Microcontrollers na motors wanaishi katika mazingira tofauti kabisa ya umeme. Mizunguko ya mantiki inanong'ona kwa milliamperes na hufanya kazi kwa usahihi kwa viwango vya chini. Wanachakata habari kikamilifu lakini hawana nguvu za kimwili. Motors hufanya kazi tofauti. Wananguruma kwa mikondo mikubwa na mikondo mikubwa ili kutoa torque ya kimwili. Huwezi kuunganisha ubongo wa digital moja kwa moja kwenye misuli ya mitambo. Ikiwa unganisha pini ya kawaida ya kidhibiti kidogo moja kwa moja kwa motor ya moja kwa moja ya sasa (DC), utakaanga bodi ya mantiki mara moja.
A madereva wa magari huziba pengo hili muhimu. Inafanya kazi kama sehemu muhimu ya mpatanishi katika muundo wa kielektroniki. Kifaa hutafsiri ishara za amri za nguvu za chini kutoka kwa mtawala hadi kwenye harakati za kimwili za nguvu za juu zinazohitajika na mzigo. Fikiria kama amplifier ya sasa. Inachukua ishara ya udhibiti dhaifu na huitumia kutuliza usambazaji tofauti, mkubwa zaidi wa nguvu.
Nakala hii inaamua ufundi wa ndani wa dereva wa gari. Tutachunguza usanifu msingi, kujadili mapungufu ya sehemu, na kutoa mfumo wa vitendo. Utajifunza jinsi ya kusoma hifadhidata kama mhandisi na uchague maunzi kamili yanayohitajika kwa mfumo wako wa kudhibiti mwendo.
Mambo muhimu ya kuchukua
Kazi ya Msingi: Madereva hufanya kazi kama vikuza sauti vya sasa, kwa kutumia vifaa vya nguvu vya nje ili kuendesha motors kulingana na ishara za mantiki bila kukaanga kidhibiti cha msingi.
Utaratibu wa H-Bridge: Sakiti ya msingi ya udhibiti wa pande mbili hutegemea kimkakati kufungua na kufunga swichi za hali dhabiti (MOSFETs au BJTs).
Ukaguzi wa Uhalisia wa Laha ya Data: Ukadiriaji unaoendelea wa sasa na ukinzani wa ndani ($R_{DS(on)}$) ni vipimo muhimu zaidi vya tathmini kuliko uwezo wa 'kilele wa sasa' unaouzwa sana.
Ulinzi wa Mfumo: Viendeshaji vya magari vinavyoweza kutumika vinahitaji ulinzi jumuishi dhidi ya kickback kwa kufata neno (Nyuma ya EMF), mwendo wa kasi kupita kiasi, na kukimbia kwa joto.
Shida ya Uhandisi: Kwa Nini Viunganisho vya Moja kwa moja vya Microcontroller Vinashindwa
Wahandisi mara nyingi hukabiliana na hitilafu za maunzi wakati wa kuiga mifumo ya mwendo wa mapema. Miunganisho ya moja kwa moja kati ya bodi za mantiki na mizigo ya mitambo bila shaka huisha kwa kushindwa kwa sehemu kubwa. Lazima tuelewe migogoro ya msingi ya umeme ili kuunda mifumo thabiti.
Upungufu wa Nguvu
Vidhibiti vidogo huchakata data kwa ufanisi lakini hutoa nishati ya chini sana. Pini ya kawaida ya kimantiki ya pembejeo/pato (I/O) hutoa takriban milliampere 20 hadi 40 za mkondo. Kinyume chake, hata motors ndogo za DC zinahitaji mamia ya milliamperes tu kushinda hali ya kimwili. Tunaita hii mkondo wa duka. Wakati injini inapoanza kuzunguka kwa mara ya kwanza, au inaposimama chini ya mzigo mzito, hufanya kama mzunguko mfupi. Mahitaji ya nishati huzidi kwa urahisi vikomo vya pini za mantiki kwa kipengele cha kumi au zaidi. Pini ya mantiki inayeyuka tu chini ya mzigo.
Tishio la Kurudisha nyuma kwa kufata neno (EMF ya Nyuma)
Motors kimsingi ni safu za waya zinazozunguka ndani ya uwanja wa sumaku. Muundo huu unajenga tatizo la pili. Unapokata nguvu kwa motor inayozunguka, hali ya mitambo huweka rotor kugeuka. Injini mara moja inakuwa jenereta. Inasukuma nishati nyuma kwenye mzunguko.
Miiba ya Voltage: Nishati hii inayorudi huunda miiba mikubwa ya reverse voltage.
Uharibifu wa Vipengele: Miiba hii hupiga kwa urahisi kupitia makutano ya silicon ya kidhibiti kidogo.
Umuhimu wa Kurudi nyuma: Ni lazima tuelekeze nishati hii ardhini kwa usalama kabla ya kufikia hatua ya mantiki.
Mahitaji ya Ugavi wa Nguvu Mbili
Miundo thabiti daima hutenganisha ugavi wa nguvu wa mantiki kutoka kwa usambazaji wa umeme wa gari. Wakati motor huchota mkondo wake mkubwa wa kuanza, huvuta voltage ya mfumo chini. Ikiwa ubao wa mantiki unashiriki laini hii ya umeme, kushuka kwa ghafla kwa voltage kunasababisha kukatika. Microcontroller huweka upya mara kwa mara kila wakati motor inapojaribu kuanza. A kujitolea dereva wa gari hutenga vikoa hivi viwili. Inatumia mawimbi ya mantiki kama kichochezi huku ikichora mkondo mzito kutoka kwa betri inayojitegemea au kitengo cha nishati.
Jinsi Dereva wa Motor Anavyofanya kazi: Mitambo ya Msingi na Tafsiri ya Mawimbi
Kuelewa ufundi wa ndani hukusaidia kutatua tabia potovu ya mfumo. Kiendeshaji cha injini kimsingi hutegemea ubadilishaji wa hali dhabiti hadi mtiririko wa moja kwa moja wa sasa.
Usanifu wa H-Bridge
Daraja la H hutumika kama msingi wa udhibiti wa kisasa wa mwendo wa pande mbili. Mzunguko unafanana na herufi kubwa 'H'. Injini inakaa kwenye mstari wa katikati wa mlalo. Swichi nne za elektroniki hukaa kwenye mikono minne ya wima. Kwa kudhibiti swichi hizi nne, tunaamuru haswa jinsi sasa inapita kupitia gari kuu.
Mwendo wa Mbele: Tunafunga swichi za juu-kushoto na chini kulia. Ya sasa inapita kupitia motor kutoka kushoto kwenda kulia.
Reverse Motion: Tunafungua jozi ya kwanza na kufunga swichi za juu-kulia na chini-kushoto. Ya sasa inapita kutoka kulia kwenda kushoto, na kugeuza mzunguko.
Braking: Tunafunga swichi zote mbili za chini. Hii inaunda mzunguko mfupi kwenye vituo vya gari, na kuisimamisha ghafla.
Pwani: Tunafungua swichi zote. Gari inazunguka kwa uhuru hadi msuguano utakapoisimamisha.
Kubadilisha Teknolojia: MOSFET dhidi ya BJTs
Miundo ya zamani ilitegemea Transistors za Bipolar Junction (BJTs). BJT hufanya kama vali zinazodhibitiwa na sasa. Kwa bahati mbaya, wanakabiliwa na matone makubwa ya voltage ya ndani, kupoteza nishati kama joto safi. Mifumo ya kisasa hutumia Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs). MOSFETs hufanya kama vipinga vinavyodhibitiwa na voltage. Wanabadilisha majimbo haraka sana na kujivunia upinzani wa ndani wa karibu sufuri. Ufanisi huu huruhusu nyaya za kisasa zilizounganishwa kubaki baridi hata chini ya mizigo nzito ya mitambo.
Urekebishaji wa Upana wa Pulse (PWM) kwa Udhibiti wa Kasi
Mwelekeo pekee mara chache haukidhi mahitaji ya uhandisi. Pia tunahitaji udhibiti sahihi wa kasi. Tunafanikisha hili kupitia Marekebisho ya Upana wa Pulse (PWM). Badala ya kusambaza voltage ya mara kwa mara, ubao wa mantiki huwasha na kuzima kiendeshi mara kwa mara kwa sekunde.
Ikiwa tutawasha swichi kwa 50% ya mzunguko na kuzima kwa 50%, gari hufanya kama inapokea nusu ya kiwango cha juu cha voltage. Lazima uhakikishe maunzi yako yanalingana kwa uangalifu hapa. Upeo wa marudio ya ubadilishaji wa kiendeshi chako lazima uandae masafa ya matokeo ya PWM ya kidhibiti chako cha mantiki. Kutolingana husababisha mtetemo usio na mpangilio na mkazo mkali wa joto.
Aina za Suluhisho: Kulinganisha Dereva na Aina ya Magari
Huwezi kutumia mbinu ya ulimwengu kwa udhibiti wa mwendo. Usanifu tofauti wa mitambo unahitaji mikakati tofauti ya udhibiti wa kielektroniki. Kuchagua kategoria isiyo sahihi husababisha kutopatana mara moja.
Aina ya Dereva
Utata wa Vifaa
Kesi ya Matumizi ya Msingi
Sifa Muhimu
DC aliyepigwa mswaki
Chini
Mzunguko unaoendelea, toys rahisi, pampu za msingi.
Msingi wa daraja la H, udhibiti wa pande mbili, udhibiti wa kawaida wa PWM.
Stepper
Kati
Printa za 3D, mashine za CNC, nafasi sahihi.
Viashiria vya ndani, uwezo wa kuruka hatua ndogo, mpangilio wa awamu.
BLDC / Huduma
Juu
Drones, mitambo ya viwandani, robotiki.
Udhibiti wa awamu tatu, hisia za athari ya Ukumbi, maoni ya kitanzi kilichofungwa.
Madereva ya DC Motor yaliyopigwa brashi
Hizi zinawakilisha aina rahisi na ya kawaida zaidi ya udhibiti wa mwendo. Wanatumia usanidi wa kawaida wa daraja la H. Kazi yao kuu inahusisha ubadilishaji rahisi wa mbele na wa nyuma pamoja na udhibiti wa kasi wa PWM. Hazihitaji algorithms changamano ya wakati kutoka kwa kidhibiti kidogo.
Madereva ya Stepper Motor
Motors za Stepper hufanya kazi kupitia hatua tofauti za sumaku badala ya mzunguko unaoendelea. Viendeshi vyao vinahitaji vipengele vya mantiki ya ndani vinavyoitwa indexers. Ubao wa mantiki hutuma 'hatua' mpigo rahisi na ishara 'mwelekeo'. Kisha kiendeshi hutafsiri mawimbi haya ya msingi katika mpangilio changamano wa awamu kwenye koili nyingi za ndani. Lahaja za hali ya juu za stepper hutoa hatua ndogo. Kipengele hiki hugawanya hatua za kimwili katika mamia ya hatua ndogo za umeme kwa nafasi laini sana.
Brushless DC (BLDC) na Madereva ya Servo
Mifumo isiyo na brashi huondoa brashi ya kimwili, kwa kiasi kikubwa kupunguza kuvaa kwa mitambo. Walakini, wanadai udhibiti mgumu sana wa kielektroniki. Dereva wa BLDC huratibu madaraja matatu tofauti. Ni lazima kujua nafasi halisi ya rotor wakati wote kwa energize coils sahihi. Wanafanikisha hili kwa kutumia vitambuzi vya athari ya Ukumbi au kwa kupima sehemu ya nyuma ya EMF ya koili zisizo na nguvu. Madereva wa Servo huchukua hili zaidi kwa kujumuisha misururu mikali ya maoni ili kudhibiti marekebisho sahihi ya torati kwenye nzi.
Vipimo vya Tathmini: Kusoma Laha ya Data Kama Mhandisi
Nyenzo za uuzaji mara kwa mara huzidisha uwezo wa maunzi. Ili kuunda mfumo unaotegemewa, lazima upuuze nakala ya mauzo na utathmini vipimo vya hifadhidata ghafi moja kwa moja.
Inayoendelea Sasa dhidi ya Peak Sasa
Kamwe usichague maunzi yako kulingana na ukadiriaji wa kilele wa sasa. Watengenezaji mara nyingi huangazia nambari kubwa ya 'kilele' kwenye kisanduku. Hata hivyo, ukadiriaji huu unawakilisha kiwango cha juu kabisa cha sasa ambacho chipu hudumu kwa milisekunde chache tu. Uendeshaji wa sasa unaoendelea hutumika kama kigezo cha kweli. Kipimo hiki kinaonyesha kile ambacho chip hushughulikia kwa usalama siku nzima. Tathmini mkondo unaoendelea pamoja na halijoto ya uendeshaji ya mfumo iliyoko.
Kushuka kwa Voltage na $R_{DS(on)}$
Kila swichi inaunda upinzani fulani. Katika mifumo inayotegemea MOSFET, tunafuatilia kipimo hiki kama $R_{DS(on)}$ (Resistance Drain-to-Source On). Nambari hii inaonyesha ni kiasi gani cha nguvu ambacho chip hupoteza.
Kupoteza nguvu hubadilika moja kwa moja kuwa joto. Hesabu hufuata fizikia rahisi: Upotezaji wa Nguvu = Upeo wa Sasa uliozidishwa na Upinzani. $R_{DS(on)}$ ya chini inamaanisha nishati zaidi ya umeme hufikia mzigo halisi na nishati kidogo hugeuka kuwa joto la uharibifu wa taka. Wakati wa kulinganisha chips mbili zinazofanana, daima chagua moja inayotoa upinzani mdogo wa ndani.
Mahitaji ya Usambazaji wa joto
Ukadiriaji unaoendelea wa sasa unasalia kwa masharti. Inachukuliwa kuwa unasimamia joto vizuri. Lazima utathmini mikakati ya utenganishaji wa mafuta mapema katika awamu ya muundo.
Upoezaji Uliopita: Inafaa kwa shughuli za nishati ya chini. Inategemea sana ndege nene za shaba ndani ya bodi ya saketi iliyochapishwa ili kuvuta joto kutoka kwa silicon.
Upoezaji Inayotumika: Lazima kwa matumizi ya kisasa ya viwandani. Inahitaji kupachika heatsinki za alumini halisi au kuunganisha feni za kupoeza juu ya kabati ya chip.
Mzunguko wa Ulinzi uliojumuishwa
Usambazaji wa kisasa wa kibiashara hushindwa bila ulinzi uliojengwa ndani. Madaraja ya H-Bare-silicon ni ya majaribio tu ya maabara. Mifumo ya uzalishaji inahitaji uvumilivu thabiti wa makosa.
Kipengele cha Ulinzi
Kifupi
Faida ya Uendeshaji
Kufungia kwa Nguvu ya chini ya Voltage
UVLO
Huzuia hali zisizo za uhakika za kubadilisha kiasi ikiwa voltage kuu ya usambazaji wa nishati itapungua kwa hatari.
Ulinzi wa Sasa hivi
OCP
Inakata umeme papo hapo ikiwa injini itasimama au waya wa kawaida unakatiza.
Kuzima kwa joto
TSD
Huzima mantiki ya ndani kiotomatiki kabla ya silicon kufikia kiwango chake cha kuyeyuka.
Hatari za Utekelezaji na Ukweli wa Usanifu
Ujuzi wa kinadharia unakupeleka tu hadi sasa. Utekelezaji wa ulimwengu halisi huleta changamoto za kipekee za vimelea. Mara kwa mara tunaona IC za kuaminika zikishindwa kutokana na muunganisho duni wa mzunguko.
Decoupling duni na Bypass Capacitors
Ubadilishaji wa masafa ya juu hutoa kelele kubwa ya umeme. Wakati kiendeshi hugeuza mkondo kwa haraka, huleta mahitaji makubwa ya ujanibishaji. Ukiacha uwezo wa wingi karibu na pini za kiendeshi, voltage hupungua kwa muda. Viwimbi hivi vya masafa ya juu husafiri kurudi kwenye ubao wa mantiki. Husababisha tabia potofu, hatua ambazo hazijachukuliwa, na kuweka upya kwa ghafla kwa kidhibiti kidogo. Daima weka vidhibiti vya kuunganishwa vya saizi ifaayo karibu na pini za nguvu za kiendeshi iwezekanavyo.
Risasi-Kupitia Currents
Daraja la H linakabiliwa na hatari moja mbaya. Ikiwa swichi za juu na za chini kwenye upande sawa kabisa hufunga kwa wakati mmoja, huunda njia ya moja kwa moja kutoka kwa nguvu hadi ardhini. Tunaita hii mzunguko mfupi au 'risasi-kupitia'. Inaharibu vifaa mara moja katika pumzi ya moshi.
Hii hutokea kwa sababu transistors huchukua nanoseconds chache kuzima kabisa. Ikiwa ubao wa mantiki utaamuru ubadilishaji wa papo hapo, swichi mpya iliyoamilishwa huwashwa kabla ya swichi ya zamani kuzima kabisa. Ubora wa maunzi huunganisha 'wakati wa kufa'. Hii inaweka ucheleweshaji wa sekunde ndogo kati ya mabadiliko ya hali, na hivyo kuhakikisha swichi moja kufunguka kikamilifu kabla ya nyingine kufungwa.
Vitanzi vya Ardhi na Kutengwa
Kuunganisha mizigo mikubwa ya kimitambo na chip za mantiki nyeti kwenye ubao huohuo hualika masuala ya msingi. Mikondo ya motor nzito inaweza kuinua voltage ya kumbukumbu ya ardhi. Chip ya mantiki inatarajia ardhi kuwa volti sifuri. Ikiwa mikondo nzito itainua hadi volts mbili, bodi ya mantiki inasoma ishara vibaya.
Mifumo ya kawaida inahitaji uelekezaji makini wa 'ardhi ya nyota'. Maombi ya viwandani yenye voltage ya juu yanahitaji utengano kamili wa kimwili. Wahandisi hutumia optoisolators. Vifaa hivi husambaza mawimbi ya kimantiki kwenye pengo halisi kwa kutumia mwanga. Zinahakikisha spikes za voltage ya juu haziwezi kusafiri kurudi nyuma kupitia njia za ardhini hadi kwenye kikoa nyeti cha mantiki.
Hitimisho
Dereva wa gari kamwe sio sehemu ya ukubwa mmoja. Lazima utathmini maunzi kupitia vipimo vikali vya uhandisi. Inahitaji ulinganishaji kamili wa mkondo wa kitengenezo wa kibanda, marudio ya mantiki ya kuingiza data, na vizuizi vya hali ya hewa vya programu yako mahususi.
Kabla ya kununua vifaa, chukua hatua hizi madhubuti:
Piga hesabu ya kiwango cha juu zaidi cha sasa cha upakiaji wa mfumo wako chini ya hali mbaya zaidi ya kibanda cha mitambo.
Ongeza ukingo mkali wa usalama wa 20-30% kwa hesabu hii ya juu.
Linganisha vikomo vya sasa vinavyoendelea kwenye hifadhidata.
Tathmini takwimu za $R_{DS(on)}$ kutoka kwa watengenezaji wa semiconductor wanaotambulika ili kuhakikisha uzalishaji wa joto unaoweza kudhibitiwa.
Kwa kuheshimu vipimo hivi, unaunda mifumo thabiti inayoweza kushughulikia mifadhaiko ya kiufundi isiyotarajiwa ya ulimwengu halisi bila hitilafu ya umeme.
Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara
Swali: Kuna tofauti gani kati ya dereva wa gari na kidhibiti cha gari?
J: Kidhibiti hufanya kazi kama ubongo, kuzalisha mantiki, muda, na ishara za kufanya maamuzi. Dereva hufanya kama misuli, akipokea ishara hizo dhaifu na kutekeleza hatua ya nguvu ya juu kwa kudhibiti mikondo mikubwa.
Swali: Kwa nini ninahitaji diode za kuruka na dereva wa gari?
J: Diodi za Flyback huelekeza kwa usalama miiba yenye nguvu ya juu-voltage mbali na vipengee nyeti. Miiba hii hutokea wakati uwanja wa sumaku unaoanguka wa injini inayosimama hufanya kazi kama jenereta. IC nyingi za kisasa za madereva sasa zina diodi hizi zilizojengwa ndani.
Swali: Je, ninawezaje ukubwa wa kiendeshi cha gari kwa injini yangu maalum?
J: Kama kanuni ya kutegemewa, ukadiriaji unaoendelea wa dereva lazima upite kwa raha mzunguko kamili wa kibanda wa gari chini ya kiwango cha juu kinachotarajiwa cha mzigo wa kimwili. Daima jumuisha ukingo wa usalama.
Swali: Je, ninaweza kuendesha injini nyingi na dereva mmoja?
J: Ndio, ikiwa utaunganisha motors sambamba. Hata hivyo, droo ya sasa ya pamoja haipaswi kuzidi mipaka ya kuendelea ya dereva. Zaidi ya hayo, utajitolea udhibiti wa kujitegemea; watazunguka kwa njia ile ile kwa wakati mmoja.
