механик зогсолтын хамгийн муу нөхцөлд таны системийн хамгийн их ачааллын гүйдлийг тооцоол.
Энэхүү хамгийн дээд тооцоонд 20-30%-ийн аюулгүй байдлын хязгаарыг нэмнэ.
Өгөгдлийн хуудасны дагуу тасралтгүй гүйдлийн хязгаарыг харьцуулах.
Хагас дамжуулагчийн нэр хүндтэй үйлдвэрлэгчдийн $R_{DS(on)}$ тоон үзүүлэлтийг үнэлж, дулааныг зохицуулах боломжтой.
Эдгээр хэмжүүрүүдийг хүндэтгэснээр та гэнэтийн бодит механик стрессийг цахилгааны гэмтэлгүйгээр даван туулах чадвартай уян хатан системийг бий болгодог.
Түгээмэл асуулт
А: Моторын жолооч ба мотор хянагч хоёрын ялгаа юу вэ?
Х: Удирдагч нь тархины үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд логик, цаг хугацаа, шийдвэр гаргах дохиог үүсгэдэг. Жолооч нь булчингийн үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд тэдгээр сул дохиог хүлээн авч, их хэмжээний гүйдлийг удирдаж, өндөр хүчин чадалтай физик үйлдлийг гүйцэтгэдэг.
Асуулт: Яагаад надад моторын драйвертай нисдэг диод хэрэгтэй байна вэ?
Х: Flyback диодууд нь өндөр хүчдэлийн өндөр хүчдэлийг мэдрэмтгий хэсгүүдээс найдвартай холдуулдаг. Зогсоох моторын уналтын соронзон орон нь генераторын үүрэг гүйцэтгэх үед эдгээр өргөлтүүд үүсдэг. Орчин үеийн олон драйверын IC-ууд одоо эдгээр диодуудыг суурилуулсан байдаг.
Асуулт: Би өөрийн тодорхой моторын драйверийг хэрхэн хэмжих вэ?
Хариулт: Найдвартай дүрмийн хувьд жолоочийн тасралтгүй гүйдлийн үзүүлэлт нь хүлээгдэж буй физик ачааллын хамгийн их үед моторын үнэмлэхүй зогсолтын гүйдлээс давах ёстой. Үргэлж аюулгүй байдлын хязгаарыг оруулаарай.
А: Би нэг жолоочтой олон мотор жолоодож болох уу?
Хариулт: Тийм ээ, хэрэв та моторыг зэрэгцээ холбож байвал. Гэсэн хэдий ч хосолсон гүйдэл нь жолоочийн тасралтгүй хязгаараас хэтрэхгүй байх ёстой. Цаашилбал, та бие даасан хяналтыг золиослох болно; тэд нэгэн зэрэг яг адилхан эргэлддэг.
