Conduire des moteurs à courant continu avec des MOSFET et un microcontrôleur?

Je développe un nano quadcopter à l'aide d'un microcontrôleur Atmega328, alimenté à 3,3 V, et de très petits moteurs CC à balais. Le courant moyen utilisé par ces moteurs est d'environ 800mA @ 3,7V.

Au départ, pour les piloter, j'ai utilisé un pilote de moteur L293D mais ce composant était assez inefficace. Le courant mesuré lorsque les moteurs fonctionnaient à la puissance maximale était d'environ 500 mA et la poussée était donc beaucoup plus faible qu'elle ne devrait l'être.

Maintenant, pour résoudre ce problème, je remplacerais ce pilote de moteur par 4 MOSFET de niveau logique. Après une longue recherche, je trouve celui- ci (2SK4033).

Savez-vous si cela devrait fonctionner? Dois-je l'utiliser en conjonction avec une diode? Si la réponse est "oui", qu'en est-il de celle- ci (MBR360RLG)?

J'ai également choisi ces composants car je peux les acheter dans la même boutique en ligne.

Les MOSFET devraient très bien fonctionner pour cette application. Voici quelques trucs à prendre en compte:

1:

Lorsque vous utilisez un FET pour piloter une charge, vous pouvez choisir une configuration côté haut ou bas. Le côté haut place le transistor FET entre le rail d'alimentation et la charge, et l'autre côté de la charge est connecté à la terre. Dans une configuration côté bas, un conducteur de la charge est connecté au rail d'alimentation et le FET est positionné entre la charge et la masse:

Le moyen le plus simple de piloter votre moteur (ou une autre charge) consiste à utiliser un MOSFET à canal N dans la configuration côté bas. Un N-FET commence à conduire lorsque sa tension de grille est supérieure à sa source. Puisque la source est connectée à la terre, la porte peut être pilotée avec une logique marche / arrêt normale. Il existe un seuil que la tension de grille doit dépasser ("Vth") avant que le FET ne conduise. Certains FET ont Vth dans les dizaines de volts. Vous voulez un N-FET "de niveau logique" avec un seuil considérablement inférieur à votre Vcc.

La configuration FET côté bas présente deux inconvénients:

• L'enroulement du moteur est connecté directement au rail d'alimentation. Lorsque le FET est désactivé, tout l'enroulement est "chaud". Vous changez la terre, pas la connexion électrique.

• Le moteur n'aura pas de véritable référence au sol. Son potentiel le plus bas sera supérieur à la terre par la tension directe du FET.

Aucun de ces éléments ne devrait avoir d'importance dans votre conception. Cependant, ils peuvent être problématiques si vous ne vous y attendez pas! Surtout avec des circuits de puissance supérieure :)

Pour surmonter ces problèmes, vous pouvez utiliser un P-FET dans la configuration côté haut. Le circuit de conduite devient cependant un peu plus complexe. Un interrupteur P-FET a généralement sa porte tirée vers le haut sur le rail d'alimentation. Ce rail d'alimentation est plus élevé que le Vcc de l'UC, vous ne pouvez donc pas connecter les broches d'E / S de l'UC directement à la porte. Une solution courante consiste à utiliser un N-FET bas côté plus petit pour abaisser la grille du P-FET côté haut:

R1 et R3 existent pour garder les FET désactivés jusqu'à ce que Q2 soit piloté. Vous aurez besoin de R3 même dans une configuration de côté bas.

Dans votre cas, je pense qu'un simple N-FET bas côté (avec R3) vous servira mieux.

2:

Remarquez R2 dans le dernier diagramme. Une grille MOSFET agit comme un condensateur, qui doit se charger avant que le courant drain-source ne commence à circuler. Il peut y avoir un courant d'appel important lors de la première mise sous tension, vous devez donc limiter ce courant pour éviter d'endommager le pilote de sortie du uC. Le capuchon ne ressemblera qu'à un court instant, il n'y a donc pas besoin d'une grande marge d'erreur. Votre Atmel spécifique, par exemple, peut fournir 40mA. 3,3 V / 35 mA => 94,3 Ohm. Une résistance de 100 ohms fonctionnera très bien.

Cependant, cette résistance ralentira les temps d'activation et de désactivation du FET, ce qui imposera une limite supérieure à votre fréquence de commutation. De plus, cela prolonge la durée pendant laquelle le transistor FET se trouve dans la région de fonctionnement linéaire, ce qui gaspille de l'énergie. Si vous passez à une fréquence élevée, cela peut être un problème. Un indicateur est si le FET devient trop chaud!

Une solution à ce problème consiste à utiliser un pilote FET. Ce sont effectivement des tampons qui peuvent générer plus de courant et peuvent donc charger la grille plus rapidement sans avoir besoin d'une résistance de limitation. De plus, la plupart des pilotes FET peuvent utiliser un rail d'alimentation plus élevé que le Vcc typique. Cette tension de grille plus élevée réduit la résistance à l'état passant du FET, économisant ainsi de l'énergie supplémentaire. Dans votre cas, vous pouvez alimenter le pilote FET avec 3,7 V et le contrôler avec 3,3 V de l'UC.

3:

Enfin, vous voudrez utiliser une diode Schottky pour vous protéger contre les pointes de tension causées par le moteur. Faites-le chaque fois que vous commutez une charge inductive:

Un enroulement de moteur est un gros inducteur, il résistera donc à tout changement de flux de courant. Imaginez que le courant traverse le bobinage, puis vous désactivez le FET. L'inductance fera en sorte que le courant continue de s'écouler du moteur lorsque les champs électriques s'effondrent. Mais, il n'y a pas de place pour ce courant! Donc, il frappe à travers le FET, ou fait autre chose tout aussi destructeur.

Le Schottky, placé en parallèle à la charge, donne un chemin sûr pour le courant à parcourir. La pointe de tension atteint son maximum à la tension directe de la diode, qui n'est que de 0,6 V à 1 A pour celle que vous avez spécifiée.

L'image précédente, une configuration de côté bas avec la diode flyback, est facile, peu coûteuse et assez efficace.

Le seul autre problème que je vois avec l'utilisation de la solution MOSFET est qu'elle est intrinsèquement unidirectionnelle. Votre L293D d'origine est un pilote à demi-pont multiple. Cela permet d'entraîner un moteur dans les deux sens. Imagerie connectant un moteur entre 1Y et 2Y. Le L293D peut faire 1Y = Vdd et 2Y = GND, et le moteur tourne dans une direction. Ou, il peut faire 1Y = GND et 2Y = Vdd, et le moteur tournera dans l'autre sens. Assez pratique.

Bonne chance et amusez-vous bien!

Voici ce que je regarderais pour n'importe quel MOSFET. C'est de la fiche technique du 2SK4033 par la manière: -

Vous dites que 800mA est le courant moyen, mais cela pourrait-il augmenter à plus de 1A sous charge? Quoi qu'il en soit, à 1 A et avec une tension de commande de grille de 3,3 V, le MOSFET chute d'environ 0,15 V à ses bornes lors de l'alimentation d'une charge de 1 A. Pouvez-vous vivre avec cette perte de puissance (150 mW) et, plus important encore, lorsque la tension de la batterie tombe en dessous de 3 V, pouvez-vous vivre avec les performances perdues car la tension de la grille chute inévitablement.

Seulement vous pouvez répondre à cette question. Il y a de meilleurs MOSFET que cela, mais vous devez calculer les courants de charge réels pour le moteur que vous attendez.

MODIFICATIONS

Voici une puce que j'ai rencontrée qui pourrait être très utile à la place des MOSFET. Il s'agit du DRV8850 de TI. Il contient deux demi-ponts et cela signifie qu'il peut piloter indépendamment deux des 4 moteurs sans avoir besoin des diodes flyback (en effet, le FET supérieur fonctionne comme un redresseur synchrone et cela réduit bien sûr les pertes). La résistance à l'état passant pour chaque FET est de 0,045 ohms et elle est évaluée à 5A (la puissance dissipée est d'environ 1,1 watt) mais, étant donné que l'OP veut environ 1A, cela devient très trivial. La plage de tension d'alimentation est de 2V à 5,5V, donc encore une fois cela convient très bien: -

Puisqu'un moteur CC à balais est utilisé, vous n'avez pas nécessairement besoin d'un pont en H comme entraînement. Seuls deux cas nécessitent vraiment un pont en H; besoin de commuter extérieurement le moteur (pensez aux moteurs PM sans balais par exemple) ou besoin d'inverser le spin. Aucun de ces éléments ne semble s'appliquer ici. L'utilisation d'une seule direction ou d'un seul quadrant (SQD) simplifierait considérablement ce que vous essayez de faire.

Le FET que vous envisagez d'utiliser (2SK4033) ne correspond pas très bien à la tension d'entraînement disponible (Andy a déjà expliqué pourquoi), et nous verrons plus en détail le choix des FET plus tard.

Entraînement de moteurs CC à balais avec un entraînement à quadrant unique (SQD)

$V_{\text{th}}$

$V_{\omega }$$R_{\text{wind}}$$R_g$$R_{\text{pd}}$$V_b$$V{\text{drv}}$

$I_m$$I_{d-pk}$$I_{d-rms}$$I_{\text{cr-ave}}$

• $I_{d-pk}$$I_m$
• $I_{\text{d-rms}}^2$$I_m^2$
• $I_{\text{cr-ave}}$$I_m$

Critères de base pour choisir un FET (sorte de l'ABC du choix d'un FET):

• $V_{\text{DS}}$$1.5 V_{\text{B-max}}$

$V_{\text{DS}}$

• $V_{\text{th-max}}$$\frac{V_{\text{Drv-min}}}{3}$

  $V_{\text{th-max}}$$R_{\text{ds}}$

• $\text{$\Delta $T}_{J-A}$

  L'élévation de chaleur est vraiment importante. Il tient compte de toutes les pertes ... perte de conduction, perte de porte et perte de commutation.

Exemple de sélection de pièces sur la base de 3 critères:

$V_{\text{B-max}}$$V_{\text{Drv-min}}$$V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$$R_{\text{DS}}$

• $V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$

$R_{\text{th}}$

$P_T$$P_{\text{cond}}$$P_{\text{sw}}$

où

$P_{\text{cond}}$$R_{\text{ds}}$$I_m^2$

$P_{\text{sw}}$$\frac{1}{2} I_m V_b F_{\text{PWM}} \left(\tau _f + \tau _r\right)$

$V_{\text{gs}}$$V_{\text{ds}}$$V_{\text{gs}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{ds}}$

$Q_{\text{mp}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$$R_g$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$

$Q_{\text{mp}}$$\frac{\tau V_{\text{drv}}}{2 R_g}$$\tau$$\frac{2 R_g Q_{\text{mp}}}{V_{\text{drv}}}$$\frac{2(100 Ohms) \text{(4nC)}}{\text{3.3V}}$

$I_m$$R_{\text{ds}}$$R_{\text{ds}}$

$P_T$$0.9 \text{(33mOhm)} \text{(1.2A)}^2$$\text{(3.3V)} \text{(1.2A)} \text{(242nSec)} \text{(20kHz)}$

$I_m$

Extrémités lâches

• Placez le circuit d'entraînement et les interrupteurs à proximité du moteur.

• Bien qu'il soit possible pour le micro de piloter directement le FET, un pilote pour la protection du micro est une bonne idée (quelque chose comme un NC7WZ16 pourrait fonctionner ici).

• $C_{\text{iss}}$

• $I_m$