Robot typu FTL. Prośba o sprawdzenie schematu + kilka pytań z nim związanych

[Zby15]

Witam serdecznie!

Trochę głupio pisać mi w dziale "Zupełnie Zieloni", bo niby coś tam umiem, ale jeszcze kilka projektów muszę zrealizować zanim nabiorę wiary w moją radosną twórczość.

Poza tym liczę na konstruktywną krytykę, co pozwoli mi się zwyczajnie nauczyć nowych rzeczy.

Tak więc z góry dziękuję chętnym za pomoc.

Płytka główna:

Płytka z czujnikami:

Pytania:

1. Zastanawia mnie szczególnie dobór elementów przy przetwornicy. Pierwszy raz pracuję z tym układem, a informacje z DS typu "dla dużej pojemności układu..." itp. (ile to jest duża pojemność i jak ją szacować?) nie do końca rozwiały wątpliwości.

2. Dodatkowo założyłem sobie, że zasilać logikę będę napięciem U=3,3V. Zgodnie z DS'ami poszczególnych układów jest to oczywiście możliwe, ale zastanawiam się, czy wartości elementów zewnętrznych nie powinny być w związku z tym zmodyfikowane i czy nie będzie problemu z KTIR?

Takich informacji nie znalazłem, ale przykładowe aplikacje zwykle są robione na 5V stąd to ziarno niepewności

3. Ostatnia sprawa to zabezpieczenie przetwornicy. Czy ten MOSFET nie lepiej podłączyć za nią? Bo czy nie zaszkodzi jej gdy np. podłączę programator i napięciem z USB zasilę układ?

[Treker (Damian Szymański)]

Projektowanie zasilania z przetwornicy jest dość trudne, tak jak wspomniałeś ważne są nawet pojemności ścieżek i ich ułożenie. Nie lepiej zastosować gotowy moduł, np.: od Pololu?

Zgodnie z DS'ami poszczególnych układów jest to oczywiście możliwe, ale zastanawiam się, czy wartości elementów zewnętrznych nie powinny być w związku z tym zmodyfikowane i czy nie będzie problemu z KTIR?

Nie powinno być problemów, używałem KTIRy z 3.3V i działały dobrze.

[Zby15]

Projektowanie zasilania z przetwornicy jest dość trudne, tak jak wspomniałeś ważne są nawet pojemności ścieżek i ich ułożenie. Nie lepiej zastosować gotowy moduł, np.: od Pololu?

Na pewno lepiej, gdyby nie fakt, że chcę się nauczyć 🙂

Jedną przetwornicę na MC34063 już montowałem i nawet działała 😋 , ale tamten DS był bogaty w konkretne wzorki, a tutaj jest dużo rzeczy "na oko" i nie jestem w 100% pewny poprawności.

Jak nikt nic nie doradzi to chyba zmontuję sobie część z przetwornicą i potestuję przy LiPolu i różnych obciążeniach i prądach.

[torcek]

Pin ENABLE oraz Vin_A powinny być podpięte do zasilania. Jeżeli na pinie ENABLE będzie stan niski to przetwornica będzie wyłączona. To jest jedna z tych przetwornic "easy-to-use", więc nie powinno być z nią większych problemów -o ile dobrze dobierzesz rezystancje.

Przy microswitchach można by dodać filtr RC, albo chociaż kondensator żeby zrobić debouncing po stronie sprzętowej i nie musieć się tym zajmować później w programie 🙂

PS. czy nie powinno być rezystora (ze 100k) pomiędzy MOSFETem a GND?

[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

[marek1707]

A to jeszcze i moje trzy grosze (choć wyszło 17):

1. Ta przetwornica ma dwa piny na które chce dostać napięcie wejściowe: wejście klucza Vin_SW - skąd pobiera moc przekazywaną na wyjście i Vin_A z którego zasila swoje układy wewnętrzne. Oba wyprowadzenia muszą być podpięte do zasilania. O Enable już Kolega pisał.

2. Przy tej częstotliwości przełączania jaką prezentuje ST1S10 nie musisz stosować tak dużych pojemności wyjściowych. Nie widzę tu układu który ciągnąłby z szyny 3.3V silne i szybkie szpilki prądu a z tym co jest teraz podpięte wystarczą katalogowe 2x22uF i może z jeden 100uF. Te pierwsze muszą być bardzo szybkie, koniecznie ceramiczne SMD. Oczywiście może to być 4x10uF lub coś koło tego. Elektrolit tez nie jakiś tam zwykły kapeć, tylko coś z grupy low ESR bo sugerowana przez ST rezystancja szeregowa < 100mΩ to naprawdę niewiele. To samo z dławikiem. 10uH na ten sam prąd będzie dużo większy niż 2.2-3.3uH więc po co taki wstawiać, skoro wystarczy mniejszy? Z mniejszą indukcyjnością poprawią się też własności dynamiczne przetwornicy.

3. Nie widzę nigdzie "wejścia" do szyny Vaku, więc nie wiadomo skąd pobierasz moc dla silników. Mogę się domyślać, ale schemat jest po to by nie trzeba było tego robić.

4. Nie wiem jakie silniki chcesz podłączyć, ale wraz z opadaniem napięcia zasilania pogarszają się zwykle warunki pracy MOSFETów w mostkach. Ten tutaj jest rzeczywiście specyfikowany do 3V ale zauważ, że w tabelce opisującej jego możliwości przy 3V najważniejszy wiersz opisujący pracę stopnia wyjściowego tj. "Output Saturating Voltage" jest zmierzony wyjątkowo dla 5V. Być może niżej nie ma się czym chwalić a nawet przy tych 5V napięcie nasycenia wyjścia przy 1A to 0.5V czyli 0.5W w ciepło. Przy 3V będzie tylko gorzej. Przemyśl to i zaplanuj co najmniej z 5cm² miedzi pod i wokół każdego mostka podłączonej szerokimi ścieżkami do 4 wyprowadzeń PGND.

5. Komparatory - ten temat wraca jak bumerang. Producent gwarantuje działanie 339 do 2V ale jednocześnie zaznacza, że zakres napięć wejściowych wynosi od 0 do Vcc-1.5V a to przy 3.3V daje Ci tylko 1.8V ruchu na wejściu. Ponieważ nigdzie nie jest napisane co układ robi gdy wejście wchodzi w zakres zabroniony nie powinieneś na to pozwalać. Dotyczy to oczywiście potencjometru rozpiętego między szyną 3.3V a GND no i czujników. Linię "Potencjometr" warto zablokować jakąś pojemnością. Nie chcesz przecież, by dostawały się na nią zakłócenia z zasilania. No i pomyśl o histerezie.

6. Zaskakująco wygląda numeracja pinów złącza programatora J6. Jeżeli model PCB ma ją zrobioną typowo (czyli lewo-prawo a nie od góry do dołu) to sygnały na złączu nie będą pasowały do wtyczek programatorów w standardzie KANDA.

7. Na złączu FFC postawiłbym raczej na masę to znaczy 3xGND + 1x3.3V lub chociaż po równo. Wysyłanie przez 3 piny zasilania podczas gdy po masie wraca cały prąd i to względem niej masz wszystkie sygnały wyjściowe nie jest dobrym pomysłem.

8. Ostatni komparator mógłbyś wykorzystać do sprawdzania napięcia akumulatora. Oczywiście użyty ADC daje większe możliwości, ale komparator daje prostszy sygnał łatwo rozpoznawalny przez procesor, działa od razu (nie trzeba go programować) no i samodzielnie może zapalić specjalną czerwoną diodkę co może przydać się na początku, gdy wiele funkcji programowych jeszcze nie działa.

9. Nie wiem jakiego VREF będziesz używał, ale obecny dzielnik R41/R42 jest zbyt zachowawczy dla VREF=3.3V i tracisz prawie połowę zakresu przetwornika. Aku nie wyskoczy ponad 8.4V a wtedy na VakuADC dostajesz tylko 2V. No i brakuje blokowania tej linii pojemnością do masy. 100nF-1uF wystarczy. Przy całkowitym przejściu na komparator mógłbyś wywalić całą tę zabawę w odkłócanie zasilania ADC przez podłączenie AVCC wprost do 3.3V.

10. Oszczędzisz sporo mocy gdy połączysz diody IR w KTIRach szeregowo po dwie i przeliczysz ich oporniki (na których liczbie też wtedy oszczędzisz).

11. Niestety ten czujnik SHARPa może pracować od 4.5V w górę.

12. Wstawiłbym diodkę LED na zasilanie 3.3V - od razu będzie wiadomo, czy ew. problemy wynikają z trywialnego braku zasilania.

13. UART ma swoje etykiety, ale nie widzę nigdzie sposobu wykorzystania tych sygnałów.

14. Obecnie stosowane technologie umożliwiają całkiem niezłą kalibrację generatorów RC w procesorach więc stosowanie kwarcu 1MHz jest w takim robocie nieuzasadnione chyba, że w przyszłości planujesz rozkręcenie procesora powyżej 8MHz lub jakąś dziwną częstotliwość związaną z szybkimi transmisjami po UART np. 1.8432 lub 7.3728MHz.

15. Czasem nieocenione przysługi oddaje zwykły przycisk RESET podłączony wprost do wejścia procesora.

16. Akurat TSOP1236 ma już swój wewnętrzny opornik podciągający. W zapasie masz jeszcze opornik w procesorze. No i ten odbiornik IR pracuje tylko z 5V. Poszukaj takich na 3V.

17. Pomyśl nad jakąś osobną regulacją napięcia zasilającego diody IRED. Wtedy jednym ruchem ręki będziesz mógł zmieniać punkty pracy tranzystorów w czujnikach w zależności od oświetlenia, podłoża itp. Wtedy część cyfrową można opędzić jakimś tanim stabilizatorem liniowym LDO, bo prądu nie będzie tam więcej jak 50mA łącznie z kilkoma diodami LED a zestaw oświetlaczy napędzić np. z regulowanej przetwornicy impulsowej.

[Zby15]

Wielkie DZIĘKUJĘ za odzew!

Pin ENABLE oraz Vin_A powinny być podpięte do zasilania. Jeżeli na pinie ENABLE będzie stan niski to przetwornica będzie wyłączona.

PS. czy nie powinno być rezystora (ze 100k) pomiędzy MOSFETem a GND?

Piny były podpięte, ale chyba ścieżka gdzieś mi się zawieruszyła przy przenoszeniu 😋

Co do rezystora to przy użyciu tranzystora do sterowania jakimś sygnałem byłby wskazany ze względu na wewnętrzne pojemności, ale przy zwykłym zabezpieczeniu przed zmianą polaryzacji chyba nic nie daje. Poprawcie mnie jeżeli się mylę

2. (…) 10uH na ten sam prąd będzie dużo większy niż 2.2-3.3uH więc po co taki wstawiać, skoro wystarczy mniejszy? Z mniejszą indukcyjnością poprawią się też własności dynamiczne przetwornicy.

Przecież prąd tętnień jest odwrotnie proporcjonalny do indukcyjności. Na tak mały prąd jaki pobiera układ, stosując 3.3uH, prąd tętnień nie utrzyma się na zalecanym przez DS poziomie 20-40% prądu wyjściowego. Czy nie jest to sytuacja niekorzystna?

5. Komparatory - ten temat wraca jak bumerang. Producent gwarantuje działanie 339 do 2V ale jednocześnie zaznacza, że zakres napięć wejściowych wynosi od 0 do Vcc-1.5V a to przy 3.3V daje Ci tylko 1.8V ruchu na wejściu. Ponieważ nigdzie nie jest napisane co układ robi gdy wejście wchodzi w zakres zabroniony nie powinieneś na to pozwalać.

Niby w DS jest schemat, ale nie jestem dość biegły w elektronice analogowej, żeby dość co się stanie jak podłączę na wejścia więcej niż to Vcc-1.5V. Zaraz chyba zmontuję eksperyment na stykowej z ciekawości i sprawdzę 😉

6. Zaskakująco wygląda numeracja pinów złącza programatora J6. Jeżeli model PCB ma ją zrobioną typowo (czyli lewo-prawo a nie od góry do dołu) to sygnały na złączu nie będą pasowały do wtyczek programatorów w standardzie KANDA.

Domyślna biblioteka z CADa, ma właśnie piny gora-dół na modelu PCB.

7. Na złączu FFC postawiłbym raczej na masę to znaczy 3xGND + 1x3.3V lub chociaż po równo. Wysyłanie przez 3 piny zasilania podczas gdy po masie wraca cały prąd i to względem niej masz wszystkie sygnały wyjściowe nie jest dobrym pomysłem.

10. Oszczędzisz sporo mocy gdy połączysz diody IR w KTIRach szeregowo po dwie i przeliczysz ich oporniki (na których liczbie też wtedy oszczędzisz).

Cenne uwagi. Sam bym o tym nie pomyślał 😅

3. Nie widzę nigdzie "wejścia" do szyny Vaku, więc nie wiadomo skąd pobierasz moc dla silników. Mogę się domyślać, ale schemat jest po to by nie trzeba było tego robić.

(…)

13. UART ma swoje etykiety, ale nie widzę nigdzie sposobu wykorzystania tych sygnałów.

Tu zwyczajnie zapomniałem 😳

14. Obecnie stosowane technologie umożliwiają całkiem niezłą kalibrację generatorów RC w procesorach więc stosowanie kwarcu 1MHz jest w takim robocie nieuzasadnione chyba, że w przyszłości planujesz rozkręcenie procesora powyżej 8MHz lub jakąś dziwną częstotliwość związaną z szybkimi transmisjami po UART np. 1.8432 lub 7.3728MHz.

Robot nie jest nastawiony na wygrywanie zawodów. Ma mi dać możliwość nabycia kilku nowych umiejętności, a jakoś tak wyszło, że nigdy nie podłączałem zewnętrznego kwarcu. Niby pierdoła, ale chcę to zrobić, tak dla siebie.

4. Nie wiem jakie silniki chcesz podłączyć, ale wraz z opadaniem napięcia zasilania pogarszają się zwykle warunki pracy MOSFETów w mostkach.

(…)

11. Niestety ten czujnik SHARPa może pracować od 4.5V w górę.

(…)

No i ten odbiornik IR pracuje tylko z 5V. Poszukaj takich na 3V.

O MOSFETach też bym nie pomyślał sam z siebie…

A niedopatrzenie w przypadku SHARPa i TSOPa to chyba wynik nadmiernego pośpiechu :F

Chyba zdecyduję się na dodatkowy LDO 5V i nim zasilę Atmegę, LM339, SHARPa, TSOPa i mostki, a 3,3 pójdzie na KTIRy.

Wtedy na FFC dam 3.3V, 5V i 2xGND.

Dodam LEDy, Przycisk na RESET i coś na te nieszczęsne drgania styków.

Jeszcze raz bardzo dziękuję za Wasz cenny czas!

[marek1707]

Chyba zdecyduję się na dodatkowy LDO 5V i nim zasilę Atmegę, LM339, SHARPa, TSOPa i mostki, a 3,3 pójdzie na KTIRy.

W tej sytuacji (gdy przechodzisz na 5V) to ja bym w ogóle zrezygnował z przetwornicy impulsowej. Przy tak małej różnicy we-wy (min 1V przy aku 2S) LDO rzeczywiście opędzi procesor, odbiornik IR i czujnik odległości a prosty wtórnik lub lepiej Darlington npn sterowany z któregoś wyjścia PWM procesora (i zasilany wprost z baterii) mógłby napędzać diody IR w KTIRach. Łącząc je po dwie szeregowo i przeliczając oporniki na powiedzmy 20mA przy 3.0V, dysponowałbyś programową regulacją napięcia w granicach 0-3.5V co daje nawet szerszy niż potrzeba zakres prądów diod. Dodając jeszcze jakiś analogowy czujnik jasności otoczenia (ambient light sensor) i programową (kolejny PWM zamiast potencjometru) regulację napięcia odcięcia komparatorów miałbyś pełną kontrolę nad punktem pracy czujników i temat do zabawy na długie jesienne wieczory. Jeśli konstrukcja nie będzie wyczynowa (choć szczerze mówiąc nie widzę korelacji między szybkością zegara procesora a wygrywaniem zawodów) to - idąc tropem kwarcu włożonego na próbę - wstaw tu jak najwięcej rzeczy, które mogą w przyszłości się przydać. Im więcej takich (nawet nie do końca ogarniętych teraz) tematów, tym więcej fanu gdy już model będzie stał na stole i tym więcej stopni swobody w jego uruchamianiu, programowaniu i tuningowaniu. O straty mocy na linowym sterowaniu diod IR bym się nie martwił. Po pierwsze w czasie postoju procesor może je wyłączać i odpalać tylko na czas kalibracji np. na nieznanym podłożu a po drugie i tak największym pożeraczem energii będą silniki.

EDIT:

Jeszcze jedna uwaga: zasilanie komparatorów wprost z akumulatora jest sposobem na pozbycie się problemu ograniczonego zakresu napięć wejściowych. Przy 7-8V zasilania, 5V na wejściu nie będzie wychodziło poza rekomendowany zakres. Wyjścia i tak są typu otwarty kolektor, więc stan wysoki zależy od Ciebie.

Próbowanie na stole czy dany układ zachowuje się sensownie poza ograniczeniami narzuconymi przez producenta nie jest rozsądne. Taki czy inny wynik będzie oznaczał, że ten konkretny układ tak ma. Inny scalak tego samego typu ale wyprodukowany gdzie indziej lub nawet kiedy indziej może zachowywać się zupełnie inaczej. Czy napiszesz przy swoim schemacie "nie róbcie tego samego, bo zaprojektowałem to z przymrużeniem oka i nie u każdego to zadziała"? Brzmi głupio, prawda?

[Zby15]

EDIT:

Jeszcze jedna uwaga: zasilanie komparatorów wprost z akumulatora jest sposobem na pozbycie się problemu ograniczonego zakresu napięć wejściowych. Przy 7-8V zasilania, 5V na wejściu nie będzie wychodziło poza rekomendowany zakres. Wyjścia i tak są typu otwarty kolektor, więc stan wysoki zależy od Ciebie.

Próbowanie na stole czy dany układ zachowuje się sensownie poza ograniczeniami narzuconymi przez producenta nie jest rozsądne. Taki czy inny wynik będzie oznaczał, że ten konkretny układ tak ma. Inny scalak tego samego typu ale wyprodukowany gdzie indziej lub nawet kiedy indziej może zachowywać się zupełnie inaczej. Czy napiszesz przy swoim schemacie "nie róbcie tego samego, bo zaprojektowałem to z przymrużeniem oka i nie u każdego to zadziała"? Brzmi głupio, prawda?

Super pomysł z komparatorami! Jesteś moim idolem 😅

Co do komparatora, oczywiście nie miałem zamiaru stosować niedozwolonej konfiguracji w robocie! To raczej rodzaj takiej "dziecięcej" ciekawości.

Muszę trochę posiedzieć i przeanalizować wszystkie Twoje propozycje, bo sporo się ich zrobiło.

Jakbyś jeszcze mógł spróbować ustosunkować się do mojego pytania o pracę przetwornicy, a wartość indukcyjności, będę niezmiernie wdzięczy :->

[marek1707]

Oczywiście:

Znany warunek na dobieranie indukcyjności pod kątem przybliżonej wartości tętnień prądu na poziomie 30-40% prądu obciążenia dotyczy pracy przy obciążeniu maksymalnym danej przetwornicy. Wziął się on z optymalizacji wielkości/kosztu dławika dla przewidywanego jego prądu maksymalnego. Tzn. mając przetwornicę, którą obciążysz 1A dobierasz tak wielkość dławika żeby jeszcze przy 1.4A (1A+40%) się nie nasycał i wciąż miał zapas indukcji w rdzeniu. Jeżeli scalak przetwornicy pracuje na 500kHz i jest przeznaczony do stałych obciążeń 1A, to indukcyjność dławika dobierasz wg wielkości tętnień przy danej częstotliwości przełączania, a jego wielkość wg. prądu szczytowego. Dając w tych warunkach dwa razy większą indukcyjność zmniejszasz tętnienia 2 razy czyli prąd maksymalny dławika maleje do 1.2A (1A+20% - w sumie niewielka poprawa) a musisz mieć 1.41 raza więcej zwojów co wprost oznacza tyle razy większe straty na R cewki. Raczej wychodzi na minus.

Co się dzieje przy mniejszych obciążeniach? A to już zależy od typu sterowania wbudowanego w przetwornicę. Jest wiele algorytmów jakie producenci wbudowują w swoje układy, ale większość z nich ma na celu optymalizację sprawności i zakłóceń generowanych w trybie małego obciążenia. Można bowiem po prostu zmniejszać wypełnienie przy stałej częstotliwości (typowy PWM), ale to prowadzi do spadku sprawności (szybko machamy kluczem na co zużywamy energię a prąd wyjściowy jest nieduży). W prostszych przetwornicach o sterowaniu z histerezą (np. dziadek 34063) mamy generację impulsów o stałej długości (PFM), ale zapodawanych tylko wówczas gdy napięcie wyjściowe jest mniejsze od pewnego progu. Może też być generator o stałej częstotliwości bramkowany sygnałem ze wzmacniacza błędu i wiele, wiele innych. Przykładowo ST1S10 przy małych prądach przechodzi do trybu "gubienia impulsów" (pulse skipping) a i tak wykresy jej dobrej sprawności tragicznie załamują się poniżej 100mA.

Generalnie małe obciążenie zmusza przetwornicę do przejścia z trybu CCM (Continuous Current Mode) na tryb DCM (Discontinuous...) co - jak sama nazwa wskazuje - zmienia sposób pracy dławika. W pierwszym przypadku prąd w indukcyjności płynie przez cały cykl pracy zmniejszając się lub zwiększając w zależności od fazy cyklu. Przy spadku zapotrzebowania na energię dochodzi do tego, że prąd w fazie wyłączenia osiąga w końcu zero i od tego miejsca mamy DCM. Załączenie klucza powoduje wzrost prądu a wyłączenie jego spadek do zera. Szybkość narastania i opadania prądu zależy oczywiście od dwóch czynników: od indukcyjności i od różnicy napięć we-wy (mówimy o topologii buck, czyli step-down). Możesz zwiększyć indukcyjność tak, by dla małych prądów podtrzymać pracę w (korzystnym) trybie CCM, ale: a) to znaczy, że dla dużych prądów dławik będzie musiał być ogromny, b) duża indukcyjność to duża "bezwładność" prądu co z jednej strony utrzymuje małe tętnienia ale z drugiej powoduje, że przetwornica przestaje odpowiednio szybko reagować na zmiany obciążenia. Już ktoś tutaj nazwał ST1S10 układem easy-to-use a to oznacza, że producent zdjął Ci z głowy problem kompensacji częstotliwościowej pętli regulacji napięcia. To z kolei oznacza, że problem ten został "schowany" pod pokrywką układu w postaci odpowiednio dobranej ch-ki częstoliwościowo-fazowej (transmitancji) wzmacniacza błędu. Żeby to zrobić projektanci musieli założyć jakieś warunki pracy układu a więc m.in. wielkość współpracujących indukcyjności i pojemności oraz ich rezystancji szeregowych. Ich zmiana poza optymalnie proponowane wartości na pewno spowoduje zmianę odpowiedzi impulsowej układu, być może nawet oscylacje lub podwzbudzenia przy zmianach np. obciążenia lub napięcia wejściowego. Tak więc mały (lub lepiej: optymalny dla pełnego obciążenia danego układu) dławik nie szkodzi a za duży może i owszem. Dzisiejsze przetwornice mają wbudowane limitery prądu w kluczu (a już te pracujące w trybie Current Mode mają z definicji - nie mylić z trybami DCM i CCM pracy dławika) więc tu jesteś zabezpieczony. Jedynymi elementami, które bezpośrednio widzą tętnienia prądu w dławiku są kondensatory wyjściowe bo to one muszą je w 100% pochłonąć. Tu można by coś zaoszczędzić, ale znów: ich zmiana na gorsze/mniejsze może spowodować rozchwianie stabilności przetwornicy. O istotności tego problemu może świadczyć treść rozdziału 5.8.5 - tam widać, że gdzieś pod spodem siedzi teoria sterowania, warunki stabilności itd, no wiadomo.

Scalak ST najlepiej czuje się przy obciążeniach rzędu 0.5-3A i zasilanie z niego procesora biorącego 50mA to nie jest jego bajka. Znajdź do tego inny układ, mniejszy a może wręcz LDO?