Pololu 1451 - VNH5019 Машинист-водитель

Обзор

Корпус драйвера двигателя VNH5019, вид снизу с указанием размеров.

Этот модуль представляет собой компактную плату расширения для мощного драйвера двигателя ST VNH5019, полностью интегрированного H-моста, который может использоваться для двунаправленного управления скоростью одного коллекторного двигателя постоянного тока. Основные принципы работы драйвера описаны ниже, но мы также рекомендуем внимательно ознакомиться с техническим описанием VNH5019 (pdf, 629 КБ) перед использованием этого продукта. Плата включает в себя большинство компонентов типовой схемы применения на странице 14 технического описания VNH5019, включая подтягивающие и токоограничивающие резисторы, а также полевой транзистор для защиты от обратной полярности батареи. Она поставляется полностью собранной с SMD-компонентами, включая VNH5019, как показано на изображении продукта.

Функции

• Рабочее напряжение: 5,5 В – 24 мая¹
• Выходной ток: 12 А в непрерывном режиме (30 А максимум).
• Входы, совместимые с напряжением 3 В
• Работа ШИМ до 20 кГц, которая является ультразвуковой и обеспечивает более тихую работу двигателя
• Выходной сигнал датчика тока пропорционален току двигателя (приблизительно 140 мВ/А).
• Светодиодные индикаторы работы двигателя (показывают, что происходит на выходах, даже если двигатель не подключен).
• Крепкий:
  • Защита от обратного напряжения
  • Выдерживает входное напряжение до 41 В.
  • Отключение при пониженном и повышенном напряжении
  • Тепловая защита высокого и низкого давления
  • Защита от короткого замыкания на землю и короткого замыкания на напряжение питания Vcc

¹Хотя защита от перенапряжения обычно срабатывает при 27 В, она может активироваться и при напряжении всего 24 В, поэтому мы не рекомендуем использовать этот драйвер двигателя с батареями на 24 В, напряжение которых в полностью заряженном состоянии значительно превышает 24 В.

Использование драйвера двигателя

Разъемы для подключения двигателя и питания двигателя расположены на одной стороне платы, а разъемы управления — на другой. Питание двигателя подключается к большим контактам VIN и GND; оно должно быть от 5,5 до 24 В и способно выдерживать потенциально высокие токи, которые потребуются двигателю. Питание логики (обычно 2,5–5 В) подключается к небольшим контактам VDD и GND на стороне управления платы и используется для питания внутренних подтягивающих резисторов на линиях разрешения ENA и ENB. Любое входное напряжение управления выше 2,1 В гарантированно будет высоким, поэтому этот драйвер может быть напрямую подключен как к системам 3,3 В, так и к системам 5 В.

На следующей схеме показан минимальный набор соединений, необходимых для подключения данного драйвера двигателя к микроконтроллеру:

Минимальная схема подключения микроконтроллера к плате драйвера двигателя VNH5019.

В этой конфигурации направление вращения двигателя определяется состоянием выводов INA и INB, а скорость вращения двигателя регулируется коэффициентом заполнения ШИМ-сигнала, подаваемого на ШИМ-вывод драйвера. ШИМ-вывод на плате подтянут к низкому уровню, поэтому выходы драйвера двигателя фактически отключены по умолчанию; выводы INA и INB находятся в плавающем состоянии (они не подтянуты к какому-либо определенному напряжению по умолчанию). Дополнительную информацию о том, как выводы INA, INB и ШИМ влияют на выходы драйвера OUTA и OUTB, см. в таблицах истинности в техническом описании VNH5019A-E. Обратите внимание, что также можно сэкономить линию ввода/вывода микроконтроллера, напрямую подавая ШИМ-сигнал на выводы INA и INB, удерживая при этом ШИМ-вывод в высоком состоянии (например, подключив его напрямую к VDD).

На этой плате установлены светодиодные индикаторы двигателя, которые можно использовать для проверки корректной работы выходов драйвера двигателя перед фактическим подключением двигателя (это может быть особенно полезно для выявления проблем, связанных с недостаточным питанием). Яркость светодиода увеличивается с увеличением скорости вращения двигателя, а цвет светодиода меняется в зависимости от направления вращения.

Распиновка

Включенное оборудование

В комплект драйвера двигателя входят 20-контактный прямой штыревой разъем 0,1 дюйма и две 2-контактные клеммные колодки 5 мм, как показано на рисунке ниже. Вы можете использовать клеммные колодки для подключения двигателя и питания двигателя, или же отломить 8-дюймовый отрезок штыревого разъема 0,1 дюйма и припаять его к меньшим сквозным отверстиям, расположенным по краям четырех больших контактных площадок для двигателя и питания двигателя. Однако обратите внимание, что клеммные колодки рассчитаны только на 16 А, а каждая пара контактов разъема рассчитана на суммарный ток 6 А, поэтому для более мощных приложений следует припаивать к плате толстые провода.

Платформа драйвера двигателя VNH5019 с комплектными крепежными элементами.

Припаивание 0,1-мм разъемов к логическим выводам позволяет использовать специальные кабели или беспаечные макетные платы, или же провода можно припаять непосредственно к плате для более компактной установки. Подключение двигателей и питания двигателей не следует производить через макетную плату.

В состав драйвера двигателя входит электролитический силовой конденсатор емкостью 47 мкФ, и предусмотрено место для добавления дополнительных конденсаторов (например, для компенсации длины силовых проводов или повышения стабильности источника питания). Дополнительные силовые конденсаторы обычно не требуются, и в комплект данного драйвера двигателя дополнительные конденсаторы не входят.

Два монтажных отверстия предназначены для использования с винтами №2 (не входят в комплект).

Принципиальная схема

Схема устройства управления двигателем Pololu VNH5019.

Данная схема также доступна для скачивания в формате PDF: Схема несущей микросхемы VNH5019 (34k pdf)

Примечание:Все доски, отгруженные компанией Pololu до 28 октября 2011 года, имеют1,5 тыс.Резисторы датчика тока (R10 на схеме выше), что приводит к выходному сигналу датчика тока приблизительно 210 мВ/А. Этот резистор теперь заменен на1kдля лучшей совместимости с 3-вольтовыми системами, обеспечивая выходной сигнал CS приблизительно 140 мВ/А.

Сравнение VNH3SP30, VNH2SP30 и VNH5019

Тепловое изображение нижней стороны корпуса драйвера двигателя VNH5019 во время одного из наших текущих испытаний.

В дополнение к плате-носителю для VNH5019 мы предлагаем платы-носители для двух аналогичных, более старых драйверов двигателей от ST: VNH3SP30 и VNH2SP30. VNH5019 — единственный из трех, имеющий практическое рабочее напряжение выше 16 В, и единственный, работающий с логикой 3 В.

Значения, относящиеся к текущему моменту, в таблице ниже (т.е. записи, к которым относится сноска 3) являются результатами испытаний только одной или двух версий каждого драйвера, поэтому они не отражают потенциальные различия между отдельными экземплярами. Таким образом, эти значения следует рассматривать как приблизительные оценки производительности, а не как гарантии производительности. Хотя эти тесты, по-видимому, указывают на то, что VNH2SP30 работает немного холоднее — и, следовательно, может выдавать больший непрерывный ток — чем VNH5019, важно отметить, что три версии драйвера тестировались в разное время и в потенциально разных условиях, поэтому результаты не обязательно являются точными показателями относительной производительности.

В ходе наших испытаний мы заметили, что тепловая защита VNH5019 срабатывала при более низкой температуре (153°C), чем у VNH2SP30 (170°C), что может частично объяснить более короткое время перегрева VNH5019. Однако мы также наблюдали, что VNH5019 достигал несколько более высоких температур, чем VNH2SP30, при использовании в одинаковых условиях: VNH5019 достиг температуры 85°C через 3 минуты при токе 10 А, в то время как VNH2SP30 достиг температуры 80°C.

В следующей таблице представлено сравнение трех драйверов:

¹Микросхема VNH3SP30 может выдерживать входное напряжение до 40 В, а VNH2SP30 и VNH5019 — до 41 В, но при более низких напряжениях сработает функция защиты от перенапряжения.
²Хотя функция защиты от перенапряжения в микросхеме VNH3SP30 срабатывает только при напряжении 36 В, по нашему опыту, сквозные токи делают работу в режиме ШИМ непрактичной при напряжении выше 16 В.
³Типичные результаты, полученные при использовании плат-носителей драйверов двигателей Pololu со 100% рабочим циклом при комнатной температуре (без принудительного воздушного потока или отвода тепла за пределы печатной платы-носителя).

Рассмотрение рассеивания мощности в реальных условиях

Микросхема драйвера двигателя имеет максимальный непрерывный ток 30 А. Однако сами микросхемы перегреваются при более низких токах (типичные значения приведены в таблице выше). Фактический ток, который вы можете подать, будет зависеть от того, насколько хорошо вы сможете охладить драйвер двигателя. Печатная плата производителя разработана таким образом, чтобы отводить тепло от микросхем драйвера двигателя, но производительность можно улучшить, добавив радиатор. В наших тестах мы смогли подавать короткие промежутки времени (порядка миллисекунд) 30 А и несколько секунд 20 А без перегрева. При 6 А микросхема становится едва заметно теплой на ощупь. Для сильноточных установок провода двигателя и питания следует также припаивать напрямую, а не через прилагаемые клеммные колодки, рассчитанные на ток до 16 А.

Этот продукт можно получитьгорячийдостаточно, чтобы обжечь вас задолго до того, как чип перегреется. Будьте осторожны при обращении с данным изделием и другими подключенными к нему компонентами.

Многие контроллеры двигателей или регуляторы скорости могут иметь пиковые значения тока, значительно превышающие номинальные значения непрерывного тока; это не относится к этим драйверам двигателей, которые имеют номинальный непрерывный ток 30 А и защиту от перегрузки по току, которая может срабатывать уже при 30 А (обычно 50 А). Поэтому ток заклинивания вашего двигателя не должен превышать 30 А. (Даже если вы ожидаете работать при гораздо меньшем среднем токе, двигатель все равно может потреблять кратковременные всплески высоких токов, например, при запуске, если не принять специальные меры.)

Примечание:В технической документации микросхема драйвера двигателя указана по полному артикулу.VNH5019A-EОднако буква «А», по-видимому, просто указывает на то, что товар был упакован в тубы. В описании упоминается следующее:VNH5019TR-Eв качестве еще одного допустимого номера детали для этой микросхемы (указывающего на упаковку в ленту и катушку).

Люди часто покупают этот продукт вместе с:

Гироскоп, акселерометр и компас MinIMU-9 (носитель L3G4200D и LSM303DLM)

Плата управления двигателем Pololu Dual VNH5019 для Arduino

Держатель драйвера шагового двигателя A4988