Silnik BLDC: Drajwer (driver) DIY

Autor: Dondu

Artykuł z cyklu: Silnik BLDC: Spis treści

W poprzednim artykule uruchomiliśmy już prosty sterownik silnika BLDC, który pozwolił nam na osiągnięcie maksymalnej dla badanego silnika prędkości obrotowej ponad 5500 rpm. Nadszedł czas, by wykonać drajwer w formie projektu DIY, czyli wykonać do niego płytkę PCB. Ograniczymy się jednak tylko do części będącej drajwerem po to, by był on uniwersalny niezależnie od mikrokontrolera, którym będziesz go sterował.

Poniżej zaprezentowany schemat i płytka PCB drajwera znacząco odbiegają od standardowych tego typu konstrukcji. To świadome i celowe działanie związane z edukacyjnym celem jej zaprojektowania, co omówię w dalszej części niniejszego artykułu.

Poniższy drajwer może także być wykorzystany jako mostek-H do sterowania np. silnikami DC.


Schemat

Schemat drajwera jest nieco inny niż we wskazanym wcześniej artykule. Wprowadzone modyfikacje mają na celu umożliwienie testowania oprogramowania pod kątem poprawności jego działania w czasie budowania projektów, które będziesz tworzył.

Edit: 14 marca 2014r.

Uwaga!!! Na schematach podane są tranzystory IRFU120 oraz IRFU9024. Są to wersje w obudowie I-PAK (długie nóżki), a faktycznie należy użyć wersje w obudowie D-PAK, czyli odpowiednio IRFR120 oraz IRFR9024.

Możesz oczywiście użyć wersji w obudowie I-PAK przycinając odpowiednio nóżki. Dokumentacja: IRFR/U120 oraz  IRFR/U9024

Kompletny schemat wygląda następująco:

Jeżeli nie wiesz, co oznaczają cyfry przy rezystorach
i kondensatorach przeczytaj ten artykuł:
"Dziwne" oznaczenia na schemtach

Pliki Eagle 6.4.0 oraz lista użytych elementów: LM-05.zip (kopia)

Rozłączenie tranzystorów jednej fazy

Pierwsza modyfikacja polega na rozłączeniu tranzystorów jednej fazy (górnego i dolnego) co ma nas zabezpieczyć przed zagrożeniem dokonania zwarcia przy nieprawidłowo napisanym programie, który może włączyć oba tranzystory (klucze) jednej fazy przez podanie stanu wysokiego na obu wejściach:

Do tej pory posługiwaliśmy się programową funkcją bldc_bezpiecznik() i na pewno warto ją wykorzystywać przy etapie testowania. Rozłączenie tranzystorów na płytce PCB za pomocą goldpinów i jumpera pozwoli nam na dodatkowe zabezpieczenie się, przed ewentualną pomyłką w definicjach (plik dd_bldc.h), na bazie których pracuje funkcja bezpiecznika.

Diody LED tranzystorów

Aby ułatwić Wam testowanie swoich programów, wprowadziłem kolejną modyfikację polegającą na dodaniu do każdego tranzystora diod LED pokazujących, czy w danym momencie faktycznie dany tranzystor jest włączony.

Jest to możliwe dzięki rozłączeniu tranzystorów jednej fazy (jumper usunięty). Jeżeli więc poszczególne tranzystory są włączone, to diody świecą:

Diody pokazują stan włączenia tranzystorów tylko podczas, gdy tranzystory w jednej fazie są rozłączone. W przeciwnym wypadku obie diody będą słabo świecić wtedy, gdy oba tranzystory są wyłączone.

W zależności od ustawień wejść drajwera mogą w tej sytuacji wystąpić jeszcze inne stany dla przypadków:

• założone zworki bez silnika,
• założone zworki i podpięty silnik,

ale to już jest mniej istotne, stąd jeżeli Ciebie to interesuje, to możesz sprawdzić empirycznie.


Rezystory diod nie mają zaznaczonych wartości ponieważ w zależności jakie zastosujesz diody oraz napięcie zasilania drajwera, powinieneś sam policzyć na przykład za pomocą Kalkulatora rezystorów diod.

Odpowiednie dobranie rezystorów jest bardzo istotne, ponieważ zasilane są one z tego samego napięcia co silnik.

Ja zastosowałem dwa rodzaje diod:

• żółta (tranzystory górne) ,
• zielone (tranzystory dolne),

z rezystorami odpowiednio:

• żółte - 4,7kΩ (R25, R27 i R29),
• zielone - 47kΩ (R1, R26 i R28).

Takie rezystory pozwoliły na równomierne niezbyt silne świecenie przy silnikach zasilanych z 12V.


Kondensatory

W drajwerze w każdej fazie znajdziesz "dziwne" kondensatory:

Kondensatory te na razie nie są nam potrzebne, a ich zastosowanie i rezultaty omówię w kolejnym artykule. W związku z tym na razie ich nie montujemy i dlatego też nie mają one żadnych wartości. Były jednak potrzebne w celu wykonania płytki PCB z odpowiednimi polami do ich wlutowania.


Część dot. Back EMF (BEMF)

Na schemacie na pewno zauważyłeś, że są tam dzielniki napięcia wraz z kondensatorami tworzące filtry dolnoprzepustowe dla każdej fazy (np. dla fazy U są to R15, R21 i C8) oraz sumator złożony z rezystorów R18, R19 i R20.

Elementy tego modułu są przygotowane do wykorzystania drajwera do pracy z silnikiem nie wyposażonego w Hallotrony i wykorzystującego sygnały BEMF z uzwojeń silnika. W związku z tym, jeżeli nie wykorzystujesz tej części można ich nie montować.

Zamontowanie elementów części dot. BEMF może spowodować nieznaczne świecenie diod LED tranzystorów dolnych nawet wtedy, gdy jumpery są rozłączone, a tranzystory wyłączone. Aby pozbyć się tego efektu należy odpowiednio dobrać rezystory diod.

Z czego to wynika? Przeanalizuj schemat we własnym zakresie :-)



Płytka PCB

Płytka PCB wykonana w celach edukacyjnych (wspomniałem wcześniej) i z nietypowym jak na większość sterowników rozmieszczeniem elementów elektronicznych. Poszczególne strony płytki wyglądają następująco:

Strona TOP.

Strona BOTTOM.

Do pobrania pliki PDF: Silnik-BLDC-drajwer.zip (kopia)
Lista użytych elementów: Part-List.txt (kopia)

Wymiary płytki: 58,5mm 44,5mm.

Przygotowana jest do zasilania z zasilacza komputerowego z czteropinowym złączem MOLEX:

Źródło: Wikipedia

oraz do zasilania sterownika silników (część z mikrokontrolerem) za pomocą napięcia 5V z zasilacza wyprowadzonego na złącze JP3:

Nie musisz jednak montować gniazda MOLEX - możesz przylutować przewody wkładając je od Warstwy top i lutując na warstwie bottom. Odpowiednie oznaczenia znajdziesz po stronie bottom:

Vcc to napięcie zasilania części z mikrokontrolerem (domyślnie 5V), a V+ to zasilania tranzystorów MOSFET, czyli silnika.

Płytka przygotowana jest także do wpięcia do płytki stykowej, jeżeli w miejscach gniazd zastosujesz godpiny. Ja jednak sugeruję zamiast goldpinów zastosować jednorzędowe gniazdo:

Wszystkie w/w złącza należy lutować od strony bottom.

Płytka ma 24 przelotki, które należy oczywiście wlutować:

Rozmieszczenie tranzystorów na PCB

Rozmieszczenie tranzystorów nie jest przypadkowe. Są one rozmieszczone po łuku z dwóch powodów:

1. odprowadzanie ciepła z tranzystorów,
2. symulowanie ruchu obrotowego silnika (kolejno zapalające się diody LED.

Zastosowane tranzystory MOSFET należą do bardzo dobrych tranzystorów o dość niskiej rezystancji pomiędzy źródłem i drenem (RDS) wynoszących ułamek Ohma. Dzięki temu ilość wydzielanego ciepła w trakcie przewodzenia jest niewielka. Jako kluczy dolnych użyłem tranzystory IRFU120N, które mają rezystancję RDS na poziomie:

Skoro RDS = 0,21Ω, to policzmy jaka ilość ciepła wydzieli się na tranzystorze przy maksymalnym ciągłym prądzie jaki można osiągnąć:

liczymy:

Zauważ, że pomimo iż RDS jest na niskim poziomie, to moc wydzielona (w postaci ciepła) wynosi ponad 18 watów. Wprawdzie dla tranzystora to nie jest problemem ponieważ może on wytrzymać nawet:

48 watów, ale pod warunkiem, że ciepło to będzie z niego odprowadzane.

W naszym przypadku (silnik dysku twardego) oczywiście nie będziemy osiągali tak dużych prądów no chyba, że podłączysz jakiś spory silnik.

Ponieważ zastosowałem tranzystory w obudowie D-PAK (TO-252AA) bez radiatorów musiałem jednak uwzględnić fakt, że nawet przy małych silnikach BLDC z dysków twardych, których zapotrzebowanie prądowe jest niewielkie może nastąpić sytuacja, w której tranzystory będą się grzać z powodów:

• zbyt dużej częstotliwości PWM w stosunku do możliwości niniejszego drajwera,
• błędów sterowania powodujące zwarcie w parze kluczy jednej fazy.

O ile ten drugi przypadek i tak spowoduje gwałtowny przyrost temperatury, aż do uszkodzenia tranzystorów włącznie, o tyle pierwszy przypadek jest dla nas istotniejszy i możesz się z nim spotkać podczas swoich prób. Chodzi o to, że zbyt duża częstotliwość PWM może powodować, iż wypadkowa rezystancja RDS będzie znacznie większa niż deklarowane 0,21Ω, a to oznacza generowanie ciepła.

Wypadkowa rezystancja RDS - co to takiego?

Tranzystor MOSFET można traktować w uproszczeniu jak sterowany rezystor. Jeżeli tranzystor się włącza, to przechodzi od stanu gdzie RDS jest baaaardzo duże (tranzystor nie przewodzi) do stanu gdzie RDS wynosi 0,21Ω. Jak każdy tranzystor także i zastosowane tutaj MOSFET-y są jednak nieidealnymi elementami analogowymi. Dlatego też podczas załączania lub wyłączania tranzystora rezystancja RDS przechodzi przez stany pośrednie.

Jeżeli PWM ma niską częstotliwość, to większość czasu tranzystor spędza będąc otwartym (przewodzi) lub zamkniętym (nie przewodzi). Dlatego wypadkowa rezystancja jest bliska wartości minimalnej lub maksymalnej.

Ale gdy częstotliwość sygnału PWM jest duża, to tranzystor bardzo często jest przełączany, czyli dużo czasu spędza w stanach pośredniej rezystancji czego skutkiem jest, iż wypadkowa rezystancja jest większa niż deklarowane 0,21Ω.

Szybkość przełączenia tranzystora zależna jest od szybkości operowania jego bramką. Bramka ma swoją pojemność (ładunek), który należy naładować (włączanie) lub rozładować (wyłączanie). By tranzystor przebywał w stanach pośrednich jak najkrócej musimy skracać czas ładowania i rozładowania bramki. Aby to zrobić należy sterować bramką za pomocą odpowiednio wydajnych prądowo elementów jak np drajwery MOSFET, które potrafią sterować bramką prądami rzędu kilku amperów (!!!).

W powyższym drajwerze nie zastosowałem jednak takich drajwerów. W przypadku tranzystora dolnego bramką bezpośrednio steruje mikrokontroler, który ma bardzo ograniczone możliwości prądowe pinu (np. tylko 20mA, a czasami zaledwie kilka) dlatego też sygnał PWM nie powinien być na niego podawany.

W przypadku tranzystora górnego, zastosowałem tranzystor NPN pracujący jako level-shifter (podnosi poziom sterujący bramką tranzystora górnego do poziomu 12V). Przy okazji tranzystor ten stanowi drajwer bramki tranzystora MOSFET, dzięki czemu sygnał PWM powinniśmy podawać właśnie na tranzystory górne.

Policzmy więc jaka moc wydzieli się na tranzystorze, gdy wypadkowa wartość rezystancji wynosić będzie na przykład 0,5Ω:

Dlatego też podczas projektowania drajwera z tranzystorami SMD należy użyć laminat jako radiator odprowadzający ciepło.

W datasheet znajdziesz w tym zakresie odpowiednie parametry:

a ich wykorzystanie szczegółowo omówiłem w artykule o regulatorach napięcia: Regulatory napięcia vs wydzielane ciepło, czyli: Grzeje się!

Uzupełnieniem powyższej informacji jest notka pod tabelką (dwie gwiazdki):

która mówi, że parametr Junction-to-ambient (PCB mount) podany jest dla przypadku użycia laminatu typu FR-4 (standardowy laminat) i powierzchni odprowadzającej ciepło o rozmiarze jednego cala kwadratowego, czyli około 6,5cm².

Informacja mówi także o tym, że w celu poznania szczegółów powinniśmy zerknąć do noty aplikacyjnej nr AN-994. Zerkamy więc i znajdujemy w niej wiele informacji, w tym także pokazany footprint, czyli jak rozumiany jest jeden cal kwadratowy:

Do pobrania: AN-994.pdf (kopia)


Jakiej wielkości powinna być płytka PCB?

Dla przypadku wykorzystania tranzystorów z maksymalnym prądem 9,4A powinienem zapewnić im płytkę wielkości:

Nie chciałem jednak stosować odpowiednio wielkiej płytki (zgodnie z powyższymi wytycznymi) ponieważ jak już wspomniałem driver ten był projektowany w celach edukacyjnych. Dlatego podjąłem dwie decyzje dot. umiejscowienia tranzystorów na PCB:

• wszystkie tranzystory z jednej strony PCB,
• rozmieszczenie w miarę możliwości daleko od siebie,
• zachowanie łuku w celach obserwacji diod LED.

Wymiary płytki to 58,5mm 44,5mm, czyli zaledwie 26cm², a tranzystory nie są na niej równomiernie rozłożone. Jest to pewien kompromis pomiędzy wielkością płytki i przeznaczeniem edukacyjnym drajwera.

Innymi słowy zastosowane tranzystory nie będą mogły pracować z pełnymi swoimi możliwościami prądowymi, bo po prostu się przegrzeją i samoistnie odlutują, co może się skończyć ich spłynięciem jeżeli płytka będzie zamontowana w pionie, a konsekwencje mogą być poważne do zwarcia włącznie.

Jeżeli nie spłyną, to mogą także ulec uszkodzeniu z powodu zbyt małej powierzchni odprowadzającej ciepło.

Zaletą takiego nadmiarowego (silne tranzystory) podejścia do edukacyjnego celu projektu drajwera jest jeszcze fakt, że mając większe tranzystory niż możliwości odprowadzania ciepła przez płytkę PCB nie musimy się obawiać o ewentualne ich uszkodzenie, gdy zatrzymamy silnik przy jego pełnym wysterowaniu, ... ale w zamian musimy bać się o silnik :-)


Tryby pracy drajwera

Drajwer może pracować w dwóch trybach:

1. tryb testowy - rozłączone tranzystory górne od dolnych,
2. tryb pracy - tranzystory górne i dolne połączone.

Na płytce PCB zaprojektowałem trzy miejsca, w których łączy się i rozłącza tranzystory faz:

Sugeruję przylutować te jumpery z obu stron płytki,
ale na pewno muszą być przylutowane od strony TOP.

W tym miejscu zaprojektowałem po cztery otwory w rastrze 2,54mm po to, by można było albo wlutować przewody, albo wykorzystać dwurzędowe goldpiny. Ja wykorzystuję to drugie rozwiązanie:

Po wlutowaniu z dwóch stron można usunąć
plastikowy fragment.

co pozwala mi wpiąć silnik za pomocą:

i użyć zworek do połączenia tranzystorów górnych i dolnych:

Tryb testowy

Tryb ten, to rozłączone tranzystory górne od dolnych (usunięte zworki) oraz odłączony silnik. Tryb ten pozwala obserwować pracę programu na diodach LED każdego tranzystora. 

W ten sposób bez zbędnego ryzyka możesz dopracować swój program, w taki sposób, by nie spowodował jednoczesnego otwarcia obu tranzystorów jednej fazy (górnego i dolnego).

Tryb pracy

W tym trybie zworki są założone, a silnik podpięty do odpowiednich faz:

Testujemy drajwer

Aby przetestować drajwer usuń jumpery rozłączając tranzystory oraz nie podłączaj silnika. Możesz użyć poniższego programu (pliki bldc.h i bldc.c znajdziesz w załączniku):

/*

Sterownik silnika BLDC - Test drajwera

Częstotliwość F_CPU: dowolna (ustaw w opcjach projektu)

Szczegóły: http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/03/Silnik-BLDC-driver-drajwer-schemat-plytka-pcb.html

luty 2014 Dondu

*/


#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include "bldc.h" //pliki bldc.h oraz bldc.c znajdziesz w załączniku do artykułu


int main (void) 
{

 //ustaw stan początkowy wyjść sterujących tranzystorami
 U_TR_G_USTAW_DDR
 V_TR_G_USTAW_DDR
 W_TR_G_USTAW_DDR
 U_TR_D_USTAW_DDR
 V_TR_D_USTAW_DDR
 W_TR_D_USTAW_DDR
 U_TR_G_PIN_L
 V_TR_G_PIN_L
 W_TR_G_PIN_L
 U_TR_D_PIN_L
 V_TR_D_PIN_L
 W_TR_D_PIN_L


 //na wszelki wypadek
 WYLACZ_TRANZYSTORY


 //pętla główna
 while(1){
 
  //faza U tranzystor górny
  U_TR_G_ON;
  _delay_ms(150);
  U_TR_G_OFF;

  //faza U tranzystor dolny
  U_TR_D_ON;
  _delay_ms(150);
  U_TR_D_OFF;

  //faza V tranzystor górny
  V_TR_G_ON;
  _delay_ms(150);
  V_TR_G_OFF;

  //faza V tranzystor dolny
  V_TR_D_ON;
  _delay_ms(150);
  V_TR_D_OFF;

  //faza W tranzystor górny
  W_TR_G_ON;
  _delay_ms(150);
  W_TR_G_OFF;

  //faza W tranzystor dolny
  W_TR_D_ON;
  _delay_ms(150);
  W_TR_D_OFF; 
 
 }; 

}

Do pobrania kompletny projekt AVR Studio 4.18: BLDC-06.zip (kopia)


Podłączamy silnik

Jeżeli wykonałeś poprawnie drajwer, to pozostaje Ci go przetestować na jakimś silniku BLDC. Wykorzystać do tego możesz program i schemat części dot. mikrokontrolera z artykułu: BLDC - Sterownik: Sterowanie z wykorzystaniem Back-EMF



Efekt pracy drajwera

Na filmie zobaczysz efekt trybu testowego oraz pracy z silnikiem:





Życzę przyjemnej zabawy z silnikami BLDC :-)