Mostek H - pobierany przez silnik prąd

[Imilek]

Cześć. 
Chciałbym Was poprosić o pomoc w wyjaśnieniu pewnej kwestii. Niestety nie udało mi się znaleźć odpowiedzi na nurtujące mnie pytanie (mam nadzieję, że dobrze szukałem). Otóż chciałbym sterować za pomocą STM32 dwoma silnikami prądu stałego z przekładnią. Silnik bez obciążenia ma pobierać 70mA, natomiast przy zatrzymanym wale, prąd wyniesie aż 1600mA. Zakładam, że może się zdarzyć iż wał zostanie zatrzymany, no i właśnie tutaj rodzą się moje pytania.

1- Czy w takim wypadku silnik będzie pobierał te 1,6A? Czy też sterowanie za pomocą PWM ograniczy mi ten prąd do pewnej przewidywalnej wartości? 

2- Czy i w jaki sposób można jakoś zabezpieczyć układ przed przepływem tak dużego prądu (nie chciałbym tego robić za pomocą bezpieczników szklanych, gdyż zakładam, że zatrzymanie wału może zdarzać się dość często)?

3- Co wówczas (przy przepływie prądu 1,6A) stanie się z mikrokontrolerem- czy zwiększy się prąd otwierający tranzystory w mostku?  

Wybaczcie, dla Was pewnie tak banalne pytania, ale niestety nie umiem zrozumieć zasady działania takiego układu, kiedy w silniku z powodu obciążenia zwiększa się zapotrzebowanie na prąd.  

[deshipu]

1. Silnik będzie próbował pobrać te 1.6A, ale jeśli zastosujesz sterownik silników z ograniczeniem prądowym, to ten zmniejszy napięcie tak, aby pobierany prąd mieścił się w ustawionych granicach (właśnie za pomocą PWM najczęściej). Są też takie, które po prostu odetną w takim przypadku zasilanie.

2. Jest wiele sposobów, od wspomnianego wyżej sterownika, poprzez polyfuse, aż do bardziej zaawansowanych dedykowanych układów.

3. Dopóki mostek nie zostanie uszkodzony w jakiś wyjątkowo niefortunny sposób, to z mikrokontrolerem nie powinno się nic złego stać. Natomiast mostek zacznie się grzać i w zależności od modelu albo się w końcu spali, albo wyłączy, albo ograniczy prąd.

[marek1707]

No jednak typowe mostki dla silników DC nie mają wbudowanych takich aktywnych ograniczeń prądu. Mają pomiary i te można wykorzystać do informaowania procesora o stanie silnika, ale ograniczenia lub wyłączanie? No nie wiem.. Te do krokowych mają to z definicji, ale to nie ten przypadek.

Mostek nie przepuszcza sygnałów wstecz więc na wejściu nie widać, że silnik bierze tyle lub tyle prądu. Natomiast jeśli doprowadzisz do termicznego zniszczenia chipu, to wtedy może wydarzyć się wszystko i np. wysokie napięcie zasilania silnika może wjechać do procesora. Na to zwykle pomagają rezystory szeregowe, ale Ty staraj się jednak nie dopuścić do przegrzania. Najprościej - jeśli masz miejsce i budżet - jest po prostu użyć mostek wytrzymujący np. 200% pełnego obciążenia. Scalaki w okolicach 3A nie są przecież jakimś wyczynem. Do tego pomiar prądu lub obrotów silnika i masz sprżężenie zwrotne od wyjścia. Procesor może zdjąć PWM gdy zauważy, że albo prąd wzrósł za bardzo albo obroty nie odpowiadają tym przewidywanym dla danego wysterowania. To typowe rozwiązanie w układach napędowych.

[deshipu]

1 godzinę temu, marek1707 napisał:

No nie wiem.. Te do krokowych mają to z definicji, ale to nie ten przypadek.

Jest parę takich, które działają i do krokowych i do szczotkowych i te właśnie pamiętałem.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Treker (Damian Szymański)]

1 godzinę temu, deshipu napisał:

Jest parę takich, które działają i do krokowych i do szczotkowych i te właśnie pamiętałem.

Możesz z ciekawości podać jakiś konkretny symbol? Wiem, że "można znaleźć", ale chętnie od razu zobaczyłbym coś sprawdzonego, bo też nie kojarzę takich mostków (albo nie zwróciłem uwagi na tę funkcję).

[marek1707]

Wydaje mi się, że do kategorii o której myślał deshipu należy np. popularny L298. To dwa mostki H z pomiarem prądu więc w swojej podstawowej konfiguracji jest to dwukierunkowy driver dwóch silników DC. Po uzupełnieniu o dodatkowy układ L297 (także od ST) zestaw staje się driverem silnika krokowego ze stabilizacją prądu - taki tandem jest nawet opisany w dokumentacji L298. Niestety nie mamy wtedy możliwości pracy z silnikiem DC, bo jako wejścia mamy STEP i DIR a więc typowy interfejs dla krokowego. Oczywiście można scalak L298 (jak i podobne z pomiarem prądu) wyposażyć w zewnętrzny obwód ograniczania lub nawet wyłączania prądu, ale funkcja taka nie jest to wbudowana w chip - trzeba dospawać komparatory i jakieś brameczki.

Proponowałbym przyjrzeć się układom ST serii L620x, w szczególności L6201PS lub 6203. One także mają wyprowadzenie dla opornika pomiarowego, są zrobione już na MOSFETach więc mają dużo lepsze sprawności niż prehistoryczny, bipolarny L298 no i wytrzymują do 4A:

https://www.tme.eu/pl/details/l6201ps/drivery-silnikowe-i-pwm/st-microelectronics/

Często ich używam w różnych maszynkach więc mogę polecić.

Do tych mostków ST robi specjalny układ pomocniczy L6505, służący właśnie do stabilizacji prądu silnika DC:

https://www.tme.eu/pl/details/l6506d/drivery-silnikowe-i-pwm/st-microelectronics/

Po połączeniu z L620x dostajemy driver z analogowym wejściem napięciowym, którym zadajemy prąd silnika. Ponieważ w silnikach DC prąd to moment obrotowy, to mamy chyba to o co chodziło na początku: sterownik odporny z definicji na wszelkie zwarcia czy zatrzymania. Przez silnik płynie dokładnie tyle prądu ile chcemy.

[Imilek]

Dziękuję za wyjaśnienia! 
Niestety ten mostek jest dla mnie zdecydowanie zbyt drogi, muszę sterować 6 silnikami, a z racji studenckiego budżetu, chciałbym to zrobić nieco taniej. Zakładam, że silniki będą miały enkodery, także w razie zatrzymania wału, będę mógł to wykryć, jednak domyślam się, że przy dużych oporach ruchu- jak prędkość obrotowa wału będzie niewielka, to wówczas prąd i tak będzie stosunkowo pokaźny, dlatego wolałbym wybrać mostek H o lepszych parametrach. 

Poszukałem trochę i bardzo zainteresowały mnie następujące propozycje (którą z nich byście wybrali, ewentualnie, jaką sami polecacie):

1- https://pl.farnell.com/diodes-inc/zxmhc6a07t8ta/mosfet-bridge-sm8/dp/7565020?st=mostek H

2- https://pl.farnell.com/texas-instruments/drv8837dsgr/motor-driver-dc-brushed-1-8a-wson/dp/2764797?st=sterownik silnika dc

3- https://www.tme.eu/pl/details/a3950slptr-t/drivery-silnikowe-i-pwm/allegro-microsystems/

 4- TB6612FNG (ten mi się najbardziej podoba, ze względu na wiele "dodatkowych" wbudowanych funkcji).

W przypadku pierwszego nie rozumiem jednak wartości jego rezystancji przewodzenia. W innych układach scalonych wykorzystujących MOSFET'y te wartości są zdecydowanie niższe. 

W przypadku 4 opcji, czy uważacie, że przy zastosowaniu enkodera wartość 1,2A będzie wystarczająca? Czy też lepiej zrobić tak, że silnik będzie sterowany z jednego mostka H (złączyłbym ze sobą odpowiednie piny układu scalonego).

Serdecznie dziękuję Wam za poświęcany czas 🙂

 

[marek1707]

Szczerze mówiąc to zwykła przyzwoitość nakazuje, by mostek spełniał przynajmniej wymaganie na prąd zwarciowy silnika. Po pierwsze i tak popłynie on po włączeniu napędu (przecież silnik stoi) chyba że od razu zaimplementujesz jakiś slow start a po drugie w czasie eksperymentów nie zawsze i nie od razu działa pełna pętla sprzężenia zwrotnego. A nawet i ją musisz jakoś uruchomić a więc sprowokować warunki w których prąd może osiagnąć wartość stall current. Nie wiem na co liczysz szukając wśród scalaków choćby teoretycznie niewystarczających to wytrzymania takiego pradu. Co więcej, przecież te wypisywane na pierwszej stronie datasheet liczby to absolutne maksima spełnialne tylko w warunkach idealnego chłodzenia. Nie wiem jak tam u Ciebie z projektowaniem PCB, ale wszystkie te drivery w małych obudowach QFN czy SO jakie widzisz mają pod spodem brzuszki z wymaganiem przelotek na tym polu. Tego nie zmontujesz (i nie wylutujesz po awarii) lutownicą. W przypadku QFN lub DFN to sprowadza się do wielu otworków 0.4 lub mniejszych a to ciągnie w górę koszt wykonania. Dookoła tego musi być odsłonięta miedż po jednej i drugiej stronie a najlepiej min 4 warstwy w tym power/ground plane. Gospodarka ciepłem na PCB to rzecz na której bardzo łatwo się przejechać. Szczególnie gdy projekt jest studencki i nie masz za sobą co najmniej kilku płytek mocy doprowadzonych do fazy przetestowanego termicznie i obciążeniowo prototypu. To ładnie wygląda tylko na papierze, no, może jeszcze ekranie komputera.

Ten pierwszy to gołe 4 tranzystory - bez drivera bramek jest bezużyteczny. Czym będziesz to sterował? Normalny, pełny mostek ma wewnętrzne rozsuwanie sygnałów (czasy martwe) i zabezpieczenia przez włączeniem wszystkiego na raz. Nie każde złoto co się świeci.

Jeśli już chcesz tak ściubolić i jechać po kosztach, to na Twoim miejscu wziąłbym 6612 jako driver pojedynczego silnika - o jakich dodatkowych funkcjach myślisz? Zrób mu szerokie i bardzo krótkie podejście miedzią (min. 35um) do wszystkch pinów PGND albo kup gotowy moduł na tym:

https://botland.com.pl/pl/sterowniki-silnikow-moduly/32-pololu-tb6612fng-dwukanalowy-sterownik-silnikow-135v1a.html

i postaw w przewiewnym miejscu tej Twojej konstrukcji. Zdradzisz co to za projekt?

-----------------------

EDIT: A może nie wszystkie silniki muszą być sterowane dwukierunkowo? Wtedy driver sprowadza się do tranzystora a ten możesz mieć prawie dowolnie dobry za grosze.

Edytowano Grudzień 29, 2018 przez marek1707

[Imilek]

Silniki muszą być sterowane dwukierunkowo, dlatego właśnie szukam takiego rozwiązania. Skoro ten mostek TB6612 miałby służyć jako sterownik jednego silnika, to rozważę zakup tego rozwiązania polecanego przez Ciebie (od ST), cena wówczas niewiele wzrośnie, a rozwiązanie bardziej korzystne pod względem parametrów i rozmiarów. Teraz tylko miałbym pytanko odnośnie układu L6505. Mianowicie, dysponuje on 4 kanałami, to oznacza, że mogę za jego pomocą sterować dwoma takimi mostkami (4 sterowane silniki DC)?

Teraz słowo odnośnie projektu. To jest moja praca magisterska i w związku z nią chciałem wykonać protezę dłoni sterowaną sygnałami EMG. Nie mam zbyt dużego doświadczenia w projektowaniu PCB, ale liczę, że sobie poradzę. Chcę na to poświęcić sporo czasu i w miarę moich umiejętności dopracować to urządzenie.  

[marek1707]

To nie rozumiem po co Ci w ogóle silniki i całe to sterowanie. Przecież do zrobienia ruchów dłoni będziesz potrzebował przełożeń rzędu 1:1000 a to już jest jakaś nietrywialna mechanika. Użyj serwomechanizmów - masz proste sterowanie pozycją za pomocą szerokości impulsów, jeden pin procesora na jeden napęd, wbudowane wysokie przełożenia, prędkość kątową rzędu 60-120 stopni na sekundę, gotowe orczyki lub tarcze w komplecie zamieniające ruch obrotowy na liniowy, gotowe bowdeny modelarskie jako cięgła-popychacze, dowolną rozpiętość wielkości, momentów, cen, jakości, interfejsów itd itp.

 

[Imilek]

W małych silniczkach DC mam już dostępne przekładnie o dużych przełożeniach. Do tego na wyjściu tego zespołu dodałbym przekładnię śrubową albo przekładnię ślimakową i wówczas uzyskam tak duże przełożenie. Nie chcę korzystać z już utartego schematu. Poza tym w zastosowaniach medycznych nie spotkałem się, aby używano serw. Chcę zrobić projekt, dzięki któremu dużo się nauczę i będę mógł rozważyć różne opcje konstrukcji. 

EDIT:

Poza tym przy dużych obciążeniach palców, wspomniane przeze mnie przekładnie zapewniają to, że "palec się nie ruszy", bo są samohamowne. W przypadku serwa popychacz może się wygiąć lub samo serwo może mieć za mały moment trzymający. Głównie dlatego zdecydowałem się na to rozwiązanie z silnikami. 

Edytowano Grudzień 30, 2018 przez Imilek

[SOYER]

18 minut temu, marek1707 napisał:

gotowe orczyki lub tarcze w komplecie zamieniające ruch obrotowy na liniowy

sorry za wcięcie, marek1707 daj jakiegoś linka do tych machanizmów. Ostatnio szukałem to nie wiedziałem nawet co wpisać w wyszukiwarce... 

Edytowano Grudzień 30, 2018 przez SOYER

[Imilek]

Ja zwykle kupowałem w tym sklepie:

https://abc-rc.pl/search.php?text=serwo+orczyk

https://abc-rc.pl/search.php?text=mocowanie+bowdena

 

[marek1707]

Ok, rozumiem i szanuję Twoje założenia. Zwykle z takie projekty powstają w niedoczasie i przy ogromie nieprzewidywalnych problemów więc założyłem, że powinieneś się pozbywać się ich jak najwięcej na wstępie. Jeśli wiesz co robisz, tylko przyklasnąć. W tym przypadku sterowanie prądowe będzie moim zdaniem dobrym pomysłem, bo jednoznacznie określa siłę nacisku w zatrzymaniu a to chyba kluczowe dla chwytów. Z drugiej strony przekładnia samohamowna nie odpuści gdy będziesz chciał poluzować uścisk a to źle. Normalnie wystarczyłoby dać mniejszy prąd a siłą zewnętrzna rozchyliłaby palec. Tutaj musisz odkręcić silnik wstecz co zupełnie nie jest oczywiste, bo nie wiadomo o ile a całość bazuje na sztywności mechaniki i ew. gąbek na palcach. Przemyśl to jeszcze raz. Bez regulacji siły (poprzez moment) będziesz musiał użyć czujników siły na końcach palców. Bez tego taka proteza będzie tylko kolejną zabawką jakich wiele na pokazach robotów w konkurencji free-style.

L6506 to taka 4-kanałowa bramka wstawiana między procesor a driver mocy. Jeżeli masz tam na końcu dwa mostki H, każdy sterowany dwoma sygnałami to mając możliwość bramkowania 4 torów regulujesz prąd niezależnie w dwóch mostkach/silnikach. Zauważ, że w L6506 są dwa komparatory do stabilizacji prądu na dwóch opornikach pomiarowych, dwa wejścia analogowe i dwa komplety bramek AND. W tym trybie każdy mostek H dostaje dwa alternatywne sygnały: "w lewo" i "w prawo". Każdy z nich może być statyczny 0-1 i wtedy masz tylko 0-100% albo mogą to być dwa PWMy generowane przez procesor i wtedy masz dwukierunkową regulację analogową. Dodatkowo na każdy tor/mostek potrzebujesz jeszcze napięcie wyznaczające poziom ograniczania prądu poniżej którego bramka L6506 nie blokuje sygnałów dla danego mostka.

[Imilek]

Co do układu, to wydaje mi się, że rozumiem. Postaram się w najbliższym czasie pojąć jak to powinno wyglądać. 

Jeżeli chodzi o projekt to chciałem tak zrobić żeby na każdym z palców był czujnik siły nacisku. Z tego co wyczytałem, maksymalna siła ścisku dłoni wynosi około 350N i to byłoby moje założenie konstrukcyjne. Czy polecacie jakieś miejsca gdzie mogę nabyć czujniki siły nacisku, ale pracujące do 10kg? 

No i chciałem się przy okazji zapytać o radę. Chciałem uzależnić siłę ścisku dłoni od sygnału z mięśnia, ale tylko wtedy gdy czujniki wykryją obecność przedmiotu, natomiast kiedy w dłoni nic się nie znajduje, wówczas napięcie mięśnia sterowałoby pozycją palców. Czy uważasz, że to dobry pomysł?