Na prawach rękopisu Raport 22/02/2008 Konstrukcja mostka mocy typu "H" opartego o układ HIP4081A Robert Szlawski Słowa kluczowe: napęd elektryczny, sterownik. Wrocław 2008, rev.a
Spis treści 1 Wstęp 3 2 Konstrukcja 4 2.1 Budowa mostka..................................... 4 2.2 Sygnały sterujące.................................... 5 2.3 Sterowanie silnikiem krokowym............................ 5 3 Montaż 8 3.1 Zdjęcia zmontowanego mostka............................. 8 3.2 Ułożenie elementów na płytce............................. 9 3.3 Wykaz elementów.................................... 11
Spis rysunków 1 Układ schemat blokowy................................ 3 2 Mostek typu H idea.................................. 4 3 Schemat ideowy mostka................................ 7 4 Mostek zdjęcie z góry................................. 8 5 Mostek zdjęcie z dołu................................. 8 6 Mostek elementy montowane od góry........................ 9 7 Mostek elementy montowane od spodu........................ 9 8 Mostek ścieżki od góry płytki............................. 10 9 Mostek ścieżki od spodu płytki............................ 10
1 Wstęp W większości urządzeń mechanicznych powstaje potrzeba połączenia sterownika elektronicznego z układami mechanicznymi, jakimi są silniki prądu stałego albo silniki krokowe. Ogniwem łączącym te dwa elementy jest mostek MOCY, potrafiący dostarczyć silnikowi wystarczającą porcję energii, będący jednocześnie wrażliwym na pobudzenie pochodzące od sterownika elektronicznego. Schemat blokowy takiego połączenia przedstawiono na rysunku 1. Rysunek 1: Układ schemat blokowy. Niniejszy dokument przedstawia konstrukcję mostka opartego o układ HIP4081A [2] firmy intersil i współpracującego z tranzystorami mocy CMOS IRF540N [3]. 3
2 Konstrukcja Mostek MOCY posiada konstrukcję typu H (rysunek 2). Jego budowa umożliwia regulację średniej wartości napięcia na zaciskach silnika (sterowanie prędkością obrotową silnika prądu stałego) oraz regulację wartości prądu przepływającego przez silnik (sterowanie momentem siły). Wybierając jeden z trybów sterowania, drugi tryb stawiamy jako ogranicznik. Mamy zatem sterowanie napięciowe z ograniczoną wartością prądu albo sterowanie prądowe z ograniczeniem napięcia. Mostek nie posiada pętli sprzężenia prądowego, czyli regulatora czuwającego nad wartością prądu przepływającego przez silnik. Układ regulatora prądu można dodać na płytce sterownika współpracującego z mostkiem. Należy przy tym pamiętać, by pętla sprzężenia była jak najkrótsza oraz zrealizowana sprzętowo [1]. Rysunek 2: Mostek typu H idea 2.1 Budowa mostka Moduł stanowi pełny mostek typu H, posiada dwa półmostki wymagane przy pełnym sterowaniu silnika prądu stałego. Do sterowania silnika krokowego bipolarnego wymagane są dwa takie moduły. Moduł oparty jest o układ scalony HIP4081A, który spełnia trzy ważne zadania: zapewnia kompatybilność wejść ze stanami logocznymi T T L/CMOS, wprowadza opóźnienia podczas przełączania tranzystorów, przełącza tranzystory CMOS. Do sterowania modułem potrzebnych jest pięć sygnałów logicznych opisanych w tablicy 1. Sygnały te muszą być kompatybilne z technologą T T L lub CMOS, zasilane napięciem 5V lub 3,3V. Do ustawiania opóźnień wykorzystywanych podczas przełączania tranzystorów służą rezystory R16 i R17 o wartości 100kΩ. Układ HIP4081A steruje czterema tranzystorami T 1, T 2, T 3 i T 4 typu CMOS za pośrednictwem rezystorów R1, R2, R3 oraz R9 ograniczających prąd przeładowywania bramek (rysunek 3). Każdy półmostek posiada generator wysokiego napięcia oparty o kondensatory C9 i C12 oraz diody DS4 i DS5. Wysokie napięcie wymagane jest do poprawnego wysterowania tranzystorów T 1 i T 4. 4
Moduł wyposażony jest ponadto w układ pomiaru prądu płynącego przez uzwojenia silnika (oparty o wzmacniacze operacyjne U 2A i U 2B), który generuje sygnały analogowe dla zewnętrznego modułu ograniczającego wartość prądu. Znak sygnału mówi o kierunku płynącego prądu, amplituda - o jego wartości. Rezystor R13 służy do dodawania składowej stałej, jeżeli zewnętrzny regulator tego wymaga. W zależności od potrzeb regulatora prądu można zmienić elementy w torze pomiarowym i przejść z toru bipolarnego na unipolarny. Moduł wymaga kilku napięć zasilających: układ HIP4081A 12V, tor pomiarowy ±5V lub +5V, silnik do +60V. 2.2 Sygnały sterujace Mostek posiada trzy złącza: zasilające wraz z zaciskami silnika, sterujące, zasilające HIP4081A (opcjonalne). Złącze zasilające wraz z zaciskami silnika X2 jest przeznaczone do podłączenia zasilania silnika (X2-1 GND, X2-4 +U zas ) oraz do samego silnika (zaciski X2-2 i X2-3). Złącze sterujące SV1 jest opisane w tablicy 1. Rezystory R10 i RN1 wymuszają wyłączenie mostka przy braku sterowania. Złącze X1 zapewnia zasilanie układu HIP4081A, jeśli nie jest ono doprowadzone złączem SV1, odpowiednio X1-2 GND, X1-1 +12V. Sterowanie modułem przedstawia tablica 2. 2.3 Sterowanie silnikiem krokowym Tablica 1: Gniazdo sterujące nr pinu kierunek nazwa sygnału SV 1-4 GNDA SV 1-2 +5V SV 1-6 5V SV1-5 I POUT SV1-3 IF POUT SV 1-1,SV1-7,SV1-14 GND SV 1-13 +12V SV 1-9 DIS SV 1-12 AHI SV 1-11 ALI SV 1-8 BHI SV 1-10 BLI Do mostka można podłączyć silnik prądu stałego. Posiadając dwa mostki, można do nich podłączyć jeden silnik krokowy bipolarny (jedną cewkę tego silnika podłączając do pierwszego mostka, 5
Tablica 2: Logika sygnałów sterujących DIS ALI AHI BLI BHI I OUT 1 X X X X OFF 0 1 X 0 1 A B 0 0 1 1 X A B 0 0 0 X X A OFF 0 X X 0 0 B OFF 0 0 0 0 0 A OFF,B OFF drugą zaś do drugiego). W ten sposób można wymusić dowolny prąd w cewkach silnika krokowego. Aby silnik zaczął pracować poprawnie, prądy te muszą być między sobą zdeterminowane. Ponadto chcąc, by silnik pracował gładko, należy płynące prądy zmieniać o bardzo małą wartość (praca mikrokrokowa). Podsumowując - prąd w pierwszej cewce powinien mieć przebieg zbliżony do sin(at), a prąd w drugiej cewce powinien mieć przebieg zbliżony do ±cos(at), gdzie znak oznacza kierunek obrotu silnika. 6
Rysunek 3: Schemat ideowy mostka 7
3 Montaż 3.1 Zdjęcia zmontowanego mostka Rysunek 4: Mostek zdjęcie z góry Rysunek 5: Mostek zdjęcie z dołu 8
3.2 Ułożenie elementów na płytce Rysunek 6: Mostek elementy montowane od góry Rysunek 7: Mostek elementy montowane od spodu 9
Rysunek 8: Mostek ścieżki od góry płytki Rysunek 9: Mostek ścieżki od spodu płytki 10
3.3 Wykaz elementów Tablica 3: Wykaz elementów elektronicznych pasywnych Ilość Wartość Obudowa Element 1 ML14E ML14E SV1 1 W237-2 W237-2 X1 1 W237-4 W237-4 X2 6 0,1Ω R-411 RM1,RM2,RM3,RM4,RM5,RM6 4 4,7Ω RESISTOR-0603 R1,R2,R3,R9 4 1kΩ RESISTOR-0603 R4,R5,R6,R8 4 2kΩ RESISTOR-0603 R10,R11,R14,R15 1 10kΩ CAY16-4S-MNR04 RN1 3 10kΩ RESISTOR-0603 R7,R12,R18 2 100kΩ RESISTOR-0603 R16,R17 1 330kΩ RESISTOR-0603 R13 2 270pF CAPACITOR-0603 C3,C4 6 100nF CAPACITOR-0603 C7,C10,C13,C14,C15,C16 5 220nF CAPACITOR-0805 C1,C2,C9,C11,C12 2 10µF 6V SMA C5,C6 1 10µF 16V SMA C8 1 HIP4081A SO20W U1 1 TL072D SO8 U2 4 IRF540N TO220 T1,T2,T3,T4 4 MBRS360 SMC DS1,DS2,DS3,DS6 2 MBRS1100 SMB DS4,DS5 11
Literatura [1] Robert Szlawski, Konstrukcja podwójnego mostka H, Raport 15/10/2004, Wrocław 2007r. rev B. [2] http://www.intersil.com [3] http://www.irf.com 12