Leiterplattentechnisch - PCB-Empfehlungen für den Entwurf von Motortreibern

Auslegungsziele des Antriebskreises des Gleichstrommotors

Berücksichtigen Sie bei der Auslegung des Gleichstrommotorantriebs hauptsächlich die folgenden Punkte:

1.Funktion:ist der Motor unidirektional oder bidirektional?Benötigen Sie eine Drehzahlverstellung?? Für unidirektionalen Motorantrieb,Ein Hochleistungstriode oder mosFEtt oder Relais kann den Motor direkt antreiben. Wenn der Motor bidirektionale Drehung benötigt, h-Brückenschaltung bestehend aus vier Leistungsklassen Leiterplatten komponenten kann verwendet werden oder ein zweipoliges Doppelwurf-Relais kann verwendet werden. Wenn Sie nicht beschleunigen müssen, solange die Verwendung von Relais sein kann; Aber wenn du Geschwindigkeit brauchst,Sie können triode verwenden, fet und andere Schaltkomponenten, um eine PWM-Geschwindigkeit (Pulsweitenmodulation) zu erreichen.

2.Leistung: für PWM-Motorantriebsschaltung, haben hauptsächlich die folgenden Leistungsindikatoren.

1) Ausgangsstrom- und Spannungsbereich, der bestimmt, wie Hochleistungsmotor die Schaltung antreiben kann.

2) Effizienz, hoher Wirkungsgrad bedeutet nicht nur Einsparung der Stromversorgung, sondern auch Verringerung der Heizung des Antriebskreises. Um die Effizienz des Schaltkreises zu verbessern, können wir den Schaltzustand von Leistungsgeräten garantieren und Gleichstromleitung verhindern (H-Brücke oder Push-Pull-Schaltkreis kann ein Problem erscheinen, das heißt, zwei Leistungsgeräte zur gleichen Zeit, um den Stromversorgungskurzschluss zu machen).

3) Einfluss auf den Steuereingang. Der Stromkreis sollte eine gute Signalisolierung an seinem Eingang haben,um zu verhindern,dass Hochspannung und Hochstrom in den Hauptsteuerkreis gelangen, der durch hohe Eingangsimpedanz oder photoelektrische Koppler isoliert werden kann.

4) Einfluss auf die Stromversorgung.Common-State-Leitung kann den sofortigen Abfall der Stromversorgungsspannung verursachen und die Verschmutzung der Hochfrequenzstromversorgung verursachen.Ein großer Strom kann dazu führen, dass der Erdungskabel schwankt.

5) Zuverlässigkeit.Der Antriebskreis des Motors sollte so sicher wie möglich sein, egal welches Steuersignal oder passive Last hinzugefügt wird.

a.Eingabe- und Pegelumrechnung:

Das Eingangssignalkabel wird von DATA eingeführt. Pin 1 ist das Erdungskabel und der Rest sind Signalkabel. Beachten Sie, dass Pin 1 mit einem Widerstand von 2K Ohms mit der Masse verbunden ist. Wenn die Antriebsplatine und die MCU getrennt mit Strom versorgt werden, kann dieser Widerstand einen Weg für den Signalstromrückfluss bereitstellen. Wenn die Antriebsplatine eine Stromversorgung mit der MCU teilt, verhindert dieser Widerstand Störungen, die durch hohen Strom verursacht werden, der entlang des Kabels in den Erdungskabel des MCU-Mainboards fließt. Mit anderen Worten ist es äquivalent, den Massedraht der Antriebsplatine vom Massedraht der MCU zu trennen, um "einen Erdungspunkt" zu erreichen.

Der Hochgeschwindigkeits-OP-Verstärker KF347 (auch als TL084 erhältlich) funktioniert als Komparator und vergleicht das Eingangslogiksignal mit der 2,7V-Referenzspannung von der Anzeigeleuchte und einer Diode mit einem Quadratwellensignal, das die Spannungsamplitude der Stromversorgung annähert. Der Eingangsspannungsbereich von KF347 sollte nicht in der Nähe der negativen Versorgungsspannung liegen, sonst wird es Fehler machen. Daher wird eine Diode zur Vermeidung von Spannungsbereichsüberläufen an der OP-Amp-Eingangsklemme hinzugefügt. Es gibt zwei Widerstände am Eingang: einen, um Strom zu begrenzen und einen, um den Eingang auf niedriges Niveau zu ziehen, wenn es

suspendiert.

LM339 oder ein anderer Komparator mit offenem Schaltungsausgang kann nicht verwendet werden, um den Operationsverstärker zu ersetzen, da die hohe Ausgangsimpedanz des offenen Schaltungsausgangs über 1000 Ohms liegt und der Spannungsabfall groß ist und die folgende Triode nicht abschneiden kann.

b.Torantrieb:

Die Schaltung, die aus der Triode, dem Widerstand und dem Spannungsregler besteht, verstärkt das Signal weiter, treibt das Gate des FETT an und verwendet die Gate-Kapazität des FETT selbst (etwa 1000pF) für Verzögerung, wodurch verhindert wird, dass die gleichzeitige Leitung des FETT an den oberen und unteren Armen der H-Brücke (" Common-State-Leitung ") Kurzschluss der Stromversorgung verursacht.

Wenn das Ausgangsende des Operationsverstärker niedrig ist (etwa 1V bis 2V, kann Null nicht vollständig erreichen), unterbricht sich die folgende Triode und das FETS schaltet sich ein. Die obere Triode wird eingeschaltet, die FETS werden abgeschnitten und der Ausgang ist hoch. Wenn der Ausgang des Operationsverstärker hoch ist (etwa VCC-(1V bis 2V), kann er VCC nicht vollständig erreichen), schaltet sich die folgende Triode ein und die FETS unterbricht sich. Die obere Triode wird abgeschaltet, die FETS schaltet sich ein und der Ausgang ist niedrig.

Die obige Analyse ist statisch, während der dynamische Prozess des Schaltens unten diskutiert wird: Der Leitungswiderstand der Triode ist weit weniger als 2 KHM, so dass die Ladung auf dem Netzkondensator des FETT schnell freigegeben werden kann, wenn die Triode von Cutoff zu On-Off schaltet, und der FETT schneidet schnell ab. Es dauert eine gewisse Zeit, bis die Triode vom on-on auf das cut-off fET Gate umgewandelt wird, um über den 2kHM Widerstand geladen zu werden. Dementsprechend ist die Geschwindigkeit der MOSFets von on-on bis cut-off schneller als die der mosFEts von cut-off bis on-on. Wenn die Schaltwirkung von zwei Trioden gleichzeitig auftritt, kann dieser Schaltkreis dazu führen, dass der obere und untere Mosfet zuerst bricht und sich dann einschaltet, wodurch das allgemeine Zustandseinschaltphänomen eliminiert wird.

Tatsächlich dauert es eine gewisse Zeit, bis sich die Ausgangsspannung des Betriebsverstärkers ändert, und während dieser Zeit liegt die Ausgangsspannung des Betriebsverstärkers im mittleren Wert zwischen positiver und negativer Versorgungsspannung. Zu diesem Zeitpunkt schalten sich beide Trioden gleichzeitig ein und die MOSFets werden gleichzeitig abgeschaltet. So ist die eigentliche Schaltung ein wenig sicherer als dieses Ideal.

Die 12V spannungsstabilisierte Diode des MOSFett-Netzes wird verwendet, um einen Überspannungsausbruch des MOSFett-Netzes zu verhindern. Allgemeine MOSFets-Gate-Spannung ist 18V oder 20V, fügen Sie direkt 24V Spannung zusammen, so dass die Spannungsstabilisator-Diode nicht durch gewöhnliche Diode ersetzt werden kann, sondern durch einen Widerstand von 2KOW ersetzt werden kann, kann auch 12V Teilspannung erhalten.

c.Ausgangsteil des Feldeffektröhrchens:

Im Inneren der Hochleistungs-MOSFETS befinden sich Dioden in umgekehrter Parallelschaltung zwischen Quelle und Drain. Wenn an die H-Brücke angeschlossen, ist es äquivalent, dass das Ausgangsende mit vier Dioden zur Beseitigung von Spannungsspitzen verbunden wurde, so dass es keine externe Diode gibt. Ein kleiner Ausgangsparallelkondensator (zwischen OUT1 und OUT2) hat bestimmte Vorteile, um die vom Motor erzeugte Spitzenspannung zu reduzieren, aber bei der Verwendung von PWM hat der Nebeneffekt des Spitzenstroms, so dass die Kapazität nicht zu groß sein sollte. Diese Kapazität kann bei Verwendung eines Motors mit geringer Leistung entfallen. Wenn Sie diesen Kondensator hinzufügen, achten Sie darauf, Hochspannung zu verwenden, gewöhnlicher Keramikkondensator kann Kurzschlussfehler auftreten.

Eine Schaltung bestehend aus Widerständen, LEDs und Kondensatoren parallel am Ausgang gibt die Drehrichtung des Motors an.

d.Leistungsindikatoren:

Versorgungsspannung 15~30 V, kontinuierlicher Ausgangsstrom 5A/jeder Motor, kurze Zeit (10 Sekunden) kann 10A erreichen, PWM-Frequenz kann 30KHz (im Allgemeinen 1 bis 10KHz) verwenden. Die Platine enthält vier logisch unabhängige Leistungsverstärker, die direkt mit einem Chip-Mikrocomputer gesteuert werden können. Realisieren Sie die bidirektionale Rotation und Drehzahlregelung des Motors.

e.PCB Layout und Verdrahtung:

Die Hochstromleitung sollte so weit wie möglich kurz und dick sein und versuchen, nicht durch das Loch zu gehen. Wenn Sie durch das Loch gehen müssen, sollten Sie das Loch größer machen (gt; 1mm) und ein kleines Loch in das Pad machen und es während des Schweißens mit Löt füllen, sonst kann es abbrennen. Darüber hinaus, wenn das Reglerrohr verwendet wird, sollte die fET-Quelle zur Stromversorgung und Massedraht so kurz und dick wie möglich sein, ansonsten in hohem Strom, Im ursprünglichen Design wurde ein 0,15-Ohm Widerstand zwischen der Quelle und Masse der NMOS-Röhre eingesetzt, um den Strom zu erkennen, und dieser Widerstand wurde der Schuldige des konstanten Brennens der Platine. Dieses Problem besteht natürlich nicht, wenn das Regulatorrohr durch einen Widerstand ersetzt wird.

Die Leiterplatte, die die Schaltkreise antreibt, erfordert spezielle Kühltechniken, um den Stromverbrauch zu adressieren. Leiterplattensubstrate (PCB), wie FR-4 Epoxidglas, haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit.Kupfer hingegen leitet die Wärme sehr gut ab. Aus Sicht des Thermomanagements ist daher die Vergrößerung der Kupferfläche in der Leiterplatte eine ideale Lösung. Dicke Kupferfolie (z.B. 2 oz. (68 Mikron dick)) leitet Wärme besser als dünnere Kupferfolie. Die Verwendung dicker Kupferfolien ist jedoch kostspielig und schwierig,eine feine Geometrie zu erreichen. Als Ergebnis wurde die Verwendung von 1-Unze (34-Mikron) Kupferfolie üblich. Die äußere Schicht wird normalerweise verwendet? Eine Unze Kupferfolie. 

Die feste Kupferoberfläche, die in der inneren Schicht der mehrschichtigen Leiterplatte verwendet wird, hat eine gute Wärmeableitung. Da diese Kupferflächen jedoch normalerweise in der Mitte des Leiterplattenstapels platziert werden, sammelt sich Wärme innerhalb der Leiterplatte an. Das Erhöhen des Kupferbereichs der äußeren Schicht der Leiterplatte und das Verbinden oder "Nähen" mit der inneren Schicht durch eine Reihe von Durchgangslöchern hilft, Wärme an die Außenseite der inneren Schicht zu übertragen.