Driver silników prądu stałego dla Raspberry Pi Zero

Driver silników prądu stałego dla Raspberry Pi Zero
Pobierz PDF Download icon
Opisywane urządzenie opracowano z myślą o zastosowaniach w robotyce amatorskiej wraz z najnowszym Raspberry PI Zero. Dzięki ograniczonemu poborowi prądu i małym gabarytom jest to teraz zadanie zdecydowanie łatwiejsze, niż z poprzednikami Zero.

Rysunek 1. Tabela prawdy układu scalonego DRV8871

Płytka umożliwia sterowanie dwóch silników prądu stałego średniej mocy (szczytowo 3,6 A) zasilanych napięciem z zakresu 6,5...24 V, dwóch obciążeń 24 V/0,5 A, sterowanie/monitorowanie 8 wyprowadzeń GPIO w standardzie CMOS 3,3 V, np.: dla współpracy z sensorami, dołączenia magistrali I²C oraz komunikacji szeregowej. Układ drivera silnika jest oparty o specjalizowany driver DRV8871 firmy Texas Instruments.

Układ zawiera komponenty niezbędne dla sterowania silnikiem szczotkowym prądu stałego: dwa półmostki MOSFET z bezstratnym układem pomiaru prądu silnika (niewymagającym zewnętrznych elementów), logikę zabezpieczającą i pompę ładunku do sterowania tranzystorów mocy, wbudowany układ zabezpieczeń przeciążeniowych i termicznych oraz wejściową logikę sterującą.

Rysunek 2. Schemat ideowy drivera silników dla Raspberry PI Zero

Wbudowany czujnik prądu silnika nie wymaga zewnętrznego rezystora pomiarowego, ale w dalszym ciągu możliwa jest zmiana maksymalnego prądu uzwojeń poprzez dobór rezystora przyłączonego do wyprowadzenia IIlim, zgodnie z wzorem IIlim=64/Rilim [kV/kΩ].

W prototypie prąd ustalono na 2 A, co odpowiada Rilim o rezystancji około 33 kΩ. Minimalną rezystancję ustalono na 15 kΩ. Sterowanie kierunkiem obrotów odbywa się w konwencji L/R z wejść IN1/IN2, zgodnie z tabelą prawdy pokazaną na rysunku 1.

Schemat ideowy płytki sterownika zamieszczono na rysunku 2. Napięcie zasilania silników VM jest oddzielone od napięcia sterującego i ze względu na wymaganą moc musi pochodzić ze źródła zewnętrznego. Napięcie VM, doprowadzone poprzez złącze VM, zasila układy U1 i U2, kondensator CE1 filtruje zasilanie.

Należy pamiętać, że to wartość minimalna i w zewnętrznym zasilaczu powinien być "bank" kondensatorów o pojemności zdolnej do zapewnienia stabilnego zasilania układu. Rezystory RL1 i RL2 powinny być dobrane do posiadanego silnika wg wzoru na Rilim.

Oprócz sterowania silnikiem przydatna jest także możliwość sterowania obciążeniem. Podwójny tranzystor MOSFET (Q1) w konfiguracji OD może być wykorzystany do załączania oświetlaczy, elektromagnesów itp. Maksymalna obciążalność wyjść to 0,5 A/24 V. W przypadku obciążeń indukcyjnych należy wyjścia OUT odpowiednio zabezpieczyć transilem lub diodą dołączoną równolegle do obciążenia.

Do złącza IO w standardzie Arduino Bricks (IO/VCC/GND) doprowadzono 8 linii GPIO w standardzie CMOS 3,3 V, rezystory RP1 i R2 zabezpieczają wstępnie GPIO przed błędami w konfiguracji. Aby nie przeciążać wbudowanego stabilizatora 3,3 V, płytka ma własną przetwornicę obniżającą napięcie zasilające do 3,3 V o obciążalności do 250 mA. Układ zbudowano w oparciu o ADP2108 (U3). Dioda LD1 sygnalizuje zasilanie GPIO.

Rysunek 3. Schemat montażowy drivera silników dla Raspberry PI Zero

Dodatkowo, moduł umożliwia wyprowadzenie interfejsu I²C, portu szeregowego na złącza szpilkowe zgodnie z Arduino Bricks ułatwiając wygodne dołączenie współpracujących modułów komunikacyjnych np. opisywanych w EP I²C lub Xbee. Uwaga! Sygnały GPIO Raspberry PI Zero zgodne są ze standardem 3,3 V i dołączenie napięcia 5 V spowoduje uszkodzenie GPIO.

Driver zmontowano na niewielkiej, dwustronnej płytce drukowanej. Jej schemat montażowy pokazano na rysunku 3. Montaż jest typowy i nie wymaga opisywania. Należy tylko poprawnie przylutować pady termiczne układów U1 i U2. W wypadku "forsownej" pracy modułu warto układy driverów i tranzystor wyposażyć w niewielkie radiatory przyklejone klejem termoprzewodzącym.

Adam Tatuś, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
czerwiec 2016
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe

Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów